熱處理平衡的藝術(shù)

熱處理的定義就是通過(guò)溫度的變化改變工件內(nèi)部顯微組織，進(jìn)而獲得理想性能的

工藝，而工件的性能往往多種多樣，有些性能還存在彼此之間的矛盾關(guān)系。例如

我們經(jīng)常遇到的強(qiáng)度和韌性，在一定范圍內(nèi)存在此消彼長(zhǎng)的關(guān)系。因此，我們從

教科書(shū)中得到的專(zhuān)業(yè)啟蒙教育就是，如何借助于熱處理工藝獲得良好的強(qiáng)韌性搭

配。

一、齒輪類(lèi)零件的平衡關(guān)系

就齒輪類(lèi)零件而言，基于其復(fù)雜的受力狀態(tài)，強(qiáng)度和韌性無(wú)疑是最基本、最重要

的性能，我們?cè)谝筝嘄X表面具有高硬度、高疲勞強(qiáng)度的同時(shí)，還應(yīng)該具備良好

的沖擊韌性，尤其是對(duì)于承受沖擊載荷的越野車(chē)輛、工程機(jī)械齒輪，以及自然條

件和載荷多變的風(fēng)電齒輪等。因此，我們將“剛?cè)岵?jì)、內(nèi)外兼修”作為齒輪熱處

理的最高境界。

要接近或趨向于上述占標(biāo)，需要斟酌的因素，或者說(shuō)要處埋的平衡關(guān)系很多，其

中包括：

（1）表面硬度的確定

根據(jù)表面耐磨性、脆性甚至磨削性能的要求，大部分齒輪的表面硬度控制在

58?62HRC的范圍。

（2）心部硬度的選擇

有研究表明，齒輪心部硬度處于38HRC附近時(shí)，具有最好的接觸疲勞強(qiáng)度和彎

此疲勞強(qiáng)度，在確定心部硬度范圍時(shí)，還需平衡齒輪模數(shù)、材料淬透性以及變性

傾向的關(guān)系。

（3）硬化層深度的確定

目前一般取15%?25%Mn作為有效硬化層深度，這里需要掌握的一個(gè)平衡關(guān)系，

就是節(jié)圓位置與齒根位置的硬化層匹配關(guān)系。為了避免兩處的硬化層深度相差懸

殊，有些企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定，齒根拐角處硬化層深度不得低于節(jié)圓初深度的

70%o如美國(guó)EATON公司就明確規(guī)定，有效硬化層以輪齒節(jié)圓為準(zhǔn)，允許齒根

比節(jié)圓處最多淺30%。

（4）表層中殘留奧氏體數(shù)量的問(wèn)題

殘留奧氏體作為亞穩(wěn)組織不僅影響表面硬度，也存在著由于后續(xù)轉(zhuǎn)變而影響」二件

尺寸和形狀變化的問(wèn)題，因此，某些精密零件就有通過(guò)深冷處理而減少或消除殘

留奧氏體的要求。但是殘留奧氏體組織并非一無(wú)是處，它在吸收內(nèi)應(yīng)力能量，阻

滯微裂紋擴(kuò)展，提高斷裂韌性方面的積極作用也是明確的，因此，有專(zhuān)家建議，

將齒輪表層的殘留奧氏體量控制在16%~19%的水平。

國(guó)外殘留奧氏體與馬氏體組織是分別要求的，而且往往只有殘留奧氏體的要求，

并無(wú)馬氏體的要求。殘留奧氏體級(jí)別用百分比來(lái)表示，對(duì)于汽車(chē)、工程機(jī)械齒輪

來(lái)說(shuō)，殘留奧氏體量應(yīng)低丁20%,相當(dāng)丁?國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的3級(jí)，也有耍求低丁70%

的情況，相當(dāng)于國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的2級(jí)。

(5)低溫回火處理

滲碳淬火后低溫回火處理非常重要，稍有不慎，就會(huì)前功盡棄。常規(guī)回火溫度為

180~200℃,但是由于擔(dān)心表面硬度等不達(dá)標(biāo)，國(guó)內(nèi)齒輪廠(chǎng)家普遍采用較低的回

火溫度，有的已經(jīng)低于160℃。

較低的溫度如果再加上保溫時(shí)間不夠，就難以消除硬化層內(nèi)的殘留應(yīng)力，這樣的

齒輪往往是硬度有余，而韌性不足，在以后服役條件下容易出現(xiàn)斷齒、崩角等嚴(yán)

重質(zhì)量事故，有的齒輪軸在校直時(shí)就出現(xiàn)裂紋。

事實(shí)上，回火時(shí)雖然馬氏體中析出的碳化物造成硬度下降，但與此同時(shí)殘留奧氏

體會(huì)轉(zhuǎn)變成新的馬氏體或貝氏體，同時(shí)增加表面壓應(yīng)力，表面硬度未必有明顯降

低。有人統(tǒng)計(jì)，200℃和2300c回火，無(wú)論是在表面硬度、硬化層強(qiáng)度，還是表

面壓應(yīng)力方面都不會(huì)是質(zhì)的變化。相反，在硬度相近的情況下，經(jīng)過(guò)略高溫度回

火的零件，沖擊韌性更佳，這與調(diào)質(zhì)時(shí)所謂高淬高回能得到更佳綜合力學(xué)性能的

道理是一樣的。

二、齒輪平衡關(guān)系實(shí)例

下面是最近遇到的幾個(gè)實(shí)例，從中可以體會(huì)到熱處理行業(yè)內(nèi)比比皆是的平衡關(guān)

系。

1.復(fù)雜結(jié)構(gòu)齒輪的熱處理

齒輪如圖1所示，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是內(nèi)有兩段花鍵，外7T輪齒，沿軸向截面對(duì)稱(chēng)性差,

在普通氣氛滲碳爐(多用爐、連續(xù)爐)滲碳淬火處理，其變形量基本全部超標(biāo)。

圖1復(fù)雜結(jié)構(gòu)齒輪

該齒輪的熱處理難點(diǎn)就集中于控制內(nèi)孔的橢圓與錐度變形，因此,減緩淬火烈度,

降低齒輪內(nèi)應(yīng)力就成為一個(gè)選項(xiàng)。而熱處理具備的兩個(gè)有利條件是：該齒輪材料

為19CrNi5,淬透性較好；公司具備可以氣體淬火的真空滲碳爐。

因此，工藝改為960℃x2h滲碳，然后N2淬火，最后低溫回火，既獲得了合格

的金相組織，又確保變形量滿(mǎn)足要求。

2.某齒輪熱處理工藝改進(jìn)

齒輪結(jié)構(gòu)如圖2所示，其特點(diǎn)是齒頂較尖，而且螺旋角B較大，變性?xún)A向大，

用常規(guī)工藝試驗(yàn)多次，變形量超差。另外，客戶(hù)對(duì)金相組織要求較高，其中次表

層ITP組織深度20.1mm。

眾所周知，ITP組織（中間轉(zhuǎn)變產(chǎn)物）是由于次表層淬透性降低而形成貝氏體或

托氏體等非馬組織，有時(shí)被稱(chēng)為次貝組織。國(guó)外齒輪產(chǎn)品金相組織經(jīng)常有ITP深

度的技術(shù)要求，有的標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定ITP深度須大于對(duì)應(yīng)硬化層深度的一定比例，是

衡量硬化層質(zhì)量的重要指標(biāo)。其主要影響因素包冷材料淬透性、淬火冷卻速度、

工件尺寸以及表面碳濃度等。

如果從控制ITP深度角度考慮，提高齒輪淬火烈度也是一個(gè)方向，但這又加大了

齒輪的變形傾向。本項(xiàng)目采取的措施是適當(dāng)提高滲碳后期的碳勢(shì)，在淬火前的保

溫階段通入適量的NH3,徹底解決了ITP組織深度問(wèn)題。

圖2齒輪圖片

ITP問(wèn)題的解決，為控制齒輪變形預(yù)留了足夠的空間，再通過(guò)調(diào)整淬火冷卻工藝

參數(shù)（介質(zhì)類(lèi)型、攪拌速度及淬火溫度），減緩淬火烈度，減小齒輪變形量，使

得內(nèi)在質(zhì)量（金相組織）和外在質(zhì)量（齒輪精度）本來(lái)相互沖突和矛盾的兩個(gè)方

面得到了很好的兼顧。

3.調(diào)質(zhì)處理

作為氮化、感應(yīng)淬火預(yù)備處理的調(diào)質(zhì)工藝，也存在著平衡關(guān)系，例如如何確定調(diào)

質(zhì)硬度，選擇高溫回火溫度。大量數(shù)據(jù)表明，調(diào)質(zhì)硬度確實(shí)會(huì)影響到氮化速度以

及表面硬度，將42CrMo調(diào)質(zhì)硬度由20?25HRC提高到28?32HRC后，可使

氮化后表面硬度由500HV左右提高到2600HV。某廠(chǎng)剛開(kāi)始做一種出口的氮化

齒輪時(shí)，考慮到是剃齒加工，擔(dān)心前面的調(diào)質(zhì)硬度太高，造成剃齒困難，結(jié)果氮

化硬度總是達(dá)不到要求，后來(lái)將調(diào)質(zhì)硬度提高，才解決了問(wèn)題。

從基休強(qiáng)度和承載能力方面，氮化件調(diào)質(zhì)硬度應(yīng)在300HV以上，美國(guó)某些公司

要求達(dá)到340HV水平，但是目前國(guó)內(nèi)加工刀具還普遍達(dá)不到這個(gè)水平，因此，

常規(guī)的調(diào)質(zhì)硬度控制在260-290HV范圍。

這里也反映出冷加工與熱加工之間經(jīng)常出現(xiàn)的平衡關(guān)系。很多場(chǎng)合下，熱處理不

能畫(huà)地為牢、閉門(mén)造車(chē)，必須兼顧熱前、熱后的冷加工工序。

4.關(guān)于滲碳工藝和碳氮共滲工藝

常規(guī)滲碳溫度為920~930℃,某些場(chǎng)合下可以采用更高的溫度，在這種高溫下,

碳元素?cái)U(kuò)散速度很快，用較短的時(shí)間即可達(dá)到深層深度，對(duì)于小模數(shù)齒輪，往往

幾個(gè)小時(shí)即可。

但是，高溫也加大了滲碳件的變性?xún)A向，尤其是對(duì)于某些形狀復(fù)雜、截面較小的

內(nèi)花鍵齒輪、軸齒輪等，變形問(wèn)題非常突出，在這種情況下，可以考慮選擇談氮

共滲工藝。

事實(shí)上，碳氮共滲正是基于權(quán)衡考慮而誕生的一種嫁接工藝，碳氮共滲齒*侖同樣

具有良好的耐磨性和疲勞強(qiáng)度。由于降低了熱處理溫度，使得控制變形的壓力大

大緩解，對(duì)于模數(shù)較小，硬化層深度1.0mm以下的齒輪類(lèi)零件，相對(duì)于變形量

的減小，由于溫度降低、工藝時(shí)間延長(zhǎng)而增加的成本甚至是可以忽略不計(jì)的。

以下歸納出滲碳和碳氮共滲的共性與個(gè)性，可供參考。

（1）氮氮共滲不出現(xiàn)缺陷的前提下耐磨性、表面硬度要高于滲碳，接觸疲勞強(qiáng)

度高于滲碳齒輪。

（2）碳氮共滲容易出現(xiàn)“三黑”缺陷，工藝過(guò)程對(duì)設(shè)備要求很?chē)?yán)格。國(guó)內(nèi)碳氮共

滲與滲碳在井式爐、箱式多用爐中應(yīng)用非常普遍，齒輪行業(yè)應(yīng)該高度重視“三黑”

問(wèn)題。

（3）淺硬化層（0.2?0.8mm）的零件，應(yīng)優(yōu)先采用C-N共滲工藝。

（4）對(duì)于連續(xù)推盤(pán)線(xiàn).不推薦采用碳氮共滲工藝。

（5）同樣的服役條件下，碳氮共滲層深應(yīng)淺于滲碳層深，這也進(jìn)一步消化了溫

度降低、時(shí)間延長(zhǎng)造成的成本增加。

（6）對(duì)于大模數(shù)齒輪，滲碳淬火仍然作為首選工藝。