微氮中温气体声碳试验研究

魔神

    齿轮是重要零件。在生产制造中普遍存存着热处理变形，进而造成齿轮精度降低、使用寿命缩短，冈此如何减少齿轮热处理变形始终是热处理工作者探索和关注的问题。

我公司生产的40t刮板运输机的直齿轮、斜齿轮和轴直齿轮，其材料分别为20CrMnTi、20MnTi和30 CrMnTi。采用的热加工工序为：正火→渗碳→淬火→回火。其工艺为920℃煤油渗碳，或850℃煤油、甲醇、氨气C-N共渗。生产中部分齿轮质量波动较大，公法线变动超差，轴向跳动超差，不能满足技术要求。

为了提高齿轮质量，减少变形，我公司试用了微变形中温渗碳工艺，经过近一年的运用，取得了较为理想的效果。现将我公司运用该工艺的过程及经验做一个简单介绍。

一、工艺过程及特点

1.工艺过程

微变形中温渗碳工艺，适用丁渗层在0.5～2.0mm的渗碳件，所采用设备为我国普遍使用的滴注式井式气体渗碳炉，渗碳温度比常规渗碳温度低40～100℃。它是以渗碳为主，同时向T件内部渗入微量的氮，渗剂采用酒精和煤油，其中加入一定量的表面活化剂以及增碳剂。该工艺在渗剂配方、排气终点测试、渗碳过程控制，以及淬火方法都有创造性，其工艺简单，重现性好，质量高，不仅可得到理想的渗层组织，而且可减少变形，提高齿轮精度。

2.工艺特点

(1)简单易行的排气终点测试　排气效果直接影响渗碳的顺利进行和渗碳质量，因此排气终点测试的准确性是控制渗碳的关键一环。其测试方法是采用低碳钢丝渗碳5min后取出在砂轮机上一磨，若表面有高碳火花则认为排气期结束，可以进行下一道工作程序。此法简单可行，准确性很高。

(2)微氮中温渗碳采用两段排气　工件入炉后采用大滴量的酒精滴剂排气，仪表到温30min内采用酒精和煤油排气效果好，同时由于渗剂中加入了了洁净剂，使工件表丽活化，为强渗提供了良好的条件。

强渗-扩散交替进行渗碳处理，在排气结束后炉内碳势已达到1.2％以上，可迅速提高工件表面的含碳量，加速碳向工件表面的渗入，如若强渗时间太长，易引起金相组织的恶化，其原因是合金钢在渗碳过程中容易形成碳化物和奥氏体两相共存组织，渗碳时问过长，组织出现的网状碳化物很难消除。强渗-扩散的交替进行，其目的是在强渗后的碳化物达到标准上限时进行扩散，使其碳化物达到下限，这样反复进行使碳化物网形成的机会大大降低，也就形成了良好的组织形态。强渗-扩散的循环次数要根据渗层深度来确定。

因工艺滴剂中含有少量的供氧剂、洁净剂和碳势增高剂等，增大了由气氛向工件表面碳的传递速度，而渗层中微量的氮改善了工件的渗透性，加速了碳的扩散，使齿轮取得了微变形的效果。

(3)淬火温度、冷却介质及淬火方法　在渗层达到技术要求的中、下限时，就可采用炉内预冷(降温扩散)，炉内碳势控制在0.8％左右，预冷到淬火温度后出炉淬火，淬火温度的选择以材料的Ar3及变形要求来定，温度越低变形量越小，但必须是淬火后心部不出现F以及表面A具有足够的碳溶量．以保证淬火硬度的要求。

由于渗碳淬火变形足以热应力为丰，采用降低淬火温度和提高油温是一种有效的方法。由于淬火温度低，淬火时的操作要迅速，使工件很快进入冷却介质，油温控制在油的闪点之内。

本工艺处理工件质量稳定，具有良好的渗碳均匀性。

由于在渗碳的各阶段，该工艺能提供高的、有效可利用的碳量，因此具有良好的渗碳均匀性，这从经过该工艺处理后的直齿轮、斜齿轮和轴直齿轮的硬度、公法线及轴向跳动的抽查结果中就可以看出。

二、应用情况及效果

1.齿轮公法线变化情况

根据微氮中温气体渗碳的特点之一，即控制渗层组织形态达到控制变形的目的，我们先后对40t刮板运输机上的一直齿轮、斜齿轮、轴直齿轮以及电力机车齿轮进行工艺试验。原工艺为：920℃煤油渗碳，强渗2h，扩散3～4h，降温以830℃恒温30min后出炉淬火。我们抽取直齿轮对其公法线经渗碳前后进行测试，发现公法线由原来的95.99mm变成了96.07mm，公法线变动量渗碳前为0.02mm，渗碳后为0.08mm，沿齿方向公法线变化为0.042mm，公法线超差不能满足技术要求。表1为40t直齿轮公法线变化对照表。

从表1可以看出，采用微氮中温渗碳后的公法线平均涨大0.072mm，沿齿方向为0.068mm，说明采用该工艺比原工艺变形小。

斜齿轮的材料为20CrMnTi，公法线为98.57⁰_-0.36mm。采用该工艺两个循环渗碳处理后，我们抽查测试了139个数据，公法线变动量分布比较集中，效果比较理想(见表2)。

2.轴类齿轮的变形情况

轴类齿轮的弯曲变形是热处理过程中常见而不可避免的情况。过去是在渗碳淬火后采用冷压和热校直来解决弯曲变形，工人劳动强度很大，也增加了生产成本。我们采用微氮中温渗碳后，弯曲变形有了较大幅度的下

降，变形量也由原来的0.3～0.5mm下降到0.2～0.35mm，一次合格率由原来的50％～70％提高到75％～90％。表3为抽检7炉轴齿轮的变形情况。

3.利用新工艺处理后的组织性能

利用该工艺我们处理了一批不同模数、渗层要求不同的齿轮，经金相检查、硬度试验和层深测量，可以看出该工艺渗速较快，工艺非常稳定，均匀性良好，硬度波动较小，内部组织可以控制在3级以内。具体数量见表4。

4.结语

(1)该工艺渗碳温度比原来煤油渗碳920℃要低40～80℃，淬火温度低40～60℃，有利于减小工件高温蠕变和淬火变形。

(2)该工艺成功之处在于，控制了渗层组织，避免了920℃高温长时间渗碳形成的碳化物网状结构，也避免了850℃的C-N共渗时表层易出现的黑色组织，具有良好的组织形态，从而提高了工件的力学性能。

(3)具有良好的再现性，工艺稳定，操作容易，工人劳动强度低。

(4)与920℃渗碳相比，该工艺渗速稍慢，但比850℃的C-N共渗速度要快。 【MechNet】