重載齒輪是指?jìng)鬟f功率大、承載大、低速、受沖擊載荷大的齒輪，技術(shù)要求其具有優(yōu)良的耐磨性能、較高的接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度等，同時(shí)具有較高的抗沖擊和承載能力，所以需要對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)化熱處理，以提高綜合力學(xué)性能及使用壽命。重載齒輪常用的強(qiáng)化熱處理工藝有滲碳淬火、滲氮以及感應(yīng)淬火等。本文綜述了重載齒輪上述3種熱處理技術(shù)的應(yīng)用情況及進(jìn)展，并提出重載齒輪真空低壓滲碳的應(yīng)用前景。

重載齒輪主要指為礦山、冶金、建材、石油、化工、電站、起重運(yùn)輸、礦用汽車(chē)、列車(chē)、風(fēng)電、航天、軍用裝備等主機(jī)配套和通用減速器中的傳動(dòng)件，其應(yīng)用范圍廣，遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)多個(gè)部門(mén)。重載齒輪的主要特點(diǎn)是傳遞功率大、摩擦力大、速度低、沖擊力大，工作條件惡劣，安全性要求高。使用時(shí)要求具有優(yōu)良的耐磨性能，較高的接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度，同時(shí)具有較高的抗沖擊和抗過(guò)載能力。

我國(guó)重載齒輪在20世紀(jì)60年代多為軟齒面齒輪，材料為45鋼、55鋼和 40Cr鋼，采用正火、調(diào)質(zhì)或火焰淬火等工藝進(jìn)行熱處理，工藝不穩(wěn)定，質(zhì)量無(wú)法保證，齒輪壽命很短。70年代后，采用了淬透性較高的37SiMn2Mo鋼，利用感應(yīng)加熱表面淬火工藝，提高了齒面硬度和使用壽命。改革開(kāi)放后，隨著裝備制造業(yè)的高速發(fā)展，開(kāi)發(fā)出多種制造重載齒輪的材料，但由于設(shè)計(jì)、制造等一系列問(wèn)題造成工藝質(zhì)量的重復(fù)性和再現(xiàn)性差，國(guó)內(nèi)重要部位的重載齒輪仍然依賴(lài)進(jìn)口，而國(guó)產(chǎn)齒輪對(duì)外出口因產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定而不被認(rèn)可，因此對(duì)重載齒輪的熱處理研究異常緊迫。一般情況下常用重載齒輪材料為低碳合金結(jié)構(gòu)鋼，其熱處理需根據(jù)具體的工況條件要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要經(jīng)過(guò)滲碳(或滲氮)淬火回火后使用。 

本文綜述了重載齒輪常用材料、三大熱處理硬化技術(shù)應(yīng)用及出現(xiàn)的問(wèn)題，并指出了重載齒輪熱處理未來(lái)的發(fā)展方向。

重載齒輪滲碳淬火熱處理

滲碳重載齒輪材料按承載能力可分為:一般承載能力用滲碳鋼(材料牌號(hào)為:20CrMnTi、20CrMnMo、20CrNiMo、12CrNi2 和 12CrNi3等)和高承載能力用滲碳鋼(材料牌號(hào)為:12Cr2Ni4、20Ni4Mo、20Cr2Ni4和 17Cr2Ni2Mo、18Cr2Ni4W、20CrNi2Mo等) 。

按淬透性可分為:中淬透性滲碳鋼(油淬臨界直徑20～50mm，材料牌號(hào)為:20CrMnTi、20CrMnMo、20CrNiMo、12CrNi2、12CrNi3、12Cr2Ni4、20CrNi2Mo和 17Cr2Ni2Mo等) 和高淬透性滲碳鋼( 油淬臨界直徑50～100mm，材料牌號(hào)為20Ni4Mo、20Cr2Ni4和18Cr2Ni4W等) 。 

重載齒輪的滲碳淬火熱處理工藝包括: 預(yù)備熱處理、滲碳淬火 + 回火和噴丸強(qiáng)化等過(guò)程。通常技術(shù)要求表面硬度、心部硬度、硬化層深度、表面含碳量、顯微組織和畸變等。 

20世紀(jì)80至90年代，仲?gòu)?fù)欣，張耀莉等就重載齒輪的主要破損形式即脆性斷齒、疲勞斷齒以及齒面的疲勞點(diǎn)蝕、剝落、齒面塑性變形、磨損、擦傷、膠合等問(wèn)題，討論如何用更好的熱處理工藝來(lái)提高齒輪的承載能力，防止齒面剝落，提高重載齒輪的壽命。根據(jù)理論計(jì)算，認(rèn)為齒輪的模數(shù)越大，齒面曲率半徑也越大，剪切應(yīng)力分布也越深。因此，當(dāng)最大剪切應(yīng)力與剪切強(qiáng)度之比不大于0.55，即材料的剪切強(qiáng)度＞1.82剪切應(yīng)力時(shí)，齒輪表層才不會(huì)被壓碎。因此，為了防止表面剝落，從齒表面到心部任何一層，均應(yīng)滿(mǎn)足這個(gè)要求。所以，大模數(shù)重載齒輪滲碳必須有足夠的層深，一般滲碳層深度應(yīng)大于4mm。 

滲碳層深度和滲碳擴(kuò)散時(shí)間的關(guān)系常用如下公式計(jì)算: 

式中: δ 為滲碳層深度，mm; τ 為滲碳擴(kuò)散時(shí)間，h; K 為系數(shù)。 

利用此公式設(shè)計(jì)，為20CrNiMo鋼人字形齒輪軸進(jìn)行了滲碳。該報(bào)道中對(duì)此工藝提出了許多不足之處。首先齒輪軸滲碳淬火回火后，變形在齒長(zhǎng)范圍內(nèi)不一致，齒長(zhǎng)方向兩端外圓略有脹大，而中段外圓縮小，整個(gè)齒軸齒輪呈鼓形。齒輪直徑越大，齒長(zhǎng)越長(zhǎng)，這種現(xiàn)象越嚴(yán)重。400mm齒軸，中段外圓收縮0.3mm，600mm齒輪中段外圓收縮0.6 mm，斜齒輪的螺旋角也隨之向增大方向變形。其次大型齒輪的滲碳淬火畸變規(guī)律是外圓脹大，橢圓較小，上下呈錐度。比較難解決的是錐度問(wèn)題，上面較下面脹大嚴(yán)重，這種畸變的不均勻性，使螺旋角不規(guī)則變化，導(dǎo)致齒面切削后滲層和硬化層深淺不均，特別是齒面的殘余應(yīng)力分布不均勻，影響齒輪制造精度和承載能力。這種由畸變帶來(lái)的隱患亟待解決。而且深層滲碳帶來(lái)了更嚴(yán)重的效益問(wèn)題，提高心部硬度，提高淬火時(shí)冷卻速度，均可相應(yīng)減少滲層深度。 

2004年，劉園園等選用不同材質(zhì)和熱處理的工藝，對(duì)模數(shù)為9和10mm的牽引電機(jī)的主動(dòng)齒輪進(jìn)行單齒彎曲疲勞試驗(yàn)。據(jù)瑞士MAAG廠(chǎng)的數(shù)據(jù)顯示，調(diào)質(zhì)硬度為300HB時(shí)，許用彎曲應(yīng)力為300MPa，許用接觸應(yīng)力為850MPa，當(dāng)滲碳淬火表面硬度達(dá)到60HRC時(shí)，其抗彎曲應(yīng)力和抗接觸應(yīng)力分別為500MPa和1600MPa，承載能力分別提高了70%和88%。實(shí)踐證明，齒面硬度提高1.5～3.0倍后，齒輪箱質(zhì)量可降低70%～90% 。 

在面對(duì)滲層質(zhì)量的控制及齒面的熱處理畸變方面沒(méi)有有效措施等問(wèn)題時(shí)，把齒輪模數(shù)m作為選擇滲碳層的依據(jù)，即t= a·m，a值取決于熱處理方法，滲碳硬化時(shí) a 定為0.15，表面淬火時(shí)a為0.4能達(dá)到最佳抗疲勞強(qiáng)度，超過(guò)這一數(shù)值，因殘余壓應(yīng)力降低將導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度下降，大型重載齒輪須有足夠的滲碳硬化層深度，有的高達(dá)8mm，但過(guò)深會(huì)使齒輪畸變?cè)龃?。?yīng)尋找一個(gè)合理的硬化層深度和平緩的過(guò)渡區(qū)，來(lái)保證沿滲層的強(qiáng)度分布高于最大的切應(yīng)力分布。 

滲碳齒輪心部硬度(強(qiáng)度)的提高，對(duì)硬化層的支撐作用增加，有利于提高大型重載齒輪的承載能力。提高心部硬度能顯著提高硬化層深度，縮短滲碳時(shí)間20%左右。但強(qiáng)度極限超過(guò)1100～1200MPa時(shí)，單齒彎曲疲勞強(qiáng)度將下降。由于重載齒輪截面大，受冷卻條件限制，過(guò)高的心部硬度要求，勢(shì)必要求選用高合金鋼。隨著心部硬度的提高，輪齒的畸變也增大，工藝趨于復(fù)雜，一般大型重載齒輪的心部硬度大多選用30～40HRC。為了增加對(duì)齒輪畸變的控制，開(kāi)始對(duì)齒輪進(jìn)行碳氮共滲。共滲溫度一般比滲碳低60～80℃，不僅保證了奧氏體晶粒不長(zhǎng)大，而且畸變小，且由于碳氮原子共同滲入金屬表面，使碳質(zhì)子的擴(kuò)散系數(shù)增加，因而不影響滲速。擬定方案一為滲碳后緩冷，磨齒后再在840℃碳氮共滲6h。另一種方案滲碳后降溫至860 ℃ 碳氮共滲，作者提出，此方法為一個(gè)研究方向，實(shí)際仍有許多問(wèn)題待解決。 

2008年，馬修泉等開(kāi)始考慮更換鋼的材料來(lái)完成對(duì)重載齒輪滲碳處理的優(yōu)化，將20CrNi2Mo鋼和低碳滲碳鋼進(jìn)行滲碳表面強(qiáng)化處理，對(duì)試樣的畸變，滲層的碳濃度梯度，試樣的有效硬化層，試樣表層的殘留奧氏體含量進(jìn)行對(duì)比分析。 

20Cr2Ni4鋼屬于高合金鋼，主要應(yīng)用于重載齒輪、滲碳軸承等零件上，但由于其合金元素含量高，殘留奧氏體量過(guò)多，使得熱處理工藝復(fù)雜，成本高，熱處理畸變嚴(yán)重。而20CrNi2Mo鋼是優(yōu)質(zhì)低碳中合金結(jié)構(gòu)鋼，合金元素配比良好，冶煉工藝優(yōu)良。研究人員探究采用合適的熱處理工藝，用20CrNi2Mo鋼代替20CrNi4 鋼用作重載齒輪的可行性。滲碳能力的測(cè)試采用25mm × 100 mm剝層試樣，表層硬化能力測(cè)試采用 15 mm × 25 mm 試樣，表層殘留奧氏體含量測(cè)定采用 10 mm × 10 mm × 25 mm 的試樣。試樣的熱處理在IPSEN多用爐中進(jìn)行，滲碳溫度920℃，滲碳時(shí)間27h，20Cr2Ni4鋼滲碳后空冷，650℃高溫回火后重新加熱至820℃淬火，20CrNi2Mo鋼滲碳后降溫至820℃均溫后淬火，低溫回火溫度為180℃。經(jīng)測(cè)試，即測(cè)量低溫回火后畸變?cè)嚇尤笨陂g距的變形量; 將剝層試樣車(chē)削剝層，測(cè)定切屑的碳含量; 利用顯微硬度法測(cè)試試 樣的有效硬化層深; 用 X射線(xiàn)衍射儀法測(cè)定試樣表層 的殘留奧氏體含量，確定20CrNi2Mo鋼的熱處理畸變趨勢(shì)較小，滲碳性能、表面硬化性能良好，表層的殘留奧氏體含量合理。用20CrNi2Mo鋼代替20Cr2Ni4鋼制造重載齒輪，可以達(dá)到簡(jiǎn)化熱處理工藝、減少熱處理畸變和改善工件質(zhì)量的目的。對(duì)試樣最終熱處理前后畸變量測(cè)試、滲碳性能、表層硬化能力、表層殘留奧氏體含量、顯微組織形貌、晶粒度級(jí)別、力學(xué)性能和磨損性能的對(duì)比測(cè)試分析也進(jìn)一步的驗(yàn)證了材料替換的可行性。

2012年，劉愛(ài)輝等對(duì)用20CrNi2Mo鋼代替20Cr2Ni4鋼制造重載齒輪的方案做了進(jìn)一步完善。試驗(yàn)中，用930 ℃ × 4 h 正火 + 930 ℃ × 10 h 滲碳， 830 ℃ × 3 h 淬火 + 180 ℃ × 8 h 回火的新方案代替了 原始的 920 ℃ ×8 h 滲碳 + 650 ℃ × 3 h 回火、820 ℃ × 6 h淬火 + 180 ℃ × 2 h 回火的方案。由試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出，改進(jìn)工藝處理的試樣的強(qiáng)度和硬度要高于用原始工藝處理的試樣的強(qiáng)度和硬度; 熱處理畸變量均是新工藝相對(duì)于原始工藝要小，從而可降低成本; 金相顯示用新工藝處理的試樣表面滲層組織為明顯的回火馬氏體，還有部分殘留奧氏體和粒狀碳化物。原工藝采用高溫回火時(shí)滲層中碳和合金元素以碳化物形式析出、球化和粗化，這會(huì)造成殘留奧氏體中的碳含量降低，此時(shí)熱應(yīng)力就會(huì)發(fā)揮作用引起畸變，而新工藝由于合金鋼的淬透性較好，且試驗(yàn)采用冷卻速度較緩和的淬火介質(zhì)，故整體的淬火畸變較小。 

最終的結(jié)果表明，采用改進(jìn)后的熱處理工藝，試樣的伸長(zhǎng)率、斷面收縮率、沖擊韌度與原始工藝相比變化不大，而抗拉強(qiáng)度、表面硬度、熱處理畸變量均比用原始熱處理工藝處理的性能要好。因此重載齒輪用20CrNi2Mo鋼熱處理時(shí)應(yīng)采用改進(jìn)后的熱處理工藝代替原始工藝，這為擴(kuò)大20CrNi2Mo鋼應(yīng)用領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。2013年，羅長(zhǎng)增等研究了17CrNiMo6鋼重載齒輪滲碳分別在快速淬火油(K油) 和硝鹽兩種介質(zhì)中淬火+低溫回火后的組織和性能，用微觀(guān)組織、硬度分布、力學(xué)性能等測(cè)試進(jìn)行表征。

結(jié)果表明，試樣在 K油中淬火硬度分布曲線(xiàn)在2mm處出現(xiàn)陡降，而在硝鹽中淬火后的硬度分布比較平緩; K油淬火及硝鹽淬火后得到的表層組織中碳化物都為細(xì)小粒狀，心部組織都為板條馬氏體和少量的游離鐵素體，而用K油淬火的馬氏體針比硝鹽淬火得到的馬氏體針更細(xì)小;在K油和硝鹽中淬火后的力學(xué)性能均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，且K油中淬火試樣的力學(xué)性能優(yōu)于在硝鹽中淬火后的力 學(xué)性能。2016年，王龍龍等選用18Cr2Ni4WA鋼研究其熱處理18Cr2Ni4WA鋼中所含合金總量大于5%而不到10%，屬于高強(qiáng)度中合金鋼，具有良好的綜合力學(xué)性能，特別適合制造性能要求高,橫截面比較大的機(jī)械零件，而采煤機(jī)搖臂中所使用的重載齒輪就是這樣一類(lèi)零件。由于采煤機(jī)中重載齒輪的熱處理技術(shù)要求為表面硬度58～62HRC,硬化層深最高2.3mm，要想達(dá)到這么高的硬度和硬化層深度，必須要進(jìn)行滲碳。 

采用煤油和甲醇作為滲碳原料，選用不同碳勢(shì)研究其對(duì)碳化物級(jí)別的影響，不同回火次數(shù)，不同淬火溫度研究馬氏體及殘留奧氏體的情況，最終得到較優(yōu)的參數(shù)來(lái)熱處理得到表面硬度、抗沖擊性能較好，產(chǎn)品質(zhì)量較高的產(chǎn)品。采用18Cr2Ni4WA鋼進(jìn)行滲碳熱處理，在其表面會(huì)生成較多的殘留奧氏體，使用高溫回火的方法可以降低其含量，多次回火效果更好。滲碳過(guò)程中，強(qiáng)滲階段碳勢(shì)控制在1.2%C，擴(kuò)散階段碳勢(shì)控制在0.80%C能得到比較好的滲層組織，碳化物級(jí)別也比較理想。 

此外，淬火溫度的選取決定產(chǎn)品硬度峰值和馬氏體殘 留奧氏體級(jí)別。選用這種新型的高強(qiáng)度中合金鋼，探究其熱處理工藝，也是對(duì)重載齒輪滲碳熱處理領(lǐng)域的一種補(bǔ)充。此外，由于滲碳齒輪具有最好的綜合力學(xué)性能，可使低碳鋼達(dá)到像高碳鋼一樣的高硬度和高耐磨性的表面層并保持低碳鋼的韌性和塑性，因此滲碳工藝在高參數(shù)齒輪的生產(chǎn)中獲得了很大的發(fā)展。由上可以看出，為了解決滲碳層深度及齒輪畸變的控制等問(wèn)題，研究人員選用了不同的方法進(jìn)行探究; 而為了使?jié)B碳熱處理工藝更加的完善，研究者嘗試不同的工藝 如真空滲碳，對(duì)不同材料及其最優(yōu)化的熱處理工藝參數(shù)選擇上，研究人員也進(jìn)行了大量的探索，為滲碳熱處理帶來(lái)更多的可能。

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