Ｎｏ．１ 《大型铸锻件》 ＨＥＡＶＹ ＣＡＳＴＩＮＧ ＡＮＤ Ｆ０ＲＧＩＮＧ Ｊａｎｕａｒｙ ２００８ 艺进行渗碳处理，该炉装载负荷为２０ ｔ，碳势控制 经以上工艺渗碳淬火后，虽然齿轮轴渗碳层 深度为３．８５ ｍｍ，但普遍存在硬度偏低现象 （５０ＨＲＣ左右）。经金相检查，渗碳层组织为回火 精度小于±０．０５％。渗碳后在２．５ ｍ×４．０６ ｍ台 车热处理炉按图３、４示进行高温回火、淬火、回火 处理。 表１ １７Ｃｒ２Ｎｉ２Ｍｏ材料化学成分（质量分数，％） Ｔａｂｌｅ １ Ｔｈｅ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ 马氏体＋贝氏体＋残余奥氏体（４０％），芯部组织 为马氏体＋贝氏体＋少量游离铁素体，未发现碳 化物。在５００倍下观察有脱碳，但脱碳程度无法 判定。未发现晶界氧化。芯部硬度为３５０ＨＢＳ左 ｏｆ １７Ｃｒ２Ｎｉ２Ｍｏ（ｍａｓｓ ｆｒａｃｔｉｏｎ。％） Ｃ Ｍｎ Ｃｒ Ｎｉ Ｍｏ Ｐ Ｓ 右。 ０．１８ ０．２３ ０．５７ １．７ｌ １．６２ ０．３３ ０．０７ ０．０ｌｌ 图１ 大模数齿轮轴基本尺寸 Ｆｉｇｕｒｅ １ Ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｍｏｄｕｌｅ ｇｅａｒ ｓｈａｆｔ 表２ １７Ｃｒ２Ｎｉ２Ｍｏ材料临界温度 Ｔａｂｌｅ ２ Ｔｈｅ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ １７Ｃｒ２Ｎｉ２Ｍｏ ｌ ｌ临界点 Ａｃｌ Ａｃ３ ＭＳ 温度／℃ ７３０ ７８０ ３ｌ０ ／ 升温 强渗＋扩散 限速冷 ＼ ‘＼ 时间／ｈ 注：（１）允许最高炉气碳势为１．２％； （２）渗速修正系数为１； （３）允许最高表面碳浓度为１．１％； （４）最终表面碳浓度为０．８５％。 图２齿轮轴渗碳工艺 Ｆｉｕｇｒｅ ２ Ｔｈｅ ｃａｒｂｕｒｉｚｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｇｅａｒ ｓｈａｆｔ 图３齿轮轴渗碳后回火工艺 Ｆｉｕｇｒｅ ３ Ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｇｅａｒ ｓｈａｆｔ ａｆｔｅｒ ｃａｒｂｕｒｉｚａｔｉｏｎ ｐ ＼ 赠 时间／ｈ 图４齿轮轴渗碳后淬火回火工艺 Ｆｉｕｇｒｅ ４ Ｔｈｅ ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｇｅａｒ ｓｈａｆｔ ａｆｔｅｒ ｃａｒｂｕｒｉｚａｔｉｏｎ １２ ４对１７Ｃｒ２Ｎｉ２Ｍ０大模数齿轮轴常规渗碳及淬 火工艺的分析 由以上检验数据可知齿轮轴淬火后渗碳层表 面硬度偏低主要是由于渗碳层内残余奥氏体含量 偏高造成的。 热处理后的残余奥氏体量必须控制在一个合 适的范围，其含量过高时会在使用过程中由应力 诱发或热冲击诱发马氏体转变。这种未回火的新 鲜马氏体易于产生裂纹。当残余奥氏体量过低 时，有人认为对断裂韧性指标没有益处。 渗碳层表面的残余奥氏体对性能的影响看法 不一，持不利影响观点的认为：（１）残余奥氏体较 马氏体软，会降低表面硬度，影响耐磨性。（２）残 余奥氏体会减少残余压应力，降低抗疲劳性能。 如渗碳表层残余奥氏体从２０％提高到６０％，零件 疲劳强度下降１５％～２５％。（３）软的残余奥氏体 可能成为疲劳裂纹源。（４）残余奥氏体不稳定， 容易造成零件尺寸变化，受力受热均会分解为淬 火型马氏体性脆。 近年来很多与上述看法相反的观点认为： （１）软的残余奥氏体分布在硬的马氏体中，容易 产生局部滑移，缓和负荷应力集中，避免产生裂纹 源；（２）残余奥氏体再转变会带来残余压应力增 加，有利于抵抗破坏性能。（３）齿轮啮合过程中不 均匀接触会受到残余奥氏体塑变而均载。 第三种观点认为随使用条件不同，残余奥氏 体有利有弊。例如作冲击疲劳试验时发现：在应 力为７８４．５ ＭＰａ时，损坏的循环次数随残余奥氏 体量的增加而提高，在应力为４４１ ＭＰａ时，则随残 余奥氏体量的增加而下降。ＩＳＯ标准中对渗碳齿 轮的残余奥氏体含量这样规定：ＭＱ级控制在 ３０％以下，ＭＥ则控制在２０％以下。 对于大锻件渗碳来讲，有些残余奥氏体是难 免的。通常将渗碳层表面的残余奥氏体量控制在 ２０～３０％是适宜的。 大模数齿轮轴渗碳需长时间在高温炉加热 维普资讯 http://www.cqvip.com
《大型铸锻件》 ＨＥＡＶＹ ＣＡＳＴＩＮＧ ＡＮＤ Ｆ０ＲＧＩＮＧ Ｎｏ．１ Ｊａｎｕａｒｙ ２００８ （长达１００ ｈ），晶粒长大形成粗晶粒的可能性很 冷却到表面为１２０～３００ ｏＣ时，心部低碳部位是已 进行了马氏体转变，应该让心部的马氏体充分转 大。因此，大模数齿轮轴用钢渗碳前，应当考虑进 行细化晶粒处理，使晶粒尽可能细小。 大模数齿轮轴表层碳化物形态、大小、分布的 控制也是比较困难的。渗碳层表面碳浓度太高会 使碳化物形态和分布恶化，即过剩碳化物粗化、不 变，形成坚硬的马氏体之后，表面开始马氏体转 变。因为表面的马氏体转变引起体积膨胀会造成 表面强大的压应力，能提高齿轮轴表面硬度，也可 以减少组织应力和热应力。 规则化和网状等，造成疲劳强度降低。 渗碳层的表面碳浓度对齿部弯曲疲劳强度的 影响也很大。与表面碳浓度为０．９％相比，表面 ｐ ＼ 赠 碳浓度为１．１５％时弯曲疲劳强度下降１０％；表面 碳浓度为１．４２％时下降３０％。当渗碳表面碳浓 度超过１％时，脆性破坏抗力和塑性都大大下降。 因此，大模数齿轮轴渗碳的表面碳浓度一般控制 在０．８％～０．９５％之间。有些国家将控制范围提 高到０．８５％～１．０％。图２所示的渗碳工艺参数 正是基于这一点制订的。 大模数齿轮轴渗碳时在高温下停留的时间很 长，在渗碳结束后冷却得又较慢，析出的过剩碳化 物的形态是网状或块状，这对大模数齿轮轴是不 理想的。特别是在表面碳浓度偏高或超高限时， 对性能的影响更大。所以对大模数齿轮轴在渗碳 冷却后要再进行一次球化处理，以使碳化物呈细 小颗粒状均匀分布。图３所示的渗碳后高温回火 处理就是这个目的。 大模数齿轮轴渗碳后的淬火参数与大锻件渗 碳淬火一样，通常在８００～８２０ ｏＣ，炉气要有还原 性气氛。图４中的淬火温度参数很正常，但其冷 却时方式有待研究。因为大锻件渗碳淬火冷却一 方面要保证一定的冷却速度，才能使大截面淬硬 淬透；另一方面又要尽力减少变形，还使锻件表面 获得较大的压应力，提高其疲劳性能。有些厂家 为了大型齿轮的渗碳淬火，专门建有大容量、可调 温的硝盐池。还有厂家采用周期调节喷油量的方 法淬火。 ５ １７Ｃｒ２Ｎｉ２Ｍｏ材料大模数齿轮轴渗碳及淬火 工艺的优化 基于以上论述，结合我公司热处理设备的情 况，对大模数齿轮轴渗碳及淬火工艺进行了优化。 首先在渗碳前增加正火工序，细化晶粒组织。 工艺参数见图５。 其次淬火时采用热油冷却，并进行充分的循 环搅拌。工艺参数见图６。１７Ｃｒ２Ｎｉ２Ｍｏ材料的 马氏体开始转变温度是在３００ ｏＣ左右。而渗碳层 高碳马氏体转变开始温度是在１２０ ｏＣ左右，淬火 时间／ｈ 图５ 大模数齿轮轴渗碳前正火工艺参数 Ｆｉｇｕｒｅ ５ Ｔｈｅ ｎｏｒｍａｌｉｚｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｍｏｄｕｌｅ ｇｅａｒ ｓｈａｆｔ ｂｅｆｏｒｅ ｅａｒｂｕｒｉｚａｔｉｏｎ 冷却时充分的循环搅拌使大锻件保持冷却均 匀，且不致造成着火危险。 第三，冷却到１８０℃（表面温度）左右进行等 温。可以将淬火件放在等温炉中做长时间保温 （４ ｈ左右），也可以放在空气中让自身回热来维 持表面温度。 保温Ｉ升温 保温 怖 图６大模数齿轮轴渗碳后淬火回火工艺参数 Ｆｉｕｇｒｅ ６ Ｔｈｅ ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｍｏｄｕｌｅ ｇｅａｒ ｓｈａｆｔ ｂｅｆｏｒｅ ｃａｒｂｕｒｉｚａｔｉｏｎ 经以上工艺渗碳淬火后，齿轮轴渗碳层硬度 为５６～５７ＨＲＣ。经金相检查，渗碳层组织为回火 马氏体＋贝氏体＋残余奥氏体（３０％），芯部组织 为马氏体＋贝氏体＋少量游离铁素体，未发现碳 化物。芯部硬度为３３５ＨＢＳ左右。 ６结语 １７Ｃｒ２Ｎｉ２Ｍｏ大模数齿轮轴深层渗碳淬火要 得到满意的渗碳质量，应当在渗碳前进行正火处 理细化晶粒组织，渗碳冷却后再进行一次球化处 理，以求碳化物呈细小颗粒状均匀分布。淬火时 采用热油冷却，并进行充分的循环搅拌。冷却到 １８０℃（表面温度）左右进行等温。 责任编辑邓玉 ｌ３
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