熱處理平衡的藝術

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

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系。例如

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

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

配。

一、齒輪類零件的平衡關系

就齒輪類零件而言，基于其復雜的受力狀態(tài)，強度和韌性無疑是最基本、最重要

的性能，我們在要求輪齒表面具有高硬度、高疲勞強度的同時，還應該具備良好

的沖擊韌性，尤其是對于承受沖擊載荷的越野車輛、工程機械齒輪，以及自然條

件和載荷多變的風電齒輪等。因此，我們將“剛?cè)岵?、?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，需要斟酌的因素，或者說要處埋的平衡關系很多，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，具有最好的接觸疲勞強度和彎

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

傾向的關系。

（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平衡關系，

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

殊，有些企業(yè)標準中明確規(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EATON公司就明確規(guī)定，有效硬化層以輪齒節(jié)圓為準，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題，因此，某些精密零件就有通過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是處，它在吸收內(nèi)應力能量，阻

滯微裂紋擴展，提高斷裂韌性方面的積極作用也是明確的，因此，有專家建議，

將齒輪表層的殘留奧氏體量控制在16%~19%的水平。

國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，

并無馬氏體的要求。殘留奧氏體級別用百分比來表示，對于汽車、工程機械齒輪

來說，殘留奧氏體量應低丁20%,相當丁?國內(nèi)標準的3級，也有耍求低丁70%

的情況，相當于國內(nèi)標準的2級。

(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，就會前功盡棄。常規(guī)回火溫度為

180~200℃,但是由于擔心表面硬度等不達標，國內(nèi)齒輪廠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間不夠，就難以消除硬化層內(nèi)的殘留應力，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

重質(zhì)量事故，有的齒輪軸在校直時就出現(xiàn)裂紋。

事實上，回火時雖然馬氏體中析出的碳化物造成硬度下降，但與此同時殘留奧氏

體會轉(zhuǎn)變成新的馬氏體或貝氏體，同時增加表面壓應力，表面硬度未必有明顯降

低。有人統(tǒng)計，200℃和2300c回火，無論是在表面硬度、硬化層強度，還是表

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

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

道理是一樣的。

二、齒輪平衡關系實例

下面是最近遇到的幾個實例，從中可以體會到熱處理行業(yè)內(nèi)比比皆是的平衡關

系。

1.復雜結(jié)構(gòu)齒輪的熱處理

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

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。

圖1復雜結(jié)構(gòu)齒輪

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

降低齒輪內(nèi)應力就成為一個選項。而熱處理具備的兩個有利條件是：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，又確保變形量滿足要求。

2.某齒輪熱處理工藝改進

齒輪結(jié)構(gòu)如圖2所示，其特點是齒頂較尖，而且螺旋角B較大，變性傾向大，

用常規(guī)工藝試驗多次，變形量超差。另外，客戶對金相組織要求較高，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，有時被稱為次貝組織。國外齒輪產(chǎn)品金相組織經(jīng)常有ITP深

度的技術要求，有的標準中規(guī)定ITP深度須大于對應硬化層深度的一定比例，是

衡量硬化層質(zhì)量的重要指標。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方向，但這又加大了

齒輪的變形傾向。本項目采取的措施是適當提高滲碳后期的碳勢，在淬火前的保

溫階段通入適量的NH3,徹底解決了ITP組織深度問題。

圖2齒輪圖片

ITP問題的解決，為控制齒輪變形預留了足夠的空間，再通過調(diào)整淬火冷卻工藝

參數(shù)（介質(zhì)類型、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）本來相互沖突和矛盾的兩個方

面得到了很好的兼顧。

3.調(diào)質(zhì)處理

作為氮化、感應淬火預備處理的調(diào)質(zhì)工藝，也存在著平衡關系，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)硬度確實會影響到氮化速度以

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。某廠剛開始做一種出口的氮化

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

化硬度總是達不到要求，后來將調(diào)質(zhì)硬度提高，才解決了問題。

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

要求達到340HV水平，但是目前國內(nèi)加工刀具還普遍達不到這個水平，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)的平衡關系。很多場合下，熱處理不

能畫地為牢、閉門造車，必須兼顧熱前、熱后的冷加工工序。

4.關于滲碳工藝和碳氮共滲工藝

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

碳元素擴散速度很快，用較短的時間即可達到深層深度，對于小模數(shù)齒輪，往往

幾個小時即可。

但是，高溫也加大了滲碳件的變性傾向，尤其是對于某些形狀復雜、截面較小的

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

共滲工藝。

事實上，碳氮共滲正是基于權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，對于模數(shù)較小，硬化層深度1.0mm以下的齒輪類零件，相對于變形量

的減小，由于溫度降低、工藝時間延長而增加的成本甚至是可以忽略不計的。

以下歸納出滲碳和碳氮共滲的共性與個性，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

度高于滲碳齒輪。

（2）碳氮共滲容易出現(xiàn)“三黑”缺陷，工藝過程對設備要求很嚴格。國內(nèi)碳氮共

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

問題。

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

（4）對于連續(xù)推盤線.不推薦采用碳氮共滲工藝。

（5）同樣的服役條件下，碳氮共滲層深應淺于滲碳層深，這也進一步消化了溫

度降低、時間延長造成的成本增加。

（6）對于大模數(shù)齒輪，滲碳淬火仍然作為首選工藝。