探討齒輪滲碳熱處理技術(shù)的新進(jìn)展

李 濤

（太重煤機(jī)有限公司，山西 太原 030032）

在我國，隨著機(jī)械工程對齒輪質(zhì)量和承載能力的規(guī)定不斷完善，齒輪滲碳熱處理技術(shù)也在不斷發(fā)展。80年代開始逐步開展硬齒面制造技術(shù)的大規(guī)?？茖W(xué)研究，引進(jìn)國外優(yōu)秀的硬齒面制造技術(shù)，建立了硬齒面原材料熱處理工藝的基本生產(chǎn)工藝在我的國家。提高齒輪制造技術(shù)水平。時(shí)至今日，在汽車齒輪層面，已能夠量產(chǎn)汽車、工程車輛、大型拖拉機(jī)、摩托車等各類滲碳淬火齒輪；在工業(yè)生產(chǎn)齒輪水平上，它已經(jīng)能夠產(chǎn)生高達(dá)10千瓦的功率和210m/秒的角速度。m各種滲碳淬火齒輪，大部分可達(dá)到冶金、礦山、石油化工、起重運(yùn)輸、建材設(shè)備、航天四軸飛機(jī)、船舶汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等主要參數(shù)齒輪的生產(chǎn)制造。隨著工業(yè)化的發(fā)展趨勢，齒輪設(shè)計(jì)方案的主要參數(shù)不斷提高，對齒輪的性能指標(biāo)、使用壽命和穩(wěn)定性提出了更高的要求。

1 齒輪硬化層深度與疲勞剝落

1.1 重載大模數(shù)齒輪的早期失效

重型汽車的后橋齒輪、軋機(jī)齒輪、礦機(jī)齒輪、船舶齒輪等重載大模數(shù)齒輪具有一個(gè)幾何特征，即輪齒的曲率半徑大。根據(jù)HZ基本理論，從輪齒表面?zhèn)鞑サ叫静康募魬?yīng)力與曲率半徑有關(guān)。輪齒的曲率半徑越大，剪切應(yīng)力的最大值越重，地應(yīng)力在曲線上的傳播越輕。與這種遍地曲線相匹配的表面某一深層的抗壓強(qiáng)度非常高。 C點(diǎn)抗壓強(qiáng)度小于大齒輪的載荷應(yīng)力，因此，在C點(diǎn)產(chǎn)生疲勞裂紋，最終導(dǎo)致脫落，大模數(shù)齒輪的這一特性通常被忽視。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，為更好地避免重載大模數(shù)齒輪的初始疲勞，在齒輪熱處理過程中發(fā)生了“深滲碳”加工過程，滲碳層數(shù)為8mm~10mm深和4mm~6mm深齒輪滲碳在國內(nèi)應(yīng)用廣泛，實(shí)際效果很好。

1.2 過度磨削與疲勞剝落

滲碳熱處理的齒輪由于其畸變而必須進(jìn)行磨削。磨削量的關(guān)鍵在于齒輪的湍流度。根據(jù)我國目前的情況，根據(jù)齒輪修形系數(shù)大小和齒輪的結(jié)構(gòu)規(guī)格，磨削量（齒的一側(cè)）一般在0.2mm～0.6mm范圍內(nèi)，有的可達(dá)0.8mm甚至1mm。深磨會(huì)降低表面的最佳強(qiáng)度和合金成分。此外，還缺少對表面具有優(yōu)良效果的殘余壓應(yīng)力。眾所周知，滲碳硬底層對接頭區(qū)域的危害通常被忽略。滲碳齒輪的強(qiáng)度分布和應(yīng)力分布可以看出，磨齒前的應(yīng)力分布曲線B遠(yuǎn)小于硬底所有深層的抗壓強(qiáng)度（A曲線）層。當(dāng)軸頸磨損到一定深度時(shí)，應(yīng)力分布曲線由e曲線變?yōu)镃（斜線），強(qiáng)度分布曲線不易發(fā)生變化。因此，C曲線和A曲線相交的D點(diǎn)通常在滲碳硬底層的接合區(qū)，擴(kuò)大了深部無效層的選擇性。因此，有時(shí)對深埋無效齒輪的硬底層的強(qiáng)度和金相進(jìn)行開發(fā)。檢查過程中沒有發(fā)現(xiàn)問題。實(shí)際上，這是由于忽略了過大的磨削量引起的切削應(yīng)力曲線的偏移，從而使接合區(qū)的抗壓強(qiáng)度小于載荷應(yīng)力。

1.3 心部硬度與疲勞剝落

當(dāng)附加載荷一定時(shí)，芯部硬度高（H），硬化層淺，不易產(chǎn)生疲勞和剝落；當(dāng)芯部硬度較低時(shí)，需要更深的硬化層，以避免疲勞和剝落；當(dāng)心硬化層硬度一定時(shí)，如果硬化層較淺，難免會(huì)造成疲勞剝落（剩余斜線區(qū)抗壓強(qiáng)度不足）。當(dāng)硬化層的深層為圖形時(shí)，硬化層太深，則不具備良好經(jīng)濟(jì)性，彎曲疲勞極限也會(huì)造成不良影響；一段時(shí)間以來，我國許多輕型卡車后橋的齒輪軸有比較嚴(yán)重的脫皮和失效現(xiàn)象。

2 滲層淬透性與齒輪滲碳工藝

2.1 滲層淬透性與碳含量關(guān)系

選擇低碳環(huán)保的碳鋼滲碳（如20 CrMo氣體鋼滲碳），滲碳層從表面到里面其實(shí)變成了90CrMo、80CrMo.……30CrMo、20CrMo鋼。呈階梯狀分布，通過測定，得出各層淬透性，圖1是20CrMo鋼淬透性與含碳量的相關(guān)性。該數(shù)字由等強(qiáng)度曲線表示。從圖1可以看出，高韌性（664 HV）曲線和合理的硬化層邊界強(qiáng)度（550 HV）曲線的最大淬透性與含碳量在0.6%～0.7%范圍內(nèi)匹配，較高或低于此碳含量的淬透性降低。圖中J為端部淬火距離。從20 CrMo鋼層的淬透性與含碳量的相關(guān)性可以看出，當(dāng)層的含碳量為0.9時(shí)，最大淬透性為1.0%和1.1%的含碳量。層次分明。這種滲碳層的淬透性與含碳量的關(guān)系對滲碳熱處理工藝的制定和安全事故的分析具有指導(dǎo)作用。

圖1 20CrMo鋼淬透性曲線

2.2 滲層淬透性與有效硬化層深度關(guān)系

臨界碳含量：現(xiàn)階段，硬底層明確合理的規(guī)則是淬火達(dá)到550HV強(qiáng)度的臨界碳含量為0.35或0.40%。但是，世界各國的試驗(yàn)科學(xué)研究工作表明，可以通過淬火獲硬化層。550HV匹配的碳含量，即極限碳含量，與多種元素有關(guān)。首先是鋼的鋁合金成分。如果淬火制冷標(biāo)準(zhǔn)固定，冷速淬火，只有5MnCr5鋼的臨界碳含量為0.35，20NMoCr6和17CrNMo6鋼的臨界碳含量約為0.30%，20MoCr4鋼的臨界碳含量約為0.30%。極限碳含量約為0.39%。根據(jù)鋁合金成分對滲層淬透性的危害，當(dāng)鋼材成分引起波動(dòng)時(shí)，也存在損害極限碳含量的問題。它不能用于制造。這是一個(gè)要避免的客觀事實(shí)，因?yàn)閭鲃?dòng)齒輪制造商往往選擇不同鋼廠、不同爐號(hào)和批號(hào)的原材料。這種鋼的成分波動(dòng)是不可避免的；并且都在允許范圍內(nèi)，但滲氮后滲層的淬透性差異取決于對合理硬底層的深層造成的危害。

滲碳加工工藝的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制：現(xiàn)階段，我國大部分關(guān)鍵傳動(dòng)齒輪生產(chǎn)企業(yè)已完成滲碳主要參數(shù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制。眾所周知，根據(jù)影響滲碳層切削性能的因素分析，是不一樣的。不銹鋼板和傳動(dòng)齒輪的規(guī)格和制冷標(biāo)準(zhǔn)；熱處理后要求的合理硬化層一定要深。極限碳含量不是一個(gè)穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)值。但目前滲碳過程電子計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件還沒有考慮到這一點(diǎn)，設(shè)置為0.35%或0.40%。例如位移系數(shù)為10mmφ200mm的軸套，需要合理的硬化層深度為1.6mm。碳在淬火油中緩慢混合熱處理后。根據(jù)計(jì)算，1.6mm處的冷卻速度相當(dāng)于16。當(dāng)原材料為20CMnT鋼時(shí)，得到的極限碳含量約為0.45%，得到圖2所示的匹配碳濃度。在數(shù)值分布曲線上，如果原材料改為20CMrMo鋼，由于其極限含碳量在0.35%左右，如果仍按曲線1滲碳，則硬化層的合理深度大大超過1.6mm，應(yīng)調(diào)整到曲線2的分布。從曲線1調(diào)整到曲線2可以節(jié)省20%以上的滲碳時(shí)間。所以現(xiàn)在使用的滲碳過程監(jiān)控軟件只完成了碳濃度值的分布，還不能實(shí)現(xiàn)硬化層的分布。應(yīng)進(jìn)行深入開發(fā)，進(jìn)一步完成高精度熱處理?；饸怏w中的可燃?xì)怏w成分必須在5%以下，才能保證機(jī)械設(shè)備的安全系數(shù)，降低安全期成本。由于目前推桿爐的工作循環(huán)時(shí)間為6~10分鐘，滲碳時(shí)必須使用氣體循環(huán)系統(tǒng)設(shè)備 。圖3詳述了淬火裝置的設(shè)計(jì)和氣體滲碳線的改進(jìn)。在氣體滲碳室和氣體淬火工作壓力室之間，有一個(gè)中間室，帶有翻轉(zhuǎn)傳送系統(tǒng)軟件，可以以小于10秒的速度穩(wěn)定地傳送到淬火室。中間室的通道很窄，使?fàn)t內(nèi)co2對淬火室中N2的干擾降到最低。中門的N2由于工件的溫度危害而受熱膨脹，進(jìn)而使旋風(fēng)向工件的相反方向運(yùn)動(dòng)。工件傳送到淬火裝置后，中門關(guān)閉。為進(jìn)一步降低可燃?xì)怏w成分，淬火室密封后可按預(yù)自動(dòng)排氣閥進(jìn)行排氣。因?yàn)樘岣哒婵斩炔]有增加淬火氣體凈化處理，而且根據(jù)循環(huán)時(shí)間和氣體獲取量的減少，可燃?xì)怏w可以穩(wěn)定在5%以下。使用氣淬的優(yōu)點(diǎn)是不需要后清洗工序，不需要清理材料和油污，減少零件的湍流，可以節(jié)省切削工序，氣淬裝置可代替油淬，這不僅適用于新的爐型，而且對于當(dāng)代的基本爐也非常好。

圖2 齒輪有效硬化層碳濃度分布曲線

圖3 淬火裝置的設(shè)計(jì)和氣體滲碳線

3 高壓氣淬技術(shù)在推盤式爐氣體滲碳生產(chǎn)線中的應(yīng)用

氣淬技術(shù)具有許多銷售市場所必需的優(yōu)勢。近十年來，由于氣淬生產(chǎn)線的大幅度改進(jìn)，其應(yīng)用范圍也有非常大的發(fā)展趨勢，這反過來又強(qiáng)調(diào)了高壓氣淬滲碳生產(chǎn)線的實(shí)施方向。生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)原則是與LPC淬火裝置保持一致。殊不知，最重要的是盡量將爐內(nèi)氣氛與淬火裝置隔開。這種分離是必要的。由于淬

4 結(jié)語

綜合上文所述，為推動(dòng)熱處理工藝向設(shè)計(jì)方案推進(jìn)，第八屆全國熱處理工作會(huì)議明確提出了“更精細(xì)、更經(jīng)濟(jì)、更清潔”的熱處理技術(shù)發(fā)展前景，其中“精密”包括性能的規(guī)范化和量化。從文中對傳動(dòng)齒輪的滲碳熱處理進(jìn)行詳細(xì)分析后發(fā)現(xiàn)，準(zhǔn)確的熱處理應(yīng)按照《熱處理工藝設(shè)計(jì)方案》完成，即運(yùn)用金屬科學(xué)的基本理論、熱處理技術(shù)和工程力學(xué)，并依托電子計(jì)算機(jī)。采用仿真技術(shù)進(jìn)行滲碳傳動(dòng)齒輪物理及冶金工業(yè)元素及熱處理工藝設(shè)計(jì)方案；而現(xiàn)在已經(jīng)到了21世紀(jì)，應(yīng)該明確提出“工藝技術(shù)”的核心概念。