齿轮渗碳热处理技术的新进展

齿轮渗碳热处理技术的新进展

张常明

青特集团有限公司 山东青岛 266106

摘要：齿轮要求其具有优良的耐磨性能、较高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度等,同时具有较高的抗冲击和承载能力,所以需要对其进行强化热处理,以提高综合力学性能及使用寿命。齿轮常用的强化热处理工艺有渗碳淬火、渗氮以及感应淬火等。基于此，本文对齿轮渗碳热处理技术进行分析。

关键词：齿轮；渗碳；热处理

引言

在我国，随着机械工程对齿轮质量和承载能力的规定不断完善，齿轮渗碳热处理技术也在不断发展。80 年代开始逐步开展硬齿面制造技术的大规模科学研究，引进国外优秀的硬齿面制造技术，建立了硬齿面原材料热处理工艺的基本生产工艺在我的国家。

1齿轮硬化层深度与疲劳剥落

1.1重载大模数齿轮的早期失效

重型汽车的后桥齿轮、轧机齿轮、矿机齿轮、船舶齿轮等重载大模数齿轮具有一个几何特征，即轮齿的曲率半径大。根据HZ基本理论，从轮齿表面传播到芯部的剪应力与曲率半径有关。轮齿的曲率半径越大，剪切应力的最大值越重，地应力在曲线上的传播越轻。与这种遍地曲线相匹配的表面某一深层的抗压强度非常高。C点抗压强度小于大齿轮的载荷应力，因此，在C点产生疲劳裂纹，最终导致脱落，大模数齿轮的这一特性通常被忽视。根据上述结构力学分析，为更好地避免重载大模数齿轮的初始疲劳，在齿轮热处理过程中发生了“深渗碳”加工过程，渗碳层数为8mm~10mm深和4mm~6mm深齿轮渗碳在国内应用广泛，实际效果很好。

1.2过度磨削与疲劳剥落

渗碳热处理的齿轮由于其畸变而必须进行磨削。磨削量的关键在于齿轮的湍流度。根据我国目前的情况，根据齿轮修形系数大小和齿轮的结构规格，磨削量（齿的一侧）一般在0.2mm～0.6mm范围内，有的可达0.8mm甚至1mm。深磨会降低表面的最佳强度和合金成分。此外，还缺少对表面具有优良效果的残余压应力。众所周知，渗碳硬底层对接头区域的危害通常被忽略。渗碳齿轮的强度分布和应力分布可以看出，磨齿前的应力分布曲线B远小于硬底所有深层的抗压强度（A曲线）层。当轴颈磨损到一定深度时，应力分布曲线由E曲线变为C（斜线），强度分布曲线不易发生变化。因此，C曲线和A曲线相交的D点通常在渗碳硬底层的接合区，扩大了深部无效层的选择性。因此，有时对深埋无效齿轮的硬底层的强度和金相进行开发。检查过程中没有发现问题。实际上，这是由于忽略了过大的磨削量引起的切削应力曲线的偏移，从而使接合区的抗压强度小于载荷应力。

1.3心部硬度与疲劳剥落

当附加载荷一定时，芯部硬度高（H），硬化层浅，不易产生疲劳和剥落；当芯部硬度较低时，需要更深的硬化层，以避免疲劳和剥落；当心硬化层硬度一定时，如果硬化层较浅，难免会造成疲劳剥落（剩余斜线区抗压强度不足）。当硬化层的深层为图形时，硬化层太深，则不具备良好经济性，弯曲疲劳极限也会造成不良影响；一段时间以来，我国许多轻型卡车后桥的齿轮轴有比较严重的脱皮和失效现象。

2渗层淬透性与齿轮渗碳工艺

2.1渗层淬透性与碳含量关系

选择低碳环保的碳钢渗碳（如20CrM^o气体钢渗碳），渗碳层从表面到里面其实变成了90CrM^o、80CrM^o.……30CrM^o、20CrM^o钢。呈阶梯状分布，通过测定，得出各层淬透性，图1是20CrM^o钢淬透性与含碳量的相关性。该数字由等强度曲线表示。从图1可以看出，高韧性（664HV）曲线和合理的硬化层边界强度（550HV）曲线的最大淬透性与含碳量在0.6%～0.7%范围内匹配，较高或低于此碳含量的淬透性降低。图中J为端部淬火距离。从20CrM^o钢层的淬透性与含碳量的相关性可以看出，当层的含碳量为0.9时，最大淬透性为1.0%和1.1%的含碳量。层次分明。这种渗碳层的淬透性与含碳量的关系对渗碳热处理工艺的制定和安全事故的分析具有指导作用。

2.2渗层淬透性与有效硬化层深度关系

临界碳含量：现阶段，硬底层明确合理的规则是淬火达到550HV强度的临界碳含量为0.35或0.40%。但是，世界各国的试验科学研究工作表明，可以通过淬火获硬化层。550HV匹配的碳含量，即极限碳含量，与多种元素有关。首先是钢的铝合金成分。如果淬火制冷标准固定，冷速淬火，只有5MnCr5钢的临界碳含量为0.35，20NM^oCr6和17CrNM^o6钢的临界碳含量约为0.30%，20M^oCr4钢的临界碳含量约为0.30%。极限碳含量约为0.39%。根据铝合金成分对渗层淬透性的危害，当钢材成分引起波动时，也存在损害极限碳含量的问题。它不能用于制造。这是一个要避免的客观事实，因为传动齿轮制造商往往选择不同钢厂、不同炉号和批号的原材料。这种钢的成分波动是不可避免的；并且都在允许范围内，但渗氮后渗层的淬透性差异取决于对合理硬底层的深层造成的危害。

图1 20CrM

^o 钢淬透性曲线

渗碳加工工艺的计算机系统控制：现阶段，我国大部分关键传动齿轮生产企业已完成渗碳主要参数的计算机系统控制。众所周知，根据影响渗碳层切削性能的因素分析，是不一样的。不锈钢板和传动齿轮的规格和制冷标准；热处理后要求的合理硬化层一定要深。极限碳含量不是一个稳定的标准值。但目前渗碳过程电子计算机监控软件还没有考虑到这一点，设置为0.35%或0.40%。例如位移系数为10mmφ200mm的轴套，需要合理的硬化层深度为1.6mm。碳在淬火油中缓慢混合热处理后。根据计算，1.6mm处的冷却速度相当于16。当原材料为20CMnT钢时，得到的极限碳含量约为0.45%，得到图2所示的匹配碳浓度。在数值分布曲线上，如果原材料改为20CMrM^o钢，由于其极限含碳量在0.35%左右，如果仍按曲线1渗碳，则硬化层的合理深度大大超过1.6mm，应调整到曲线2的分布。从曲线1调整到曲线2可以节省20%以上的渗碳时间。所以现在使用的渗碳过程监控软件只完成了碳浓度值的分布，还不能实现硬化层的分布。应进行深入开发，进一步完成高精度热处理。

图2齿轮有效硬化层碳浓度分布曲线

3 高压气淬技术在推盘式炉气体渗碳生产线中的应用

气淬技术具有许多销售市场所必需的优势。近十年来，由于气淬生产线的大幅度改进，其应用范围也有非常大的发展趋势，这反过来又强调了高压气淬渗碳生产线的实施方向。生产线的设计原则是与LPC淬火装置保持一致。殊不知，最重要的是尽量将炉内气氛与淬火装置隔开。这种分离是必要的。由于淬火气体中的可燃气体成分必须在5%以下，才能保证机械设备的安全系数，降低安全期成本。由于目前推杆炉的工作循环时间为6~10分钟，渗碳时必须使用气体循环系统设备。图3详述了淬火装置的设计和气体渗碳线的改进。在气体渗碳室和气体淬火工作压力室之间，有一个中间室，带有翻转传送系统软件，可以以小于10秒的速度稳定地传送到淬火室。中间室的通道很窄，使炉内co₂对淬火室中N₂的干扰降到最低。中门的N₂由于工件的温度危害而受热膨胀，进而使旋风向工件的相反方向运动。工件传送到淬火装置后，中门关闭。为进一步降低可燃气体成分，淬火室密封后可按预自动排气阀进行排气。因为提高真空度并没有增加淬火气体净化处理，而且根据循环时间和气体获取量的减少，可燃气体可以稳定在5%以下。使用气淬的优点是不需要后清洗工序，不需要清理材料和油污，减少零件的湍流，可以节省切削工序，气淬装置可代替油淬，这不仅适用于新的炉型，而且对于当代的基本炉也非常好。

图3淬火装置的设计和气体渗碳线

4 结语

综合所述，本文主要研究了齿轮在制造过程中所涉及到的工艺流程及各个流程的对齿轮材料质量的影响。希望对齿轮制作行业提供相应的指导意见，也希望我国的制作行业能够不断地加强制作过程中的管理方式，运用最优良的齿轮材料控制每一步流程来提高齿轮的整体质量。

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