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铬镍钢齿轮渗碳淬火新工艺
摘要：铬镍钢齿轮，特别是20Cr2Ni4钢齿轮，以往由于渗碳淬火后表层存在大量的残余奥氏体，所以在渗碳后淬火之前进行一次高温回火，即一次淬火法。其生产率低，耗能多。经我们多年实践，采用微机控制渗碳，实现齿轮渗碳后直接淬火工艺。
关键词：微机控制；一次淬火；直接淬火；残余奥氏体
1．前言
我厂磨煤机减速箱齿轮有螺旋伞齿轮、圆柱齿轮，其外形尺寸最大直径982mm，最大模数m=14，采用S17Cr2Ni2Mo，20Cr2Ni2Mo，J20CrNi2Mo铬镍渗碳钢制造。也曾制造一批20Cr2Ni4钢重载齿轮。其工艺路线：锻造——正火加回火——粗车——消除应力——半精加工——渗碳淬火加低温回火——精加工。
对齿轮的渗碳淬火，我们最初采用一次淬火法，即齿轮渗碳后进行高温回火再加热到淬火温度进行淬火。由于我们只有一台滴控井式渗碳炉，齿轮的渗碳、淬火、高温回火都在这个炉子进行。生产周期长，不能满足日益增长的生产量的需求，迫切需要改变现有的一次淬火法，实现齿轮渗碳后降至淬火温度保温30分钟后进行油冷的直接淬火法。
经我们多次工艺试验实现了这一目标。从1995年开始，每年要处理大小齿轮近百套，每炉节约20小时，每炉可节约1500kW·h(度)，极大的提高了劳动生产率，满足了生产的需要，如期完成总厂下达的生产任务。
2．合金渗碳钢齿轮技术要求
为满足使用要求，合金渗碳钢齿轮技术要求：
1)齿轮锻坯正火后的硬度HB≤229。
2)渗碳淬火后硬度：齿面58～62HRC，芯部40～45HRC。
3)齿面渗碳层深度：根据不同模数的齿轮，一般为1.5～2.5mm。
4)齿轮锻坯奥氏体晶粒度6级以上，带状铁素体在2级以下。
5)齿面渗碳淬火后组织为隐晶或细针状马氏体组织，不许有针状和网状碳化物及大量残余奥氏体存在。碳化物3级以下合格，马氏体加残余奥氏体3级以下合格。心部淬火后为低碳马氏体组织，心部铁素体不允许超过2级。
6)齿面渗碳淬火后硬度梯度平缓，碳浓度平缓。
7)齿轮精度等级6级。
3．严格控制齿轮锻坯的质量
我厂生产的减速箱齿轮锻坯委托外厂冶炼锻造。为确保锻坯质量，对进厂的锻坯都要进行复验，其中包括表面质量，机械性能，非金属夹杂物，低倍组织，奥氏体晶粒度，带状组织等必须达到技术要求的合格范围。并用同一熔炼炉号，同一材料，同一锻造工艺的锻坯，制成与齿轮同模数的齿形(单齿)渗碳淬火试块。
4．认真做好预备热处理
齿轮锻坯的预备热处理的好坏直接关系到后序的渗碳淬火的质量。其中包括马氏体针的粗细。严格执行正火加回火工艺，我们选用的正火温度高于渗碳温度20℃，即940℃保温3小时空冷，650～700℃保温4小时空冷。1OOKW台车炉装炉量8件，严格检查齿轮锻坯正火后的硬度和金相组织和晶粒度的检查组织为细珠光体，晶粒度优于6级。
5．齿轮渗碳淬火设备及工艺
我们使用150KW滴注式井式渗碳炉对齿轮进行渗碳淬火，其有效尺寸为Φ1200×1200，该炉靠炉盖本身自重(约1吨重)及石棉盘根与炉罐密封，省去炉盖和炉罐用螺栓、螺母连续的繁重体力劳动。经过冷热调试，炉温均匀，设备密封性能好，不漏气。炉罐内炉气碳势均匀，波动小，920℃钢箔定碳。当氧电势E=1140mV时，炉罐内上下部位碳势相差0．02%C；当氧电势E=1125mV时，炉罐内上下部位碳势相差0.03%C。
我们用热电偶做炉温的传感元件，用氧探头做氧电势(炉气碳势)的传感元件。用电磁阀和可控硅做碳势和温度的执行机构。渗碳介质采用工业甲醇加灯用煤油。使用时直接滴入气体渗碳炉内，经裂解后产生活性碳原子，通过调节滴入量控制齿轮表面的碳浓度。我们采用了农机院工艺所研制的TC-890井式炉渗碳微机控制系统，内有滴注式可控气氛渗碳、淬火过程控制程序。
渗碳工艺采用改进的强渗—扩散两段工艺。两段法具有渗碳速度快，渗层碳浓度控制质量好的优点。在此基础上作了进一步改进。充分发挥计算机快速计算的控制功能，根据工况适时调节电磁阀的开启频率和脉冲宽度，调整甲醇、煤油量，并保持两者之间的比例关系。从而逐步调节炉气碳势，使渗碳速度更快，齿面碳浓度平缓，淬火后齿面硬度梯度平缓，渗碳质量更好，称之自适应渗碳法。
实践证明，应用微机控制系统，工人操作简单，工人只要输入钢材代号，要求的硬化层深度和表面含碳量，其一切都由电脑自动控制完成，当硬化层深度和表面含碳量达到预定的目标值时，自动鸣铃提示操作人员出炉。在整个渗碳过程中各工艺参数用数码管显示，并能打印记录。通过对齿表面碳含量的测定，与表面碳浓度设定值0.70%C比较，该控制系统能使轮齿表面碳浓度精确控制在±0.05%C。齿轮表面碳浓度、淬火温度的高低直接关系到齿轮淬火后马氏体针的粗细和残余奥氏体量的多少。当齿面碳浓度及淬火温度过高时，在淬火加热时溶入奥氏体中的碳含量就会增加，降低了马氏体的转变，使钢中的残余奥氏体增多。淬火温度过低使轮齿芯部硬度低，降低轮齿心部的机械性能。经多炉试验确定如下渗碳淬火工艺。我们把轮齿表面碳浓度控制在0.70%C，渗碳温度920℃。渗碳结束后降至淬火温度为840℃，保温30分钟油冷。淬火油采用北京华立精细化工公司的快速淬火油，保证了组织充分转变。
6．齿轮回火设备及工艺
我们使用100KW井式回火炉，有效尺寸Φ1200×1200，使用培特永昌机电有限责任公司生产的微机控制系统，经用6支凯装热电偶在炉罐上、中、下部各点测量炉温的均匀性。当仪表指示为180℃时，最大温差为5℃。
齿轮渗碳淬火后，必须及时回火。回火的目的是为降低淬火应力，减少脆性，尽量保持钢的高硬度和高耐磨性。使齿面硬度保持在58～62HRC。
马氏体分解速度同回火温度、回火时间有密切关系。回火温度愈高，马氏体分解速度愈快，析出的c碳化物愈多，因而马氏体的碳浓度和正方度也愈低。因此，必须找出—个适当的回火温度，既保证齿面的高硬度，又使马氏体充分分解，降低马氏体的过饱和度。回火需保温—定时间，目的是使工件表面与心部温度均匀一致，保证组织转变的充分进行。经过试验做出轮齿表面硬度和回火温度的关系曲线图(见图1)

我们采用180℃保温6小时空冷的两次回火工艺。
渗碳淬火齿轮经过回火后检查齿面硬度都能保证58～62HRC，齿面碳化物控制在1～3级，马氏体加残余奥氏体控制在1～3级(见图2)。心部铁素体控制在1级。

7．结论
铬镍钢齿轮渗碳淬火，只要严格控制齿轮锻坯的内在质量，奥氏体晶粒度优于等于6级。认真执行正火加回火工艺，做好渗碳淬火前的组织准备。使用先进的淬火、回火设备，采用微机控制系统，精确控制齿面的碳浓度，淬火、回火温度，就可以实现直接淬火工艺。
从1995年至今，我们一直使用铬镍钢齿轮渗碳淬火工艺，从未发生任何质量问题。l995年制造的ZG’M95磨螺伞齿轮至今仍在使用中。