張明明 李壽東 宋建康 杜 偉 王從福 陶常彬

（山東華成中德傳動設(shè)備有限公司，淄博 255200）

在煤炭、冶金、水泥、化工以及港口等行業(yè)中，有很多工況使用的齒輪箱要有高的承載力和耐沖擊性能，以保證設(shè)備的穩(wěn)定性。作為工業(yè)重載齒輪箱的核心零部件，齒輪的質(zhì)量直接影響齒輪箱的壽命和使用的穩(wěn)定性。因此，要求重載齒輪箱用齒輪在保證加工精度的基礎(chǔ)上應(yīng)具有較高的抗疲勞性、良好的耐磨性、較高的硬度和較好的韌性。為了達到以上這些性能要求，熱處理工藝過程的控制顯得格外重要。

18CrNiMo7-6齒輪用鋼是一種常用的低合金滲碳鋼。經(jīng)過滲碳處理后，它的耐磨性能、硬度、接觸疲勞強度都得到了大幅度提升。同時，由于它具有外硬內(nèi)韌的特點，能承受較高的外界沖擊載荷，是一種綜合性能良好的齒輪用鋼，在齒輪制造中得到了廣泛應(yīng)用。目前，關(guān)于它的組織、性能以及滲碳淬火的熱處理工藝已經(jīng)有了大量研究[1-2]。本文主要以齒輪滲碳工藝中的強滲和擴散兩個重要的工藝過程為研究對象，針對滲碳層要求為2.0 mm的齒輪，通過試驗數(shù)據(jù)和理論分析，試圖找到強滲時間和擴散時間最佳配比，使其既能滿足齒輪的性能要求，又能降低工藝時間，從而降低生產(chǎn)成本。

1 試驗材料與方法

試驗用的基材為18CrNiMo7-6滲碳齒輪鋼鍛坯，主要化學(xué)成分的質(zhì)量分數(shù)如表1所示。

表1 18CrNiMo7-6鋼的主要化學(xué)成分的質(zhì)量分數(shù)（單位：%）

將鍛坯加工為Φ35 mm×70 mm的試樣共5件，其原始微觀組織如圖1所示。試樣組織為珠光體和鐵素體。清洗試樣至表面無污物，將5件試樣分別編號為1～5。將5件試樣分5次裝入箱式多用爐中，5件試樣經(jīng)過的熱處理工藝除強滲和擴散的時間比不同外，其余全部相同。5個試樣的強滲和擴散總時間相同，都設(shè)置為20 h。5個試樣強滲和擴散時間的比值 見表2。

表2 試樣的不同強滲和擴散時間比

試樣進爐后加熱到930 ℃保溫進行強滲，設(shè)定強滲碳勢為1.15%C。強滲階段完成后，設(shè)定碳勢為0.7%C進行擴散。整個滲碳階段結(jié)束后，降溫到830 ℃ 并保溫1 h進行油淬，設(shè)定碳勢為0.7%C。滲碳時，以純度≥99%（體積分數(shù)）的氮氣為保護性氣體，純度≥99.5%的甲醇為稀釋劑，濃度≥99%的丙烷為滲碳劑。強滲過程是在氮甲醇氣氛的基礎(chǔ)上，通入丙烷富化氣完成的[3-4]。具體的滲碳工藝曲線，如圖2所示。滲碳后金相檢測以《重載齒輪滲碳金相檢驗》（JB/T 6141.3—1992）為準，有效硬化層深度測試按照《鋼件滲碳淬火有效硬化層深度的測定和校準》 （GB/T 9450—2005）進行，滲碳層含碳量通過碳硫分析儀進行檢測。

5個試樣經(jīng)過滲碳淬火后統(tǒng)一放入低溫回火爐內(nèi)進行低溫回火處理，低回溫度200 ℃保溫4 h。最后，在維氏硬度機上分別檢測經(jīng)過不同強滲和擴散時間比的試樣硬度，每個試樣均測量5次，取其平均值。將熱處理后的5個試樣表面進行打磨拋光，并用4%HNO3+96%酒精（體積分數(shù)）腐蝕后，借助金相顯微鏡分析其顯微組織。對5個試樣距離表面不同滲碳層深度處的含碳量借助碳硫分析儀進行分析檢測。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同強滲和擴散時間比對顯微組織的影響

圖3為經(jīng)過不同強滲和擴散時間比處理后的試樣表層顯微組織圖。從圖3可以看出，試樣經(jīng)過滲碳淬火+低溫回火后，表層組織為細針馬氏體加少量的殘留奧氏體。

與前3號試樣的顯微組織圖略有不同的是，4號和5號試樣滲碳層中的碳化物有增多的趨勢。碳化物的存在會削弱基體晶粒間的聯(lián)系，使鋼的機械性能降低，尤其是會降低沖擊性能。工業(yè)重載齒輪的滲碳層中不允許出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物。1～5號試樣的顯微組織總體滿足要求，4號和5號試樣的殘留碳化物明顯增多是滲層中含碳量高的直觀表現(xiàn)。

2.2 不同強滲和擴散時間比對硬化層硬度的影響

表3是1～5號試樣滲碳層的硬度值。根據(jù)《鋼件滲碳淬火有效硬化層深度的測定和校準》（GB/T 9450—2005）關(guān)于滲碳淬火硬化層的定義，零件滲碳淬火硬化層是從零件表面到維氏硬度值為550 HV處的垂直距離。從表3的數(shù)據(jù)中不難看出，在相同的滲碳時間下，隨著強滲和擴散比的增大，試樣的硬化層深度不斷增大。這是因為在相同的時間內(nèi)，高碳勢環(huán)境下會有更多的碳進入零件內(nèi)部。對于特別重要工況下使用的重載齒輪，不僅對滲碳層深度有嚴格的要求，而且對硬化層內(nèi)硬度的變化梯度也有嚴格要求。對于材料及熱處理質(zhì)量檢驗要求為ME級的齒輪來說，在進行硬化層深度檢測時，相鄰兩個檢測點的硬度下降越小越好。試樣4號和5號分別在距離表面1.7～1.8 mm 和1.8～1.9 mm處出現(xiàn)硬度下降超過30 HV的情況，試樣1～3號的相鄰檢測點的硬度降低均小于 20 HV。相鄰檢測點硬度值下降過大，會使零件內(nèi)部產(chǎn)生過大的內(nèi)應(yīng)力，從而影響齒輪的強度和抗疲勞性能，嚴重時齒輪內(nèi)部可能會出現(xiàn)微裂紋。試樣4號和5號相比其他試樣雖然在相同的滲碳時間內(nèi)達到了更深的滲層深度，但都出現(xiàn)了在滲層范圍硬度下降過大的情況。這在要求嚴格的重載齒輪中是不允許的。造成這一現(xiàn)象的原因是4號和5號試棒的強滲和擴散時間比太大，試樣滲碳層內(nèi)的碳濃度沒有擴散開。1號試樣的滲碳層深度分別只有1.9 mm，沒有達到要求的滲層要求。2號和3號試樣的滲碳層深度分別為2.0 mm和2.1 mm， 均達到了滲層要求。相較于2號試樣，在相等的時間內(nèi)3號試樣的滲層更深。從加工成本考慮，為了達到同一滲碳層要求，3號試樣比2號試樣所用的時間更短，加工成本更低。從表3的數(shù)據(jù)可以看出：在相同的滲碳時間內(nèi)，增加強滲和擴散的時間比會使?jié)B碳層增加，提高滲碳速度，但強滲和擴散的時間比過大，零件滲層內(nèi)的硬度值會出現(xiàn)降低過快的現(xiàn)象。

表3 1～5號試樣滲碳層的硬度值（單位：HV）

2.3 不同強滲和擴散時間比對硬化層含碳量的影響

用車床對5個試樣進行取樣，將取得的樣品在碳硫分析儀上檢測含碳量。表4是5個試樣距離表面不同距離處的含碳量（質(zhì)量分數(shù)）。從表4的數(shù)據(jù)可以看出：5個試樣有效硬化層內(nèi)的含碳量從表面開始都是逐漸降低的趨勢；隨著強滲和擴散比的增大，試樣滲碳層內(nèi)碳濃度變化梯度隨著增大。對于齒輪的性能來說，滲碳層內(nèi)的碳濃度變化梯度越小越好[5]。在實際的生產(chǎn)過程中，過分追求齒輪滲碳層內(nèi)的小的碳濃度變化梯度是不經(jīng)濟的。只有在保證齒輪性能的前提下提高生產(chǎn)效率，才是企業(yè)的生存之道。

表4 1～5號試樣距離表面不同距離處的含碳量（單位：%）

3 結(jié)論

對于材料為18CrNiMo7-6滲碳鋼的齒輪來說，在進行滲碳的熱處理時，不同的強滲和擴散時間比對齒輪的微觀組織、硬化層深度、硬化層的硬度和含碳量的變化梯度有不同的影響。在相同的滲碳時間內(nèi)，強滲和擴散時間比越大，硬化層深就越深，硬化層的硬度和含碳量的變化梯度也越大。在保證齒輪性能指標的前提下，增加強滲和擴散的時間比能明顯縮短工藝時間，提高生產(chǎn)效率。對滲碳層深要求2.0 mm的齒輪來說，強滲碳勢設(shè)定為1.15%C，擴散碳勢設(shè)定為0.7%C，當強滲和擴散的時間比為4∶1時，在保證性能指標的前提下，可將工藝時間縮短到最小，生產(chǎn)效率達到最高。