20CrMnMo钢高速齿轮箱齿轮气体渗碳质量控制及工艺改进

２００７中国热处理行业厂长经理会议

２０ＣｒＭｎＭｏ钢高速齿轮箱齿轮

气体渗碳质量控制及工艺改进

南京山峰热处理设备有限公司丁殿山

内容提要：本文针对２０ＣｒＭｎＭｏ钢高速齿轮箱齿轮气体渗碳表层组织及质量问题在工艺上进行了分析与研究，得出了影响渗层组织的关键因素，即保温、扩散时间及冷却速度等，从而找到了解决问题的关键措施，提出了排气一均温一强渗一扩散一冷却之渗碳工艺。

关键词：２０ＣｒＭｎＭｏ钢齿轮渗碳质量控制工艺改进

前言

近年来，我公司配套生产的２０ＣｒＭｎＭｏ钢齿轮是高速齿轮变速箱重要配件之一，在渗碳热处理以及后序磨削加工过程中，时常发生渗碳层剥落等质量问题，从而造成批量报废现象，且废品率高达１０％，该问题近年来一直未能彻底解决，给生产带来了很大被动，导致了严重的经济损失ｏ

众所周知，工件的渗碳深度和表面碳浓度一定时，渗层中的碳浓度分布对渗碳件的质量和使用寿命有颇大影响；通常都要求渗层具有较平缓的碳浓度分布梯度，因为过陡的碳浓度梯度在热处理后的机械加工或使用中渗层容易剥落，造成早期失效。相应地，渗碳的深浅、硬度及其沿层深的分布情况对工件的使用寿命有重要影响。一般认为，在一定渗层范围内，渗层硬度越高，硬度梯度越小，接触疲劳陛能越高，使用寿命也越长。同时，渗碳出炉后的冷却时间的长短，亦不同程度地影响到渗碳层的质量，因此，结合我公司齿轮生产实际情况及出现的质量问题，本文将对渗碳热处理工艺作进一步的分析与探讨。

一、渗碳和热处理过程分析

渗碳是一种颇为复杂的化学热处理工艺过程。多种因素（钢种、炉气组成等）和工艺参数（碳势、温度及强渗和扩散时间）均不同程度地对渗碳过程的碳浓度分布产生影响。特别是用不同的钢种和工艺参数进行强渗时所产生的碳浓度分布有明显差别。所以，强渗后扩散达到所要求的合理碳浓度分布的时间也是不尽相同的。

文献［１，２】指出，渗碳过程中工件的表面碳浓度是随着时间的延长而逐步增加（渗碳初期快些），最后达到与炉气碳势平衡（如图１ｏ浅层渗碳时，由于渗碳时间较短，在达到要求的渗碳浓度时，表面碳浓度不会太高（与采用碳势和温度等有关），一般不一５０—

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需进行扩散处理，用一段渗碳工艺即可满足要求。但是浅层渗碳的碳浓度分布均较陡，一般多用于提高耐磨性、承受小负荷应力且对碳浓度分布无具体要求的工件。

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图１．碳浓度分布与渗碳时间的关系

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对于要求渗层较深（＞Ｏ．７ｍｍ）的渗碳工件，为获得较平缓的碳浓度梯度，生产中多采用两段渗碳工艺。通常规定强渗期和扩散期分别为总渗碳时间的２／３和１／３。

为使渗碳件具有表层高硬度、高耐磨性和心部良好韧性相配合的性能，渗碳件在渗碳后必须进行恰当的淬火回火才能达到这些要求。通常对于要求心部有较高强度和较好韧性的渗碳件，渗碳后空冷至室温再加热到稍高于Ａｃ３温度淬火，这样可以细化晶粒，心部不出现游离的铁素体，表层不出现网状渗碳体。淬火后表层为马氏体＋残余奥氏体，心部在淬透情况下为低碳马氏体。

然而，由于２０ＣｒＭｎＭｏ钢属本质细晶粒钢且含有大量合金元素，渗碳后空冷表层即可获得部分马氏体，表面硬度，＞４５ＨＲＣ，存在有较大的组织应力。若渗碳件表面全部相变为马氏体组织，表面呈压应力状态，则不会造成工件的开裂。只有在一定条件下，即渗碳层次表层产生马氏体相变时，才能造成表面受拉应力的状态。次表层马氏体量越多，表面拉应力越大。所以，渗碳层次表层因马氏体相变造成表面拉应力大于工件材料表层ｏｂ时，工件将产生渗碳裂纹。文献［３】介绍，渗碳后冷却速度在１０至１５个小时内冷至室温是最可能造成渗碳层开裂的。为此，缩短渗碳后出炉冷却时间（炉冷）以便整个渗层得到马氏体组织或珠光体组织，均可避免渗碳裂纹的产生，但是，渗碳后冷却速度过慢，渗层将可能产生网状碳化物或大块碳化物，增加了工件表面脆性，使渗层容易剥落并在淬火或磨削中产生裂纹。

另外，２０ＣｒＭｎＭｏ钢渗碳空冷表层组织保留有大量残余奥氏体（因表面层的Ｍｓ点很低），这种组织对以后的淬火不利，在重新加热淬火时，容易恢复渗碳时所形成的较粗大的奥氏体晶粒，而且淬火后的残余奥氏体较多，降低了渗碳层的淬火硬度。为此，渗碳空冷后应进行一次高温回火（６４０～６５０。Ｃｘ３—４ｈ），使马氏体分解为回火索氏体，同时残余奥氏体中将析出含有铬的碳化物，因而使残余奥氏体的Ｍｓ升高，在回火后的冷却过程中残余奥氏体将全部分解，从而亦能使工件进行机械加工。一５１—

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二、工艺改进

目前国内传统的气体渗碳工艺多为排气一强渗—扩散三段控制法。改进的气体渗碳工艺控制曲线如图２所示，称之为排气—均温一强渗—扩散四段控制法。与传统工艺相比增加了排气装炉后的均温阶段，适当延长了强渗后的扩散时间，适当放慢了渗碳出炉后的冷却时间等。该工艺自２００５年组织实施以来，齿轮渗碳表层组织质量问题得以圆满解决。

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中检试样

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图２２０ＣｒＭｎＭｏ钢齿轮渗碳工艺曲线

三、讨论

我公司目前生产的２０ＣｒＭｎＭｏ钢齿轮质量问题主要反映在渗层和硬度不足以及热处理后的磨削过程中产生的各种裂纹等等。综上所述可以得知，产生这些质量问题的很多因素与渗碳过程控制不良有关。改进后的渗碳工艺增加均温阶段目的在于保温温度下让工件在接近于中性气氛中均温，使中检试样、随炉试样、工件三者温度基本一致，而后渗碳，这就等于三者同时渗碳并以相同的速度进行强渗与扩散，即同步渗碳。实现了同步渗碳就不必担心试样代替不了工件，在生产操作中，测量中检试样的渗层深度，就等于测出了炉内工件的渗碳深度，从而减少了渗碳的盲目性。

大家知道，渗碳温度和碳势一定的条件下，强渗时间与扩散时间的控制程度直接影响到渗层深度及渗层碳浓度分布梯度，换句话说，渗层碳浓度分布梯度越平缓则硬度梯度分布愈平缓（如图３），反映在过渡渗碳层性能上愈好。因此，渗碳件在热处理后的磨削及使用过程中造成渗层剥落裂纹早期失效的倾向性越小。一般来讲，过渡渗碳层应至少控制在不少于整个渗层深度的三分之一为好。

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一５２一

２０ＣｒＭｎＭｏ钢高速齿轮箱齿轮气体渗碳质量控制及工艺改进

对于工件渗碳后出炉冷却时间应尽量放慢，使整个渗层得到珠光体组织，则零件表面的应力很小不会造成工件表面的开裂。如果工件渗碳后出炉正常空冷，则由于渗层含碳量的不同所导致的珠光体相变孕育期的长短不一，从而表层得到屈氏体组织次表层得到马氏体组织，使工件表面产生拉应力而造成不同程度的渗碳裂纹。这些裂纹在随后的热处理及不良磨削过程中进一步扩展而使工件报废。同时，延长工件渗碳后出炉的冷却时间，还可以最大限度地减少工件变形问题。

四、经济效果

我公司齿轮生产在渗碳工艺改进后，至今依然保持工艺稳定，渗碳层组织质量得到大大提高，仅此单项产品且据不完全统计，年度综合经济效益可达二十余万元。同时，为 …… 此处隐藏：3348字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……