■金荣植

Cr-Ni系渗碳钢具有较高的强韧性，用于传递功率大、齿轮表面载荷高、有冲击及形状复杂的重要齿轮，如重载汽车、坦克、铁路机车、风力发电、汽轮机、冶金与轧钢机械、船舶与航空发动机等装备上的齿轮。常用Cr-Ni系渗碳钢有12Cr Ni3、20Cr Ni、12Cr2Ni4、20Cr Ni3、20Cr2Ni4、17Cr2Ni2（德国ZF1钢）、18Cr2Ni4WA等。通过选择合理的热处理工艺可以使齿轮获得较好的使用性能。

一、常用Cr-Ni系渗碳钢齿轮的热处理工艺

1. 齿轮锻坯预备热处理工艺

表1为常用Cr-Ni系渗碳钢齿轮锻坯预备热处理工艺。

2. 齿轮渗碳淬火及回火工艺

常用Cr-Ni系渗碳钢齿轮渗碳淬火、回火规范及硬度见表2。

表1 常用Cr-Ni系渗碳钢齿轮锻坯预备热处理工艺

表2 常用Cr-Ni系渗碳钢齿轮渗碳淬火、回火规范及硬度

表3 常用Cr-Ni系渗碳钢齿轮二次加热淬火的加热温度

3. 齿轮二次加热淬火温度

（1）二次（重新）加热淬火 Cr-Ni系渗碳钢齿轮在渗碳结束后缓冷至室温，重新加热至轮齿心部Ac3以上温度进行淬火，以细化奥氏体晶粒，改善心部组织，消除渗碳层的网状碳化物，可以提高抗弯疲劳强度20%左右。常用Cr-Ni系渗碳钢齿轮二次加热淬火的加热温度见表3。

（2）渗碳齿轮的两次淬火 Cr-Ni系渗碳齿轮渗碳结束缓冷至室温，先进行一次高于心部Ac3以上温度的淬火，以细化心部晶粒并消除渗碳层网状碳化物。这一温度对于渗碳层淬火来说是太高了，因而必须再进行一次高于渗碳层Ac1温度，但低于Acm温度的淬火，以改善渗碳层组织。常用Cr-Ni系渗碳钢齿轮两次淬火的加热温度见表4。

表4 常用Cr-Ni系渗碳钢齿轮两次淬火的加热温度

表5 常用Cr-Ni系渗碳钢齿轮渗碳后的各种热处理方式

表6 渗碳、碳氮共渗后冷却方式（直淬除外）的选择

4. 齿轮渗碳后的热处理方式

（1）热处理工艺的选择 不同钢材的齿轮经渗碳（碳氮共渗）后，根据要求进行不同的淬火及回火处理，其工艺见表5。

（2）冷却方式的选择 渗碳（碳氮共渗）后不直接淬火的Cr-Ni系渗碳钢齿轮的各种冷却方式参见表6。

二、典型Cr-Ni系渗碳钢齿轮渗碳淬火工艺

1. 12Cr2Ni4A钢锥齿轮渗碳淬火工艺

12Cr2Ni4A钢锥齿轮畸变要求严格，设计制造精度6~7级，其热处理工艺如下。

（1）渗碳及高温回火齿轮渗碳在RJJ-75-9T型井式渗碳炉中进行。先加热（870±10）℃×60min，升温至（900±10）℃×90min，再升温至925℃×120~240mi n渗碳后空冷。640~680℃×2h高温回火。

（2）淬火将齿轮置于装有木炭保护的保护盒内，齿部向上平放在铁丝网上，然后加盖，并进行加热（810±10）℃×40~60min，保温结束后置于平板吊装夹具上，迅速转入160~220℃硝盐槽中分级冷却，空冷至室温。齿轮再经清洗、冷处理、180℃×2h低温回火及喷砂等工序。

（3）检验 经检验：碳化物≤5级，马氏体≤4级，残留奥氏体≤3级，表面硬度≥61HRC，渗碳层深度0.85~1.05mm。畸变小，经磨齿后齿轮精度5~6级。

2. 20Cr2Ni4A钢齿轮渗碳淬火工艺

（1）20Cr 2 Ni 4 A钢高速、重载及有冲击的重要齿轮热处理工艺 高速、重载及有冲击的重要齿轮，如重型汽车、坦克、工程车等用齿轮。齿轮材料采用20Cr2Ni4A钢等。渗碳层深度1.2~1.8mm，齿轮表面硬度59~62HRC。

热处理工艺路线：锻造→退火→粗加工→去应力→半精加工→渗碳→退火软化→淬火→冷处理→低温回火→精磨。

齿轮的热处理：正火→高温回火→渗碳→高温回火→淬火→180~200℃低温回火。

高温回火及二次淬火工艺：对20Cr2Ni4等合金渗碳钢，为了减少渗碳后的残留奥氏体，可采用高温回火后再加热到800℃左右淬火。有时为了消除网状碳化物，细化晶粒，也采用二次淬火工艺。

（2）20Cr2Ni4A钢齿轮新的渗碳淬火工艺 某北方特种车辆厂对坦克车20Cr2Ni4A钢齿轮采用新的渗碳淬火工艺，获得较理想效果。齿轮渗碳工艺过程如下：

均温：为减少工件畸变并均匀金相组织，工件装入井式渗碳炉后停电1 h进行均温，温度为560~570℃，相当于预热处理。然后送电升温。

升温排气：滴煤油5~5.5m L/mi n，强渗9 20℃×3 h，煤油滴量10~11m L/mi n，炉压约2k Pa（2 0 0mm 水柱高），扩散：920℃，煤油滴量为强渗滴量的25%，2.5~2.8mL/mi n，920℃出炉气冷，防止网状碳化物出现。这样可以节约时间20%~30%（约3h）。检验表面含碳量（质量分数）为0.8%~1.07%。

60 0℃高温回火：可分解残留奥氏体至10%~15%（体积分数）。

图1 20Cr2Ni4钢齿轮轴离子渗碳工艺曲线

二次淬火：810℃通NH3进行碳氮共渗，然后淬火。

低温回火：150℃×3h。

最终检验：金相组织碳化物呈颗粒状， 表面硬度60~63HRC。

（3）20Cr 2Ni 4A钢高精度重载齿轮最佳碳氮复合处理工艺 最佳热处理工艺：在RJJ-75-9 T渗碳炉中，920℃×4h碳氮共渗，煤油4~6m L/mi n，氨气10~12L/mi n，空冷；570℃×3h进行气体氮碳共渗，然后再随炉升温至800℃×10mi n，油冷；最后150℃×3h回火，空冷。

工艺特点：该复合工艺处理后，齿轮耐磨性优于渗碳和碳氮共渗，适合于高精度重载齿轮。

（4）20 Cr2 Ni4钢齿轮轴离子渗碳工艺 齿轮轴采用20 Cr 2Ni 4钢制造。离子渗碳工艺见图1。采用离子渗碳炉（30＋60）k W进行重载齿轮轴渗碳时，装炉量为120kg。

（5）20 Cr2 Ni4A 钢的稀土低温高浓度气体渗碳直淬工艺 齿轮材料20Cr2 Ni4A，其传统渗碳工艺路线为：渗碳→高温回火→淬火→低温回火。设备与工艺：设备采用RQ-105-9D型井式气体渗碳炉，渗碳剂为煤油，稀释剂为甲醇，传统渗碳工艺为：920℃×6h渗碳，碳势C p为1.0%（质量分数），渗碳结束后出炉空冷。高温回火：650~680℃×6h。淬火：800~820℃出炉在油中淬火。低温回火：180℃×3h。

改进工艺是把低温渗碳、高碳势渗碳以及稀土的催渗和微合金化作用三者的特点相结合而创立的，已获得专利（CN1061443A）。该工艺实现了20Cr2Ni4A钢齿轮渗碳后直接淬火，使渗碳工艺大为简化。由于渗碳温度从原来920℃降至改进后的860℃，使齿轮的热处理畸变明显减小。

改进工艺：（860±5）℃ ×8h渗碳，碳势C p为1.2%（质量分数），渗碳结束出炉后在油中淬火，最后进行低温回火180℃×3h。其工艺见图2。

检验结果：在渗碳层的过共析区沉淀析出细小颗粒状弥散分布的碳化物（碳浓度明显提高），使奥氏体的稳定性大幅下降，渗碳表面硬度达到58HRC以上。

（6）较高强韧性配合的Cr-Ni系渗碳钢齿轮渗碳后的淬火＋淬火工艺 大中型重载水泥、冶金和船用齿轮，材料为20Cr2Ni4、12Cr Ni3等渗碳钢。渗碳后采用淬火处理比采用空冷正火处理（渗碳空冷→高温回火→淬火→低温回火），能够得到较好的强韧性配合和更高的塑韧性指标，其中冲击吸收能量提高50%以上。

渗碳后淬火＋淬火的工艺（即渗碳淬火→高温回火→淬火→低温回火）适合于需要较高强韧性配合的零件。

3. 12Cr2Ni3A钢浅层气体碳氮共渗工艺

（1）12Cr2Ni3A钢齿轮热处理工艺 气体碳氮共渗工艺见图3。碳氮共渗（830±10）℃→空气预冷后油淬→－70℃冷处理→（160±10）℃×2h二次回火→空冷。

（2）检验碳氮共渗层深度0.13~0.15mm，表面硬度762~782HV，心部硬度≥250HV，抗拉强度Rm为1235~1265MPa，伸长率A 为13.2%~13.8%，冲击韧度αK为91~93J/cm2。

4. 18Cr2Ni4W钢齿轮热处理工艺

（1）18Cr2 Ni4W钢齿轮热处理工艺 渗碳设备采用易普森TQF-13型多用炉，碳势控制由碳控仪自动进行调节。热处理工艺：渗碳940℃×8h，随炉降至900℃×0.5h，再降炉温至860℃×05h，出炉空冷→650 ℃×6h 高温回火后空冷→810 ℃×5h 加热，油冷→冷处理（－50 ℃×1h）→180~240℃×4h回火后空冷。检验：表层少量碳化物＋细小马氏体组织 ＋残留奥氏体，表面硬度为60~61HRC，符合技术要求。冷处理工艺：加热810℃×5h，然后进行冷却→冷处理（－50℃×1 h）→回火180~240℃×4h。经240℃×4h回火后，齿轮表面硬度62~63HRC，无磨削裂纹。

（2）18Cr2Ni4WA 钢锥齿轮固体渗碳马氏体等温淬火工艺 消除应力处理：620~630℃×2~3h，空冷。渗碳及高温回火：固体渗碳剂采用商品固体渗碳剂，新旧渗碳剂为1∶3；（880±10）℃×4~4.5h，出炉后随渗碳箱冷却；高温回火为（650±1 0）℃×2~3 h×3次。 马氏体等温淬火：500~600℃×1h（电炉预热），（790±10）℃×10~12mi n（盐浴炉加热），预冷至500~600℃在硝盐炉（160±10）℃×30mi n等温，空冷；（170±10）℃×3h空冷回火。

图2 20Cr2Ni4A钢齿轮稀土低温高浓度渗碳直淬工艺

图3 12Cr2Ni3A钢齿轮薄层碳氮共渗工艺曲线