齿轮气体渗碳淬火件中的变形问题

　　齿轮气体渗碳淬火件中的变形问题

　　李志义[1],[2]，李晓澎1，2

　　(1.重庆义扬机电设备有限公司,重庆 400042; 2.重庆长江工业炉公司, 重庆 401329)

　　前言：当我们去有关兄弟工厂和学术交流的时候，不少同志询问我们关于气体渗碳淬火件中的齿轮变形问题，由于在重庆296厂主持兵器用结构钢在表面处理过程中氢脆和应力腐蚀断裂的研究。对有关渗碳淬火件的变形总是也只有一览而已……。如今退休13年了，也没有精力并综述并深入研究。为此将我们的研究体会交流给大家，望大家能有收获。

　　关键词：变形、时效变形

　　Problems of Deformation in Gears with Gas Carburizing

　　Li Zhiyi1,2, Li Xiaopeng1,2

　　(1. Chongqing Yi-yang Electromechanical Equipment co., ltd, Chongqing, 400042; 2. Chongqing Yangtze Industrial Furnace Manufacture co., ltd, Chongqing, 401329)

　　Introduction: With the research experiences in Chongqing 296 factory of hydrogen embrittlement and stress corrosion cracking of the structural steel for weapons in the process of the surface treatment, lots of questions of the deformation in gears with gas carburizing were asked when the author went the related factories and made the academic exchanges. The research on the deformation of the carburizing parts were not very much…. The author has been retired for 13 years without enough energy for deep research. Therefore, the author exchanges his research experiences for hoping them can be helpful.

　　Keywords: Deformation, Aging deformation

　　1. 原材料的订货

　　1.1 齿轮渗碳的主要钢种：18CrNiMo、20Cr、20CrMnTi、20Cr2Ni4、20Mn2、20MnVB、20MnTiB、20MnCr5、20CrNi3、20CrNiMo、22CrNiMo、22CrMoH、40Cr、45#、35SiMn、40CrNi、40MnB

　　德国：18CrNiMo为主

　　美国：20CrNiMo为主

　　国内：20CrMnTi、20CrMo、22CrMoH、17Cr2Mn2TiH、22CrNiMo(个别企业细小齿轮渗碳为降低成本采用A3钢)

　　1.2 渗碳钢中B、Ti、Sn的控制：

　　1.2.1 一般讲:对加硼的渗碳钢，要注意晶界硼化物的形成。硼化物的形成使晶界局部韧性下降(硼脆)，直接影响磨削应力大小和磨削裂纹源的形成。消除硼钢，硼化物的形成，除冶金冶炼质量为主，热处理一般讲;奥氏体化温度越高冷却速度越慢，则富集到晶界的硼化物也越多，当冷却速度较快时，才有可能防止硼化物的偏聚。因此等温正火，在正火过程中可考虑变速降温的设计方案……。

　　1.2.2 对加钛的渗碳钢，要注意方晶钛(TiN)的形成使晶界局部韧性下降(钛脆)，直接影响磨削

　　应力大小和磨削裂纹源的形成。消除方晶钛的形成，主要是冶金冶炼质量的控制，热处理一般讲：奥氏体化温度越高强迫方晶钛熔解在奥氏体内，然后在冷却时需确当的冷却速度避免钛在晶界的富集，从而消除方晶钛的形成。方晶钛的形成，或者含钛太高，还会使渗碳速度下降……。最新资料认为[8]：含钛钢容易产生液析TiN从而严重损害钢的接触疲劳性能。在保证渗碳温度下具有足够体积分数的Ti(C，N)颗粒有效钉轧晶界阻止奥氏体晶粒长大的前提下，适当降低钢中钛含量可有效消除液析TiN。同样，还必须综合考虑N的影响，不同氮含量的钢中(如转炉钢和电炉钢)钛含量的控制范围应相应调整。钢铁研究总院与莱芜钢铁集团合作开发的优化钛含量的20CrMnTiH 钢，完全消除了液析TiN，同时对氧化物和硫化物进行严格控制，其接触疲劳寿命达到107次以上，比传统生产的20CrMnTiH钢提高一个数量级。在渗碳的工艺中，例如：氮+甲醇+富华气，以及通氨的C-N共渗或N-C共渗均能引起TiN的形成，需适当调整。

　　1.2.3 含锡量的控制

　　避免晶界锡化物的形成，冶金冶炼锡含量必须控制在0.5% 以下 ，同时防止在400℃左右回火，通常渗碳钢均在低温回火，这类组织不易形成。

　　1.3 技术要求：世界第一品牌德国SEW减速机公司，原材料的订货：要求氢含量≤2PPm氧含量≤20PPm

　　夹杂物：氧化物≤1级，硫化物≤1级，而我们兵器用的枪炮钢，氧化物≤1.5级，硫化物≤1.5级，二者之加≤2.5级。

　　原材料在冶炼浇铸：推荐用真空抽气脱氧脱氢，磁场、震动搅拌，连铸连轧的方法来减少材料的杂质、偏析。由于各种原因、原材料状态不理想需要进行等温正火处理。

　　2.等温正火处理，一般采用950℃，若温度低效果差(特别对白点引起微裂纹的焊合)

　　等温正火：改善魏氏组织，原始晶粒均匀，应力状态，带状偏析，合金元素偏析，致密度均匀性，夹杂物形态;由条状变为断链椭园状，氢含量下降，夹杂引起的裂纹，对锻造引起的组织损伤或裂纹有愈合作用(俄文1975年报道为焊合;合金元素多焊合时间增长，国内学者肖亚航等[1]2005年报道)最终可获得良好的切削性，且畸度小，性能提高，(零件长期服役下的尺寸稳定性提高)。这种状态下的材料使以后从事表面处理过程中的氢脆和应力腐蚀断裂现象均有减缓作用。资料[8]从动锥齿畸变的研究，再次验证上述观点：原材料存在明显的成分偏析和致密度不均，致使齿轮淬火压淬过程中零件内部同一层面组织转变不一致，产生了附加应力该内应力促使端出现了异常畸度。由于：GB/T1979标准中对偏析框大小和形状没有规定，建议用户采购齿轮钢时多关注钢的低倍钢的低倍组织并加强钢材进厂检验。

　　3. 渗碳淬火工艺的选择和调整：

　　3.1渗碳淬火装料方式：依据不同零件形状而装料，南车戚墅堰机车有限公司潘晓松[9]对大直径重载齿轮渗碳。渗碳时，工件正面向上摆放，其后的正火及淬火工序均为反向摆放。

　　3.2 使同样硬化层深度下缩短渗碳时间变形小

　　选择净化后的天然气渗碳[2、3、4]，在同样硬化层深度下使渗碳时间缩短11%[4]，渗碳表面层非马氏体组织一般5μm左右[4](浅腐蚀)。用真空渗碳、稀土催剂、离子催剂等使变形减小。

　　3.3 依据变形的规律，采用渗碳淬火前增加或减小尺寸调整来弥补有规律的尺寸变化。

　　3.4 压力下的淬火：一般采用马氏体转变前就加压，压力大小的选择依据于零件的尺寸、形状而定。

　　3.5 冷却液的选择：珠光体转变较快、马氏体转变速度较慢的冷却液

　　(1)江苏某厂：网带炉的小齿轮薄层渗碳淬火;淬油。渗碳时间长，有时硬度上不去，淬XX公司PAG要出现软点，浓度降低，变形又大。该厂采用重庆义扬机电PAG-ⅢA解决问题变形小、无软点、非马无已成为当地独家经营。该新型PAG-ⅢA，在3%浓度下，珠光体转变速度比水快，马氏体转变速度比水慢，
如图1。

　　(2)采用等温淬火油，提高油温，减少变形。油温越高，变形越小。但伴随而来的表面层非马氏体增厚[2]。

　　(3)采用硝盐等温、减小变形。硝盐的含水量控制在3～5%。相当于零件淬入后硝盐冒升100mm左右。

　　3.6 即时回火。回火后的磨削、线切割等也需即时去应力回火，即防止延迟氢脆断裂又防止变形[5]

　　3.7 轴类杆件的校正后的去应力回火应即时进行

　　4.在实际应用情况下，可考虑：渗碳件→C-N共渗件→N-C共渗体→以及不渗碳而采用中、高频局部淬火等措施来降低变形量。目前推荐齿轮双频感应淬火，例如：湖北省十堰高周波科工贸有限公司、福建晋江市江汉电子技术有限公司等。

　　5.齿轮渗碳淬火件的自然时效变形现象(这对高精度保存较久再服役的齿轮很重要)

　　自然时效变形的定义：当渗碳淬火件，全部机加热处理结束;装配在自然时效中零件发生尺寸变化的现象，称自然时效变形。自然时效变形现象主要原因如下：(1)、自然时效过程中氢的逸出，应力的松弛;(2)、齿轮磨削或者线切割引起的应力诱导残余奥氏体相变[5]，以及去应力回火不足，而引起延迟应力松弛……(3)、自然时效过程中应力的松弛择放，有可能引起非常少量的残余奥氏体相变。

　　解决方法：对校正、磨削、线切割等加工应即时去应力回火;采用制造量具的措施增加深冷处理……。深冷处理后也需即时回火，一般讲残余奥氏体量控制在3%左右为宜。

　　6.结束语

　　齿轮气体渗碳淬火件的变形，国内外各企业工厂均采用各种措施[6]：最终获得少磨齿、不磨齿。株齿[4]在有效硬化深度1.6mm情况下，非马氏体能控制在5μm左右，如图2。提高产品质量，大大降低成本，该厂还未计算提高渗碳速度11%，以及采用净化天然气使氧探头设备寿命大大提高。株齿所订天然气净化设备20m3/h三台，所带来的经济效果85万元/年。而德国天津SEW公司累计订购30m3/h天然气净化设备10台。估计德国天津SEW公司，年节约400万元左右。
 

a)齿节 100×	b)齿根 100×

　                                                                          

　　图2 株齿公司非马金相照片(浅腐蚀[3]、硬化层为1.60mm)

　　渗碳淬火件表面层非马氏体组织(浅腐蚀[3])金相检测结果

　　

　　国内企业步伐太慢……就我们所了解齿轮渗碳件多用炉热处理后不再磨齿的单位有30多家，其非马能稳定控制在10μm以下有10多家……。

　　参 考 文 献

　　[1] 肖亚航、傅敏士、袁森。45钢内部裂纹愈合的热处理试验研究[J]。金属热处理,2005,30(6):83～85.

　　[2] 李志义、马学文、蒲玲、李晓澎等. 再述渗碳淬火件非马氏体产生的原因和防止措施(C)，08、8上海中国热处理活动周宣讲，中国热处理行业协会2008.9太原会议论文集37～44(待杂志刊登)

　　[3] 李志义等.浅谈某些热处理气源和金相标准中的某些问题 [J].金属热处理,2008,33(3):116～119.

　　[4] 马学文、李志义、李晓澎. 用净化后的天然气代替丙烷气渗碳的质量及经济效益。09、4中国热协武汉“渗氮及表面热处理技术会议”和09年8月宜昌十四省市热处理暨第八届全国化学热处理学术交流会上宣讲。

　　[5] 李志义等气体渗碳淬火件中的氢脆问题。09、4中国热协武汉“渗氮及表面热处理技术会议”和09年8月宜昌十四省市热处理暨第八届全国化学热处理学术交流会上宣讲。中国金属热处理学会09年度优秀论文。

　　[6] 田荣华.变速箱另件毛坯等温正火工艺试验的应用[J].金属热处理, 2002,(6):42。

　　[7] 雍岐龙等。先进机械制造用结构钢的发展[J]金属热处理2010 35(1)2～8。

　　[8] 胡明霞、谭崇凯、毛孝彬、温才云。从动锥齿轮渗碳淬火后异常畸度分析[J]金属热处理2009 34(12)93～96

　　[9]陈钰、潘晓松。大直径重载齿轮渗碳淬火变形的有效控制[J]金属加工热加工2010.7.22～23

　　作者简介：李志义(1938.2.1)男，江苏泰州人，汉族，1962年哈工大毕业，1992年由22个一级学会联合召开的“全国机电装备失效分析预测防战略研讨会”授予全国先进失效分析专家称号，获国家发明专利二项，获兵器部二、三等奖，已发表论文10多篇。著有：结构钢在表面处理过程中的氢脆和应力腐蚀断裂 [M]。联系电话：13002366762 E-mail：info@yiyangjd.com 公司网址：www.yiyangjd.com