辊底式炉对18CrNiMo7-6重载齿轮碳化物控制研究

■ 张林建，顾晓明，朱伟伟，吕蓝冰，李康康

辊底式马氏体分级淬火生产线采用硝酸钾加亚硝酸钠盐浴淬火冷却介质，分级淬火原理为渗碳齿轮在盐浴中完成齿轮心部组织转变，后在风冷台空气中完成表面组织转变，空气中转变应力小，有利于减小变形以及淬火应力。研究的辊底式马氏体分级淬火生产线主要由上料台、加热炉、盐浴槽、风冷台、清洗机、低温回火炉以及下料台组成（见图1）。

18CrNiMo7-6是常用的重载齿轮渗碳钢，Cr、Ni含量高，淬透性优良，广泛应用于大模数齿轮件。该材质渗碳特点为碳化物形成敏感性较高，渗碳时碳势达到0.75%以上即可在晶界形成细网状碳化物，淬火后将形成3级碳化物，故其对渗碳以及淬火时的碳势波动要求严格。

1. 试验材料及热处理工艺

设备调试阶段试验齿轮，模数10，外径1000mm，齿宽200mm，材料18CrNiMo7-6，制造工序为：锻造→锻后热处理（正火+高温回火）→半精车→滚齿→热处理→抛丸→精车→磨削→无损检测→烘装→磨齿→无损检测。热处理后表面硬度要求值为58～62HRC，碳化物要求2级以内，残留奥氏体要求2级以内。试验齿轮渗碳使用井式渗碳炉，强渗碳势1.20%，扩散碳势0.72%，渗碳后对齿轮均布4点渗层碳含量检测，渗层表面碳含量均匀，wC为0.70%～0.75%，齿轮周向表层晶界无可见碳化物。淬火、回火在辊底式马氏体分级淬火生产线上完成，工艺如图2所示，参数见表1。

图1 辊底式马氏体分级淬火生产线

2.性能检验

辊底式马氏体分级淬火生产线淬火、回火完成后，未抛丸状态，对试验齿轮本体切齿检验，隔180°切取齿形样块，每个齿形样块对齿宽上中下进行热处理性能检测。性能检测指标包括成分、组织、层深、硬度、残余应力。

（1）化学成分 试验材料18C r N i M o7-6化学成分按EN10084-2008验收，符合要求，两件试样成分基本一致，表明试验齿轮原材料成分均匀，具体化学成分见表2。

（2）硬度及层深 如表3所示，硬度及层深数据可分析出，试验齿轮表面硬度达到59HRC，180°齿的表面硬度及层深均高于0°齿，从硬度方面可以判断出两者的组织必然存在差异。

（3）热处理组织 对0°齿及180°齿进行组织检验，如图3及图4所示，明显可见0°齿表面碳化物1级，残留奥氏体1级；180°齿碳化物3级，残留奥氏体2级，出现断续细网状碳化物，形态呈块状，角状，断续网状，碳化物作为硬化物质，将显著提高表层的硬度，组织结果佐证了表3所述的硬度结果。

图2 辊底式炉热处理工艺

图3 试验齿轮0°齿表面组织

图4 试验齿轮 180°齿表面组织

表1 热处理工艺参数

表2 样品化学成分（质量分数） （%）

表3 齿轮切齿试验的硬度及层深

（4）残余应力 对0°及180°齿进行残余应力检测，检测部位齿根，采用X-350A型X射线应力测定仪测试。检测参数及结果见表4。从残余应力结果分析，180°齿的残余压应力低于0°齿，与180°齿表面碳化物以及残留奥氏体数量有关，残留奥氏体作为不稳定相，在自然时效状态下，残留奥氏体稳定态转化趋势将产生体积以及应力状态的变化，对残余压应力产生负面影响。

3. 试验结果

（1）淬火、回火后，试验齿轮本体碳化物级别偏差2级，与渗碳态表面碳浓度结果不吻合，表明180°齿的3级碳化物来源于淬火奥氏体化阶段。

（2）碳化物作为硬化物质，将提高渗碳齿轮表面硬度，同时在淬火奥氏体化阶段，随着表层含碳量的增加，碳在奥氏体中的扩散系数增大，稳定奥氏体相，降低马氏体转变开始点Ms点，使残留奥氏体数量增加。

4. 结果分析

试验齿轮最终热处理后的性能差异源头在于表层碳浓度差异，碳浓度差异表明辊底式炉在淬火奥氏体化过程中炉膛碳势均匀性出现差异性问题。炉膛碳势均匀性与炉膛结构、气氛循环走向、碳势及温度变化、碳势控制系统以及产品形状结构有关。炉膛结构以及气氛循环走向与设备结构及风扇布局有关；碳势及温度变化与碳势控制系统以及产品形状结构有关。该型辊底式加热炉由预热室、加热室以及保温室组成，加热室由3个区组成、保温室由2个区组成，加热室与保温室相通。风扇均匀分布在炉膛顶部，加热室、保温室各有一组碳势控制系统（见图5、图6）。

该型设备设计主要用于轴承等零件的盐浴淬火，碳势最高0.85%，不会影响高碳轴承件的表面碳浓度。18CrNiMo7-6材质含Ni量高，对碳化物敏感性大，表面碳浓度达到0.75%以上即可在晶界形成细网状碳化物。图7为阶段进炉膛时的碳势变化模型，可见进炉开炉门时碳势开始下降，最低至0.20%，炉门关闭后炉膛碳势开始升高，最高达到0.85%，碳势往复波动将在CP高值时产生大的碳浓度梯度。当进行渗碳齿轮件盐浴淬火热处理时，碳势大波动形态将对原始0.70%～0.75%表面碳浓度产生影响，加之炉膛为长方体结构，零件进出时炉膛的碳势将产生严重不均匀性，同时该设备不具备空气管路对碳势的自动调节功能（见图8），设备的设计不合理导致炉膛的碳势不均匀现象产生。

表4 X射线应力检测

图5 辊底加热炉示意

图6 辊底加热炉剖视图

图7 辊底式加热炉进料碳势变化模型

图8 原始设计进气管位置及管路

5. 设备改造及工艺优化

表面碳化物不均匀性源于炉膛碳势不均匀，使炉膛碳势可控且防止形成积炭将解决表面碳化物不均匀问题。改造（见图9）及工艺优化如下：

（1）碳势控制增加工艺空气系统，炉膛通过空气泵打入工艺空气来控制碳势稳定性。

（2）介质进气管改从高温风扇顶部进入，提高介质高温裂解效果，避免未分解介质被风扇直接吹至零件上。

（3）炉膛长8m，原始设计2个氧探头无法精确控制长腔炉膛内碳势变化，在保温室一区增加一组氧探头控制系统。

（4）预热室保温温度提高至680℃，以保证产品进入820℃加热室一区时温度在760℃以上，使产品快速升温到渗碳温度，避免富化气介质在较低温度下无法充分分解而产生积炭问题。

通过上述四点优化，辊底式炉的碳势均匀性得到保证，碳势实际值偏差在±0.05%内，试验验证大直径18CrNiMo7-6齿轮在辊底式炉奥氏体化淬火后的360°周向热处理组织均匀一致。

图9 改造后进气管位置及管路

6. 结语

（1）18CrNiMo7-6齿轮在辊底式炉奥氏体化淬火后周向碳化物不均匀源于设备设计不合理，不具备空气对碳势的调节功能。

（2）对设备进行改造，碳控系统加装空气管路同时增加一路监控装置，改变介质进入炉膛的路径，提高预热温度，以防止积炭，通过设备改造优化可以提高炉膛的碳势均匀性，使18CrNiMo7-6渗碳齿轮的盐浴淬火在辊底式炉中得以实现。