不同回火工艺下重载齿轮渗碳层性能及组织的差异

■张晓田，陈红

不同回火工艺下重载齿轮渗碳层性能及组织的差异

■张晓田，陈红

摘要：通过在相同回火温度条件下，对渗碳件分别进行1h、2h、3h、大于4h的回火，并在相同回火时间条件下，对渗碳件分别进行150℃和185℃回火，对其表面硬度、心部硬度、金相组织和硬化层硬度梯度进行了检测分析。结果表明：温度相同条件下，1h、2h、3h和大于4h的回火时渗碳件（8620RH材质）的性能及组织没有明显差异； 时间相同条件下，150℃回火后半齿高处的硬度比185℃回火的高50～60HV，同时台架试验寿命也有明显改善。

我公司重载齿轮采用渗碳淬火+回火工艺，随着用户使用工况越来越恶劣，对产品性能的要求越来越高，我们一方面改进设计，另一方面通过工艺改进来应对。为改善重载齿轮（材质8620RH）的抗点蚀能力，本研究主要是在不同的回火工艺条件下，分析其表面硬度、硬化层硬度梯度及金相组织的差异，寻找提高齿面硬度的有效途径。

1. 试验过程及主要参数

（1）采用不同回火时间回火（回火温度相同）在生产现场随机抽取同一批热前零件，先经过渗碳处理，之后分别经过1h、2h、3h、连续炉回火（大于4h），其热处理参数见表1。

（2）采用不同回火温度回火（回火时间相同）在生产现场随机抽取同一批热前零件，先渗碳处理，之后分别经过150℃和185℃回火，其热处理主要参数见表2。

2. 检测结果

（1）不同回火时间下的检测结果经过不同时间回火工艺处理后，对其表面硬度、心部硬度、金相组织、层深及其硬度梯度进行了检测，其结果见表3和图1、图2。

（2）不同回火温度下检测结果经过不同温度回火工艺处理后，对以上参数进行检测，其结果见表4和图3、图4。

（3）台架疲劳试验不同回火温度、相同试验条件下进行台架疲劳试验，结果见表5。

3. 结果分析

表2　不同回火温度下（时间相同）热处理主要参数

由表3可看出，经过不同时间回火处理后，零件的表面硬度、心部硬度、金相组织、渗碳层深无明显差异，且满足表面硬度58～63HRC、渗碳层深0.84 ～1.34mm、心部硬度C点30～45HRC、D点大于25HRC、金相组织A～E级的技术要求。由图1可看出，不同回火时间条件下，半齿高处的渗碳层硬度梯度曲线几乎接近，由表及里平缓下降；由图2可看出，不同回火时间条件下，齿根处的渗碳层硬度梯度

曲线也很接近，由表及里逐渐下降，但较半齿高处下降略快，有效硬化层稍浅，这主要是齿根部渗碳气氛比半齿高处差一些所致。由此可知，不同回火时间条件下，渗碳件的性能及组织没有明显差异。

由表4可看出，经过不同温度回火处理后，零件的心部硬度、金相组织、渗碳层深无明显差异，且满足渗碳层深0.84 ～1.34mm、心部硬度C点30～45HRC、D点大于25HRC、金相组织A～E级的技术要求；但150℃回火的零件表面硬度64HRC，比185℃回火的零件高出3HRC，且超出表面硬度58～63HRC的技术要求。

由图3和图4可看出，不同回火温度条件下，半齿高处和齿根处的渗碳层深、硬度梯度曲线均有明显的差异，150℃回火零件的半齿高处有效硬化层硬度梯度明显高于185℃回火处理件，齿根处的稍高，半齿高处的高出50 ～60HV，这与表面硬度的结果差异是一致的。靠近齿根部，渗碳气氛比半齿高处差一些，渗层碳浓度要低，所以半齿高处的硬度梯度差异更明显。

渗碳淬火件150℃回火时，表层高碳马氏体发生分解，从马氏体中析出ξ-碳化物，在ξ-碳化物周围的马氏体中形成贫碳区（碳量仍过饱和），远离ξ-碳化物的马氏体区含碳量仍不变。随着回火温度的升高，185℃回火时，碳原子进行较长距离扩散，随着碳化物的析出，马氏体碳浓度均匀降低，发生连续式分解，硬度降低。

在一定的硬度范围内，硬度越低，对重载齿轮啮合的抗点蚀能力越低。在不影响其他性能的前提下，150℃回火可有效提高零件硬化层的硬度，有利于抗齿面点蚀，这点从表5中的试验数据也可以得到验证。较低温度回火后，零件出现点蚀的时间及点蚀出现后的扩展速度均得到了极大改善。

图1　不同回火时间（温度相同）处理后层深（1/2齿高处）硬度梯度曲线

图3　不同回火温度（时间相同）处理后层深（1/2齿高处）硬度梯度曲线

图2　不同回火时间（温度相同）处理后层深（齿根处）硬度梯度曲线

图4　不同回火温度（时间相同）处理后层深（齿根处）硬度梯度曲线

表3　不同回火时间（温度相同）处理后的检测结果

表4　不同回火温度（时间相同）处理后的检测结果

表5　不同回火温度（时间相同）处理后的台架疲劳试验

20150118

作者简介：张晓田、陈红，陕西法士特齿轮有限责任公司，主要研究方向为材料及热处理。