对20Cr2Ni4、20CrNi2Mo、18CrNiMo7-6 3种渗碳钢成分及淬透性进行了测试及试验比较，随后对这3种渗碳钢制作的大型盘齿轮从原材料、设计、锻造预备热处理、去应力退火、渗碳工艺等进行了优化控制，对不同材料的重载齿轮渗碳淬火前后尺寸精度进行了检测对比分析。结果表明:3种渗碳钢淬透性均较高，从高到低顺序为20Cr2Ni4、18CrNiMo7-6、20CrNi2Mo;3种渗碳钢制造的重载齿轮渗碳淬火后最大变形量为0.182~0.219 mm，齿轮热处理后精度等级为10~11级;试验结果说明了3种渗碳钢制作的不同材料的同一结构尺寸的大型重载盘齿轮渗碳淬火畸变区别不大，齿轮畸变控制均取得了理想的效果。

齿轮渗碳可得到高的表面硬度、韧性、良好的心部组织以及有利的残余压应力，具有优良的综合力学性能，已成为齿轮的主流热处理工艺。机车用重载齿轮大都要求承载能力大、使用寿命长、可靠性高等，因而大都采用渗碳淬火处理。但是由于重载齿轮渗层要求深，渗碳淬火工艺周期长，几何尺寸较大等造成热处理畸变较大、较难控制等一系列问题。文献指出，热处理畸变会使齿轮零件前期加工获得的精度受到严重损失，这些损失有时甚至通过复杂、先进的精密加工(磨齿、校直等)也难以恢复。对于渗碳淬火的大型齿轮，其较大热处理畸变使磨削量增加、成本提高，据文献，消耗在校直工序和特殊工装的成本往往达到热处理成本的20%～25%。德国工业联合会(VDMA)的调查，仅1995年，在德国的动力传动制造领域，由于消除畸变而增加的成本就高达815亿欧元。另一方面，齿轮畸变大也带来了硬化层的均匀性变差，降低承载能力，最终使齿轮寿命大大下降。因此研究机车常用齿轮畸变成因及影响因素，并提出减小畸变的措施便成为提高产品质量、延长使用寿命及提高经济效益的重要课题。


1、重载大齿轮基本参数及技术要求

齿轮直径大于1m，径宽比(齿顶圆直径数值/齿宽高度数值)至少7以上，渗碳淬火有效硬化层深1.6～2.2 mm，心部硬度30～45HＲC，显微组织检测参照TB/T 2254—1991《机车牵引用渗碳硬齿轮金相检验标准》，具体要求为内氧化1～4级，碳化物1～5级，马氏体1～4级，残留奥氏体1～4级，芯部组织2～6级。渗碳淬火后磨削量不超过0.35mm，齿轮热处理后精度不低于12级。


2、试验设备及试验方法

3种材料淬透性试验根据GB/T 225—2006《钢淬透性的末端淬火试验方法》进行端淬试验，端淬试验热处理规范为920℃×0.5h水冷，渗碳淬火试验在WBES-120型的井式炉内进行，端淬硬度检测在型号HR-150A，载荷为150kg的洛氏硬度计上逐一检测，齿轮渗碳淬火前、后的精度检测在格林贝格齿轮精度检测仪上进行，对齿形误差、齿向误差及精度等级进行检测，对渗碳淬火后变形趋势进行分析。随炉金相试样规格为Φ30mm×60 mm。
试验用钢的化学成分见表1，齿轮结构示意图见图1。

表1试验钢的化学成分(质量分数，%)

图1三种渗碳钢盘齿轮结构简图

3、重载齿轮基本参数及工艺路线

重载齿轮结构尺寸及主要参数:直径Φ1080mm，高度140mm，齿轮模数9，压力角25°。重载齿轮加工技术路线:下料-锻造-粗车-高温正火+高温回火-半精车-去应力退火-齿轮精加工-渗碳淬火-回火-清洗-检测分析。齿轮渗碳时，强渗阶段时间9h，碳势为1.2%，扩散阶段时间7h，碳势为0.7%。图2是重载盘形齿轮具体的渗碳淬火工艺，齿轮的回火工艺是160℃×6h。

图2重载盘形齿轮渗碳淬火工艺

4、优化控制和减少重载齿轮热处理畸变的工艺技术

齿轮热处理畸变主要由齿轮在机加工时产生的残余应力、热处理过程中产生的热应力和组织应力以及齿轮自重变形等共同作用产生。影响齿轮渗碳淬火变形的因素很多，包括齿轮的几何形状、原材料及冶金质量、锻造和机加工的残余应力、热处理工艺和装炉方式等。


优化齿轮结构设计：齿轮的结构(形状、尺寸)是影响畸变大小的主要因素之一。文献指出畸变量与齿轮的模数有关，而截面尺寸和几何形状的变化对畸变量的影响也很大。文献指出横截面厚度相差越大的端面畸变量越大。齿轮零件的几何形状对某些特定的热后畸变会产生决定性的影响。断面尺寸是否均匀对称以及内孔与外径之间的尺寸比例都对应力的性质、大小及分布产生影响。一般来说，形状简单、对称性强、直径不大和各部分厚薄较均匀的齿轮热处理畸变较小;反之，形状复杂、不对称、外径大和厚薄相差大的齿轮热处理畸变就较大。试验齿轮采用上下均匀，结构简单的结构设计，这样整体上会应力分布均衡，有利于畸变控制。


严格控制原材料质量：齿轮原材料的纯净性、均匀性、淬透性三者是影响渗碳淬火齿轮畸变的主要材料因素。纯净性是指钢的成分符合标准或设计要求时，钢中杂质含量的多少。均匀性包括成分、组织和缺陷分布的均匀性。化学成分分布不均便产生偏析，渗碳淬火后偏析部分的组织和应力与别处不一样，这样产生额外的畸变就不可避免。带状组织也是组织不均匀的一种表现，常常引起畸变增大。材料的淬透性包括两个方面:一是淬透性的高低，二是淬透性值分布带的宽窄。因此要减小齿轮热处理畸变波动，必须控制原材料淬透性带宽，使每批进厂钢材的淬透性尽可能接近。文献认为淬透性是解决齿轮畸变问题的关键。


实际试验按轨道交通齿轮原材料采购技术条件企业标准严格控制原材料质量，带状组织不超过2级，淬透性带不超过6HRC，氧含量控制在1.5×10-5以内，氢含量控制在1×10-6以内，保证了原材料的纯净度及均匀度。这对重载大齿轮的热处理畸变控制从原材料上进行了最大限度保障。


优化加热升温过程：当齿轮内部存在较大的机加工残余应力时，升温速度对变形影响更大。齿轮快速加热会产生较大的热应力，与齿轮内部残余应力和相变组织应力相互作用，如应力方向一致，产生迭加或合成的应力很容易使零件在高温状态下产生变形。试验过程采用逐步缓慢加热升温，并在650℃及850℃保温2h再直接加热升温到920℃进行渗碳，有利于重载大齿轮加热过程温度均匀性，减少了急剧加热升温产生的热应力，有利于减少热应力带来的变形。


优化渗碳工艺：由于渗碳齿轮的表面碳浓度和渗层深度会对渗层组织的膨胀系数产生影响，渗碳后若表面形成不良碳化物分布，将增加齿形、齿向及花键孔的畸变，因此必须控制渗碳时碳势，以防止表面碳浓度过高。渗碳层深度越厚，淬火组织应力越大使畸变加大，因此将渗碳层深度控制在技术要求的合理范围是必要的，而且也是可能的。此外，气体渗碳时，为了防止表面过渡渗碳，在渗碳后期安排适当的扩散阶段，是比较好的热处理工艺操作。通过优化渗碳工艺，在保证渗碳层深度前提下采用较短工艺时间，并使用较低的碳势，保证了齿轮表面碳浓度较低，实际控制在0.7%，一方面可极大减少渗碳淬火后残留奥氏体含量，有利于齿轮后续加工过程组织稳定性，从而有助于控制和减少齿轮的畸变。


优化淬火冷却，采用合理的淬火冷却介质：试验采用硝盐分级淬火，主要考虑到硝盐在高温区冷却速度快，低温区冷却速度慢。试验用0.6%含水量硝盐，保证硝盐淬火烈度不会太大，不会造成齿轮极大的淬火内应力。齿轮在渗碳后直接采用硝盐进行分级淬火时，心部先发生组织转变，形成低碳马氏体组织，在随后的继续冷却过程中，齿轮表面的高碳层再进行转变形成高碳马氏体。


优化工装及装炉：齿轮渗碳时的装炉方式对畸变也会产生很大的影响，文献认为在渗碳淬火时，薄盘类齿轮采用悬挂装炉比平放装炉畸变要小得多。而文献认为平放装炉变形小且稳定性好。事实上装炉方式要根据实际情况而定。试验用工装采用优质耐热钢制作，装夹齿轮的底盘表面进行精加工，垫块采用与齿轮同材料，垫块高度控制在(170.00±0.02)mm，大齿轮采用平放装炉方式保证了齿轮上下受力一致及上下装夹均匀和平稳性，有助于在随后加热过程受热均匀，在淬火冷却过程中冷却均匀和一致，这样有助于控制和减少齿轮热处理畸变。


优化机加工，进行齿轮去应力退火处理减少齿轮内部应力：齿轮在加工过程中，由于机加工进给量、齿轮各部位加工余量及加工差异，可导致齿轮各部位应力性质不同和应力分布不均衡，致使零件在淬火时发生畸变。试验中合理地安排机加工工序，控制齿轮加工量尽量均匀一致，在齿轮半精加工后进行一道去应力回火工序，磨齿后再进行一次低温回火，尽可能消除和减少齿轮内部应力，有助于控制和减少齿轮后续畸变。


5、试验结果及分析


淬透性结果：3种材料的端淬曲线如图3所示，可以看出:3种材料都具有较高的淬透性，但还有较大差别，淬透性从高到低顺序依次为20Cr2Ni4钢、18CrNiMo7-6钢和20CrNi2Mo钢。

图3 3种渗碳钢的淬透性曲线

渗碳淬火后显微组织结果：3种渗碳钢齿轮随炉金相试样渗碳淬火后的显微组织及硬化层深度检测结果见表2和图4，均符合技术要求。

表2 3种渗碳钢齿轮渗碳淬火金相检验结果

图4 3种渗碳钢渗碳淬火后的表面组织

3种渗碳钢齿轮渗碳淬火变形试验结果：表3是20Cr2Ni4、20CrNi2Mo、18CrNiMo7-6 3种材料的盘齿轮在热处理前后的检测结果，从表3里可看出齿轮热处理后最大单边磨量控制在0.09～0.110mm，两边总磨量控制在0.182～0.219 mm，小于技术要求的0.35mm的磨量，热处理后齿轮精度等级为10～11级，小于12级，有效控制了渗碳淬火畸变。

表3 3种材料渗碳淬火盘齿轮热处理前后结果

注:试验齿轮参数:m是齿轮模数，Fα是齿轮压力角，B是齿宽，Z是齿数，D是齿顶圆直径，径宽比是齿轮的齿顶圆与齿宽数值之比。L表示左齿面，Ｒ表示右齿面。

结论
1)从淬透性曲线可得出，3种材料都具有较高的淬透性，从高到低顺序依次为20Cr2Ni4、18CrNiMo7-6、20CrNi2Mo。


2)3种材料的重载盘形齿轮渗碳淬火后的硬化层深度、心部硬度及显微组织均满足技术要求。

3)3种材料的盘形齿轮渗碳淬火后磨削量控制在0.182～0.219mm，热处理后精度等级控制在10～11级。符合齿轮渗碳淬火后磨削量不超过0.35mm，齿轮热处理后精度不低于12级的要求。3种渗碳钢制作的大型盘齿轮整体变形都较小，差异不大，说明了不同材料的同一结构尺寸的大型重载盘齿轮渗碳淬火畸变区别不大，且均取得了理想的效果。


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来源：金属热处理