齿轮渗碳强渗和扩散比值的工艺优化设计

张明明 李寿东 宋建康 杜 伟 王从福 陶常彬

（山东华成中德传动设备有限公司，淄博 255200）

在煤炭、冶金、水泥、化工以及港口等行业中，有很多工况使用的齿轮箱要有高的承载力和耐冲击性能，以保证设备的稳定性。作为工业重载齿轮箱的核心零部件，齿轮的质量直接影响齿轮箱的寿命和使用的稳定性。因此，要求重载齿轮箱用齿轮在保证加工精度的基础上应具有较高的抗疲劳性、良好的耐磨性、较高的硬度和较好的韧性。为了达到以上这些性能要求，热处理工艺过程的控制显得格外重要。

18CrNiMo7-6齿轮用钢是一种常用的低合金渗碳钢。经过渗碳处理后，它的耐磨性能、硬度、接触疲劳强度都得到了大幅度提升。同时，由于它具有外硬内韧的特点，能承受较高的外界冲击载荷，是一种综合性能良好的齿轮用钢，在齿轮制造中得到了广泛应用。目前，关于它的组织、性能以及渗碳淬火的热处理工艺已经有了大量研究[1-2]。本文主要以齿轮渗碳工艺中的强渗和扩散两个重要的工艺过程为研究对象，针对渗碳层要求为2.0 mm的齿轮，通过试验数据和理论分析，试图找到强渗时间和扩散时间最佳配比，使其既能满足齿轮的性能要求，又能降低工艺时间，从而降低生产成本。

1 试验材料与方法

试验用的基材为18CrNiMo7-6渗碳齿轮钢锻坯，主要化学成分的质量分数如表1所示。

表1 18CrNiMo7-6钢的主要化学成分的质量分数（单位：%）

将锻坯加工为Φ35 mm×70 mm的试样共5件，其原始微观组织如图1所示。试样组织为珠光体和铁素体。清洗试样至表面无污物，将5件试样分别编号为1～5。将5件试样分5次装入箱式多用炉中，5件试样经过的热处理工艺除强渗和扩散的时间比不同外，其余全部相同。5个试样的强渗和扩散总时间相同，都设置为20 h。5个试样强渗和扩散时间的比值 见表2。

表2 试样的不同强渗和扩散时间比

试样进炉后加热到930 ℃保温进行强渗，设定强渗碳势为1.15%C。强渗阶段完成后，设定碳势为0.7%C进行扩散。整个渗碳阶段结束后，降温到830 ℃ 并保温1 h进行油淬，设定碳势为0.7%C。渗碳时，以纯度≥99%（体积分数）的氮气为保护性气体，纯度≥99.5%的甲醇为稀释剂，浓度≥99%的丙烷为渗碳剂。强渗过程是在氮甲醇气氛的基础上，通入丙烷富化气完成的[3-4]。具体的渗碳工艺曲线，如图2所示。渗碳后金相检测以《重载齿轮渗碳金相检验》（JB/T 6141.3—1992）为准，有效硬化层深度测试按照《钢件渗碳淬火有效硬化层深度的测定和校准》 （GB/T 9450—2005）进行，渗碳层含碳量通过碳硫分析仪进行检测。

5个试样经过渗碳淬火后统一放入低温回火炉内进行低温回火处理，低回温度200 ℃保温4 h。最后，在维氏硬度机上分别检测经过不同强渗和扩散时间比的试样硬度，每个试样均测量5次，取其平均值。将热处理后的5个试样表面进行打磨抛光，并用4%HNO3+96%酒精（体积分数）腐蚀后，借助金相显微镜分析其显微组织。对5个试样距离表面不同渗碳层深度处的含碳量借助碳硫分析仪进行分析检测。

2 试验结果与分析

2.1 不同强渗和扩散时间比对显微组织的影响

图3为经过不同强渗和扩散时间比处理后的试样表层显微组织图。从图3可以看出，试样经过渗碳淬火+低温回火后，表层组织为细针马氏体加少量的残留奥氏体。

与前3号试样的显微组织图略有不同的是，4号和5号试样渗碳层中的碳化物有增多的趋势。碳化物的存在会削弱基体晶粒间的联系，使钢的机械性能降低，尤其是会降低冲击性能。工业重载齿轮的渗碳层中不允许出现网状碳化物。1～5号试样的显微组织总体满足要求，4号和5号试样的残留碳化物明显增多是渗层中含碳量高的直观表现。

2.2 不同强渗和扩散时间比对硬化层硬度的影响

表3是1～5号试样渗碳层的硬度值。根据《钢件渗碳淬火有效硬化层深度的测定和校准》（GB/T 9450—2005）关于渗碳淬火硬化层的定义，零件渗碳淬火硬化层是从零件表面到维氏硬度值为550 HV处的垂直距离。从表3的数据中不难看出，在相同的渗碳时间下，随着强渗和扩散比的增大，试样的硬化层深度不断增大。这是因为在相同的时间内，高碳势环境下会有更多的碳进入零件内部。对于特别重要工况下使用的重载齿轮，不仅对渗碳层深度有严格的要求，而且对硬化层内硬度的变化梯度也有严格要求。对于材料及热处理质量检验要求为ME级的齿轮来说，在进行硬化层深度检测时，相邻两个检测点的硬度下降越小越好。试样4号和5号分别在距离表面1.7～1.8 mm 和1.8～1.9 mm处出现硬度下降超过30 HV的情况，试样1～3号的相邻检测点的硬度降低均小于 20 HV。相邻检测点硬度值下降过大，会使零件内部产生过大的内应力，从而影响齿轮的强度和抗疲劳性能，严重时齿轮内部可能会出现微裂纹。试样4号和5号相比其他试样虽然在相同的渗碳时间内达到了更深的渗层深度，但都出现了在渗层范围硬度下降过大的情况。这在要求严格的重载齿轮中是不允许的。造成这一现象的原因是4号和5号试棒的强渗和扩散时间比太大，试样渗碳层内的碳浓度没有扩散开。1号试样的渗碳层深度分别只有1.9 mm，没有达到要求的渗层要求。2号和3号试样的渗碳层深度分别为2.0 mm和2.1 mm， 均达到了渗层要求。相较于2号试样，在相等的时间内3号试样的渗层更深。从加工成本考虑，为了达到同一渗碳层要求，3号试样比2号试样所用的时间更短，加工成本更低。从表3的数据可以看出：在相同的渗碳时间内，增加强渗和扩散的时间比会使渗碳层增加，提高渗碳速度，但强渗和扩散的时间比过大，零件渗层内的硬度值会出现降低过快的现象。

表3 1～5号试样渗碳层的硬度值（单位：HV）

2.3 不同强渗和扩散时间比对硬化层含碳量的影响

用车床对5个试样进行取样，将取得的样品在碳硫分析仪上检测含碳量。表4是5个试样距离表面不同距离处的含碳量（质量分数）。从表4的数据可以看出：5个试样有效硬化层内的含碳量从表面开始都是逐渐降低的趋势；随着强渗和扩散比的增大，试样渗碳层内碳浓度变化梯度随着增大。对于齿轮的性能来说，渗碳层内的碳浓度变化梯度越小越好[5]。在实际的生产过程中，过分追求齿轮渗碳层内的小的碳浓度变化梯度是不经济的。只有在保证齿轮性能的前提下提高生产效率，才是企业的生存之道。

表4 1～5号试样距离表面不同距离处的含碳量（单位：%）

3 结论

对于材料为18CrNiMo7-6渗碳钢的齿轮来说，在进行渗碳的热处理时，不同的强渗和扩散时间比对齿轮的微观组织、硬化层深度、硬化层的硬度和含碳量的变化梯度有不同的影响。在相同的渗碳时间内，强渗和扩散时间比越大，硬化层深就越深，硬化层的硬度和含碳量的变化梯度也越大。在保证齿轮性能指标的前提下，增加强渗和扩散的时间比能明显缩短工艺时间，提高生产效率。对渗碳层深要求2.0 mm的齿轮来说，强渗碳势设定为1.15%C，扩散碳势设定为0.7%C，当强渗和扩散的时间比为4∶1时，在保证性能指标的前提下，可将工艺时间缩短到最小，生产效率达到最高。