高速重載齒輪的熱處理工藝

18Cr2Ni4WA是高速重載滲碳齒輪用鋼,在滲碳淬火的過程中

容易形成大量的殘留奧氏體，從而使硬度降低。本文結(jié)合生產(chǎn)實際需

要，通過可控氣氛多用爐滲碳、淬火、高溫回火、二次淬火、回火的

過程，使零件各項指標(biāo)達(dá)標(biāo)。

1.生產(chǎn)零件的材料及熱處理要求

（1）材料

齒輪（如圖1）設(shè)計所用材料為18Cr2Ni4WA其主要化學(xué)成分和

臨界點見表1,齒輪要求整體滲碳，滲碳層深磨削表面20.7mm,非

磨削表面1.0~1.3mm,表面硬度258HRC,齒輪及花鍵參數(shù)見表

2。

及：粉處建三忘回

表118Cr2Ni4WA齒輪材料化學(xué)成分與臨界點

化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（為）臨近值/℃

項目CSiMnCrNiWAclAc3Ms\ir

數(shù)值0.180.260.461.644.11.05695800310250

表2齒輪及花鍵參數(shù)表

模數(shù)齒數(shù)(Z)熱后/mm

齒輪3.523公法線W3=26.78-26.86

花鍵150M(f2)=46.82-46.95

(2)生產(chǎn)及檢測設(shè)備

Aichelin4/2型多用爐，有效尺寸700mmx1300

mmx850mm,最高工作溫度950。。加熱功率140kW,最大裝爐

量1000kg。金相顯微鏡及顯微硬度計。

(3)齒輪材料特性分析

18Cr2Ni4WA鋼合金元素總含量大于5%,屬高合金滲碳鋼。

該鋼種淬透性高，具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，特別是Ni的含量較

高，使鋼具有良好的強韌性和淬透性。18Cr2Ni4WA鋼的合金元素

Cr、Ni、W均能推遲奧氏體轉(zhuǎn)變,尤其是元素W,強烈地推遲珠光

體轉(zhuǎn)變，所以該鋼過冷奧氏體在珠光體區(qū)間的穩(wěn)定性很高，即使空冷

也發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變。表層滲碳后，由于碳和合金元素的綜合作用，使

貝氏體轉(zhuǎn)變曲線大大右移，貝氏體轉(zhuǎn)變C曲線〃鼻尖〃的孕育期由滲碳

前的十幾秒推遲到二十幾分鐘，可以空淬成馬氏體或貝氏體。

該材料在滲碳處理后，表層的碳及其他合金元素大量溶入到奧氏

體中，顯著提高了奧氏體的合金化程度，其滲碳層與心部的馬氏體轉(zhuǎn)

變點(Ms)為310℃z而滲碳層的馬氏體轉(zhuǎn)變點(Ms)降至80~

90℃,這樣就大大提高了過冷奧氏體的穩(wěn)定性,經(jīng)滲碳空冷后表層

組織為馬氏體及大量殘留奧氏體，從而影響淬火后的硬度。要消除大

量殘留奧氏體，不能像一般低合金滲碳鋼那樣采用直接淬火法，相

反，經(jīng)二次淬火反而使殘留奧氏體增多導(dǎo)致硬度下降。對這類高合金

滲碳鋼有其獨特的處理方法，即滲碳后于65CTC高溫回火?；鼗?/p>

時，在一定的溫度下，從殘留奧氏體中析出碳化物的過程是一個原子

的擴散過程。溫度越高越有利于擴散，析出碳化物增多，使殘留奧氏

體的過飽和度減小，有利于殘留奧氏體轉(zhuǎn)變。但回火溫度也不能太

高,因為高碳表面層的A,溫度約為700℃,過高的回火溫度容易

引起相變，反而使奧氏體中溶入更多的碳和合金元素，提高了奧氏體

的穩(wěn)定性，增加殘留奧氏體量。

(4)熱處理技術(shù)要求分析

根據(jù)以往齒輪公法線及花鍵M值的變形規(guī)律，初步確定滲碳淬

火前公法線留余量0.4mm,M值熱前控制在M(02)=46.86-

46.93,熱處理層深按1.0~1.3mm控制，為控制花鍵的變形量,確

定零件滲碳，高溫回火后插花鍵再進(jìn)行淬火的工藝，且在粗加工后將

零件調(diào)質(zhì)至30~35HRC,這樣既有助于改善切削性、提高零件表面

加工精度，又能最大限度地減少粗加工中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，為后期的

滲碳、淬火提供良好的條件，從而控制變形量。經(jīng)綜合分析最終確定

零件的主要工藝流程為粗加工一調(diào)質(zhì)處理一精加工一滾齒一滲碳淬

火，高溫回火一車碳層一插花鍵一淬火，低溫回火一精磨(外齒輪)。

2.生產(chǎn)工藝結(jié)果與討論

(1)熱處理生產(chǎn)工藝

檢查試樣用同爐的032mm和416mm的圓棒試樣，032mm圓

棒試樣用于檢測心部硬度，016mm的圓棒試樣用于檢測淬硬層深。

①滲碳：93CTC強滲期2.5~3h,碳勢1.18%CP左右，擴散期

1.5h,碳勢0.68%CP左右。

②淬火:840℃,保溫40min,碳勢0.68%CP,淬火油溫

65℃,淬火時間火min。

③高溫回火：6500c保溫2h,冷至5500c出爐。

④再次淬火：溫度790℃,碳勢0.85%CP，保溫時間1.5h,用

分級淬火油，淬火油溫65℃z淬火時間30mino

⑤低溫回火：根據(jù)實測硬度值確定為150℃,保溫4h。

⑥拋丸。

(2)試樣檢測結(jié)果

試樣的金相顯微組織如圖2所示,組織為隱針馬氏體+少量鐵素

體+少量殘留奧氏體。

-芯姓媽生在包

在實物零件的齒面和端面檢測硬度基本在58.2~59.3HRCz其

中齒面硬度稍高。

在四件齒輪的端面分別敲鋼印號1?4,經(jīng)熱后測量公法線和內(nèi)

花鍵M值都滿足要求，其中公法線跳動量在0.03~0.07mm變動

(見表3),M值跳動量在0.03~0.06mm(見表4)。

表3齒輪公法線熱后數(shù)據(jù)表(mm)

熱后公法線WW平均值跳動

齒輪126.8026.8026.8426.8526.8126.8126.8180.05

齒輪226.8126.7926.7926.8226.8126.8126.8050.03

齒輪326.7826.7826.8026.8226.8426.8426.810.06

齒輪426.8126.8026.7826.7826.8526.8326.8080.07

表4花鍵M值熱后數(shù)據(jù)表(mm)

熱后M值M平均值跳動

齒輪146.8446.8446.8946.8846.8630.05

齒輪246.8546.8646.9046.8946.8750.05

齒輪346.8346.8546.8646.8346.8430.03

齒輪446.8646.8646.9146.9246.8850.06

經(jīng)檢測，齒輪的各項熱處理指標(biāo)都合格，通過此熱處理工藝，經(jīng)

過1年多時間，公司兩種新產(chǎn)品W25、W33的試制統(tǒng)計，熱處理

一次合格率都在98%以上，取得了滿意的效果。

3.結(jié)語

為了滿足18Cr2Ni4WA齒輪的技術(shù)條件,需要對材料的特性、

機加工工藝流程以及滲碳和淬、回火的全過程進(jìn)行細(xì)致的分析，通過

采取以下針對性的措施，使零件的技術(shù)要求控制在合格范圍內(nèi)。

(1)增加調(diào)質(zhì)處理，改善切削性，提高零件表面加工精度，消

除粗加工中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

(2)為保證零件的金相指標(biāo)和控制花鍵變形量，可以采用先滲

碳淬火，