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對20Cr2Ni4、20CrNi2Mo、18CrNiMo7-6 3種滲碳鋼成分及淬透性進行了測試及試驗比較，隨后對這3種滲碳鋼制作的大型盤齒輪從原材料、設計、鍛造預備熱處理、去應力退火、滲碳工藝等進行了優化控制，對不同材料的重載齒輪滲碳淬火前后尺寸精度進行了檢測對比分析。結果表明:3種滲碳鋼淬透性均較高，從高到低順序為20Cr2Ni4、18CrNiMo7-6、20CrNi2Mo;3種滲碳鋼制造的重載齒輪滲碳淬火后最大變形量為0.182~0.219 mm，齒輪熱處理后精度等級為10~11級;試驗結果說明了3種滲碳鋼制作的不同材料的同一結構尺寸的大型重載盤齒輪滲碳淬火畸變區別不大，齒輪畸變控制均取得了理想的效果。

齒輪滲碳可得到高的表面硬度、韌性、良好的心部組織以及有利的殘余壓應力，具有優良的綜合力學性能，已成為齒輪的主流熱處理工藝。機車用重載齒輪大都要求承載能力大、使用壽命長、可靠性高等，因而大都采用滲碳淬火處理。但是由于重載齒輪滲層要求深，滲碳淬火工藝周期長，幾何尺寸較大等造成熱處理畸變較大、較難控制等一系列問題。文獻指出，熱處理畸變會使齒輪零件前期加工獲得的精度受到嚴重損失，這些損失有時甚至通過復雜、先進的精密加工(磨齒、校直等)也難以恢復。對于滲碳淬火的大型齒輪，其較大熱處理畸變使磨削量增加、成本提高，據文獻，消耗在校直工序和特殊工裝的成本往往達到熱處理成本的20%～25%。德國工業聯合會(VDMA)的調查，僅1995年，在德國的動力傳動制造領域，由于消除畸變而增加的成本就高達815億歐元。另一方面，齒輪畸變大也帶來了硬化層的均勻性變差，降低承載能力，最終使齒輪壽命大大下降。因此研究機車常用齒輪畸變成因及影響因素，并提出減小畸變的措施便成為提高產品質量、延長使用壽命及提高經濟效益的重要課題。


1、重載大齒輪基本參數及技術要求

齒輪直徑大于1m，徑寬比(齒頂圓直徑數值/齒寬高度數值)至少7以上，滲碳淬火有效硬化層深1.6～2.2 mm，心部硬度30～45HＲC，顯微組織檢測參照TB/T 2254—1991《機車牽引用滲碳硬齒輪金相檢驗標準》，具體要求為內氧化1～4級，碳化物1～5級，馬氏體1～4級，殘留奧氏體1～4級，芯部組織2～6級。滲碳淬火后磨削量不超過0.35mm，齒輪熱處理后精度不低于12級。


2、試驗設備及試驗方法

3種材料淬透性試驗根據GB/T 225—2006《鋼淬透性的末端淬火試驗方法》進行端淬試驗，端淬試驗熱處理規范為920℃×0.5h水冷，滲碳淬火試驗在WBES-120型的井式爐內進行，端淬硬度檢測在型號HR-150A，載荷為150kg的洛氏硬度計上逐一檢測，齒輪滲碳淬火前、后的精度檢測在格林貝格齒輪精度檢測儀上進行，對齒形誤差、齒向誤差及精度等級進行檢測，對滲碳淬火后變形趨勢進行分析。隨爐金相試樣規格為Φ30mm×60 mm。
試驗用鋼的化學成分見表1，齒輪結構示意圖見圖1。

表1試驗鋼的化學成分(質量分數，%)

圖1三種滲碳鋼盤齒輪結構簡圖

3、重載齒輪基本參數及工藝路線

重載齒輪結構尺寸及主要參數:直徑Φ1080mm，高度140mm，齒輪模數9，壓力角25°。重載齒輪加工技術路線:下料-鍛造-粗車-高溫正火+高溫回火-半精車-去應力退火-齒輪精加工-滲碳淬火-回火-清洗-檢測分析。齒輪滲碳時，強滲階段時間9h，碳勢為1.2%，擴散階段時間7h，碳勢為0.7%。圖2是重載盤形齒輪具體的滲碳淬火工藝，齒輪的回火工藝是160℃×6h。

圖2重載盤形齒輪滲碳淬火工藝

4、優化控制和減少重載齒輪熱處理畸變的工藝技術

齒輪熱處理畸變主要由齒輪在機加工時產生的殘余應力、熱處理過程中產生的熱應力和組織應力以及齒輪自重變形等共同作用產生。影響齒輪滲碳淬火變形的因素很多，包括齒輪的幾何形狀、原材料及冶金質量、鍛造和機加工的殘余應力、熱處理工藝和裝爐方式等。


優化齒輪結構設計：齒輪的結構(形狀、尺寸)是影響畸變大小的主要因素之一。文獻指出畸變量與齒輪的模數有關，而截面尺寸和幾何形狀的變化對畸變量的影響也很大。文獻指出橫截面厚度相差越大的端面畸變量越大。齒輪零件的幾何形狀對某些特定的熱后畸變會產生決定性的影響。斷面尺寸是否均勻對稱以及內孔與外徑之間的尺寸比例都對應力的性質、大小及分布產生影響。一般來說，形狀簡單、對稱性強、直徑不大和各部分厚薄較均勻的齒輪熱處理畸變較小;反之，形狀復雜、不對稱、外徑大和厚薄相差大的齒輪熱處理畸變就較大。試驗齒輪采用上下均勻，結構簡單的結構設計，這樣整體上會應力分布均衡，有利于畸變控制。


嚴格控制原材料質量：齒輪原材料的純凈性、均勻性、淬透性三者是影響滲碳淬火齒輪畸變的主要材料因素。純凈性是指鋼的成分符合標準或設計要求時，鋼中雜質含量的多少。均勻性包括成分、組織和缺陷分布的均勻性。化學成分分布不均便產生偏析，滲碳淬火后偏析部分的組織和應力與別處不一樣，這樣產生額外的畸變就不可避免。帶狀組織也是組織不均勻的一種表現，常常引起畸變增大。材料的淬透性包括兩個方面:一是淬透性的高低，二是淬透性值分布帶的寬窄。因此要減小齒輪熱處理畸變波動，必須控制原材料淬透性帶寬，使每批進廠鋼材的淬透性盡可能接近。文獻認為淬透性是解決齒輪畸變問題的關鍵。


實際試驗按軌道交通齒輪原材料采購技術條件企業標準嚴格控制原材料質量，帶狀組織不超過2級，淬透性帶不超過6HRC，氧含量控制在1.5×10-5以內，氫含量控制在1×10-6以內，保證了原材料的純凈度及均勻度。這對重載大齒輪的熱處理畸變控制從原材料上進行了最大限度保障。


優化加熱升溫過程：當齒輪內部存在較大的機加工殘余應力時，升溫速度對變形影響更大。齒輪快速加熱會產生較大的熱應力，與齒輪內部殘余應力和相變組織應力相互作用，如應力方向一致，產生迭加或合成的應力很容易使零件在高溫狀態下產生變形。試驗過程采用逐步緩慢加熱升溫，并在650℃及850℃保溫2h再直接加熱升溫到920℃進行滲碳，有利于重載大齒輪加熱過程溫度均勻性，減少了急劇加熱升溫產生的熱應力，有利于減少熱應力帶來的變形。


優化滲碳工藝：由于滲碳齒輪的表面碳濃度和滲層深度會對滲層組織的膨脹系數產生影響，滲碳后若表面形成不良碳化物分布，將增加齒形、齒向及花鍵孔的畸變，因此必須控制滲碳時碳勢，以防止表面碳濃度過高。滲碳層深度越厚，淬火組織應力越大使畸變加大，因此將滲碳層深度控制在技術要求的合理范圍是必要的，而且也是可能的。此外，氣體滲碳時，為了防止表面過渡滲碳，在滲碳后期安排適當的擴散階段，是比較好的熱處理工藝操作。通過優化滲碳工藝，在保證滲碳層深度前提下采用較短工藝時間，并使用較低的碳勢，保證了齒輪表面碳濃度較低，實際控制在0.7%，一方面可極大減少滲碳淬火后殘留奧氏體含量，有利于齒輪后續加工過程組織穩定性，從而有助于控制和減少齒輪的畸變。


優化淬火冷卻，采用合理的淬火冷卻介質：試驗采用硝鹽分級淬火，主要考慮到硝鹽在高溫區冷卻速度快，低溫區冷卻速度慢。試驗用0.6%含水量硝鹽，保證硝鹽淬火烈度不會太大，不會造成齒輪極大的淬火內應力。齒輪在滲碳后直接采用硝鹽進行分級淬火時，心部先發生組織轉變，形成低碳馬氏體組織，在隨后的繼續冷卻過程中，齒輪表面的高碳層再進行轉變形成高碳馬氏體。


優化工裝及裝爐：齒輪滲碳時的裝爐方式對畸變也會產生很大的影響，文獻認為在滲碳淬火時，薄盤類齒輪采用懸掛裝爐比平放裝爐畸變要小得多。而文獻認為平放裝爐變形小且穩定性好。事實上裝爐方式要根據實際情況而定。試驗用工裝采用優質耐熱鋼制作，裝夾齒輪的底盤表面進行精加工，墊塊采用與齒輪同材料，墊塊高度控制在(170.00±0.02)mm，大齒輪采用平放裝爐方式保證了齒輪上下受力一致及上下裝夾均勻和平穩性，有助于在隨后加熱過程受熱均勻，在淬火冷卻過程中冷卻均勻和一致，這樣有助于控制和減少齒輪熱處理畸變。


優化機加工，進行齒輪去應力退火處理減少齒輪內部應力：齒輪在加工過程中，由于機加工進給量、齒輪各部位加工余量及加工差異，可導致齒輪各部位應力性質不同和應力分布不均衡，致使零件在淬火時發生畸變。試驗中合理地安排機加工工序，控制齒輪加工量盡量均勻一致，在齒輪半精加工后進行一道去應力回火工序，磨齒后再進行一次低溫回火，盡可能消除和減少齒輪內部應力，有助于控制和減少齒輪后續畸變。


5、試驗結果及分析


淬透性結果：3種材料的端淬曲線如圖3所示，可以看出:3種材料都具有較高的淬透性，但還有較大差別，淬透性從高到低順序依次為20Cr2Ni4鋼、18CrNiMo7-6鋼和20CrNi2Mo鋼。

圖3 3種滲碳鋼的淬透性曲線

滲碳淬火后顯微組織結果：3種滲碳鋼齒輪隨爐金相試樣滲碳淬火后的顯微組織及硬化層深度檢測結果見表2和圖4，均符合技術要求。

表2 3種滲碳鋼齒輪滲碳淬火金相檢驗結果

圖4 3種滲碳鋼滲碳淬火后的表面組織

3種滲碳鋼齒輪滲碳淬火變形試驗結果：表3是20Cr2Ni4、20CrNi2Mo、18CrNiMo7-6 3種材料的盤齒輪在熱處理前后的檢測結果，從表3里可看出齒輪熱處理后最大單邊磨量控制在0.09～0.110mm，兩邊總磨量控制在0.182～0.219 mm，小于技術要求的0.35mm的磨量，熱處理后齒輪精度等級為10～11級，小于12級，有效控制了滲碳淬火畸變。

表3 3種材料滲碳淬火盤齒輪熱處理前后結果

注:試驗齒輪參數:m是齒輪模數，Fα是齒輪壓力角，B是齒寬，Z是齒數，D是齒頂圓直徑，徑寬比是齒輪的齒頂圓與齒寬數值之比。L表示左齒面，Ｒ表示右齒面。

結論
1)從淬透性曲線可得出，3種材料都具有較高的淬透性，從高到低順序依次為20Cr2Ni4、18CrNiMo7-6、20CrNi2Mo。


2)3種材料的重載盤形齒輪滲碳淬火后的硬化層深度、心部硬度及顯微組織均滿足技術要求。

3)3種材料的盤形齒輪滲碳淬火后磨削量控制在0.182～0.219mm，熱處理后精度等級控制在10～11級。符合齒輪滲碳淬火后磨削量不超過0.35mm，齒輪熱處理后精度不低于12級的要求。3種滲碳鋼制作的大型盤齒輪整體變形都較小，差異不大，說明了不同材料的同一結構尺寸的大型重載盤齒輪滲碳淬火畸變區別不大，且均取得了理想的效果。


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來源：金屬熱處理