钢制齿轮热处理工艺的优化设计

1.20CrMnTi钢制齿轮的渗碳和淬火回火工艺设计

（1）齿轮的失效特征20CrMnTi钢制齿轮以往多采用普通气体渗碳后二次淬火工艺。渗碳后表面碳浓度（质量分数）为1.0％～1.3％，在后续磨削时经常出现网状或平行的条状裂纹，且表面有时出现麻点等缺陷。分析认为，这种缺陷产生的原因是碳含量较高的渗碳层淬火后，存在较多的残留奥氏体。这种不稳定的组织，在高速磨削冲击和压力作用下转变为应力较大的新生马氏体，在表面强大拉应力的作用下而产生的。为此，进行了新工艺的尝试并取得良好效果。

（2）新工艺的试制条件20CrMnTi钢制直齿轮在RQ3-60-9气体渗碳炉中，以图3-1所示各项工艺参数进行渗碳并直接淬火，然后在RJJ-36-6回火炉中进行低温回火，随后清洗。

图3-1 20CrMnTi钢制齿轮渗碳和淬火回火工艺曲线

（3）试制结果 表面硬度为61～63HRC，心部硬度为42～44HRC；表层碳含量（质量分数）为0.8％左右；渗层金相组织为回火马氏体＋颗粒状碳化物，心部为板条马氏体；磨削后产生表面裂纹的数量由原来的11％降至低于1％。

2.12Cr2Ni4A钢制锥齿轮的热处理工艺设计

（1）热处理工艺性分析12Cr2Ni4A钢属于淬透性极好的高级优质合金渗碳钢，渗碳后空冷即可硬化，而且热处理变形敏感性和过热敏感性都很小；经恰当热处理后，具有耐磨性好、疲劳强度高等特点；常用于制造轿车齿轮。由于该钢合金元素含量较高，渗碳淬火后组织中存在较多的不稳定的残留奥氏体。因此，往往施以冷处理使其转变为马氏体，从而进一步提高齿轮的硬度和耐磨性，同时有利于稳定齿轮精度。

（2）热处理工艺设计

1）12Cr2Ni4A钢制锥齿轮制造工艺路线：锻坯预备热处理→机械切削加工→渗碳后空冷→高温回火→分级淬火→清洗→冷处理→低温回火→喷砂清理。

2）锻坯预备热处理：880～900℃，保温70～90min后空冷；在640～680℃保温2h后空冷。

3）渗碳：齿轮在室温下以心棒定位（每个齿轮下面装适当厚度的垫块），整挂一起吊装到RQ3-75-9气体渗碳炉中。经860～880℃加热透烧60min后，升温到900～910℃保温90min，再升温到920℃保温2～4h（视装炉量而定）后空冷。

4）高温回火：在RJJ-36-6回火炉中加热到640～680℃，并保温2h后空冷。

5）分级淬火：将齿轮装入浅盘中，并用木炭或新铸铁屑保护，在RX3-45-9中温箱式电阻炉中800～820℃加热并保温40～60min。出炉后去除保护屑，将齿部向上平放在铁丝网的吊框内，迅速吊入160～220℃的熔融硝盐浴内冷却7～12min，空冷到室温。

6）冷处理：齿轮清洗后装入干冰＋酒精为制冷剂的冷处理箱中，保持1～1.5h后回升到室温。

7）回火：在RJJ-36-6电阻炉中180℃加热，保温2h后空冷。

8）喷砂：在履带式喷砂机中人工翻转操作，两面清理后检查质量。

（3）处理结果 渗层深度为0.85～1.05mm，碳化物≤5级，马氏体≤4级，残留奥氏体≤3级，硬度≥61HRC。齿面修磨后精度达5～6级。锥齿轮的质量全面合格。

3.42CrMo钢制钻机转盘齿轮的热处理工艺设计

（1）钻机转盘齿轮特征及失效形式 图3-2所示为2P-520型钻机从动锥齿轮的外形，其主要参数为：模数m＝20mm，齿数z＝58，压力角α＝20°，外径Φ＝1160mm。该齿轮工作时在钻杆旋转带动下，承受很大的扭矩和输出功，其主要失效形式为磨损。

（2）材料的选择 为了提高齿轮的屈服强度并具有高的硬度和耐磨性，以及尽量小的热处理变形，增加齿的接触面积等多方面考虑，拟采用42CrMo钢制造。

图3-2 转盘齿轮(www.xing528.com)

（3）热处理工艺方案 预备热处理为毛坯锻造后正火和粗加工后调质处理；其最终热处理为气体渗氮或离子渗氮。

（4）技术要求 调质处理后硬度应为250～280HBW，渗氮层深度为0.5～0.7mm，表面硬度为≥600HV。深层脆性按GB／T 11354—2005《渗氮层脆性分等规定》不得小于3级。

（5）热处理工艺设计

1）42CrMo钢制大型锥齿轮的制造工艺路线：锻造→正火→车齿坯→粗滚齿→调质→精滚齿→离子渗氮→质量检验。

2）锻坯正火工艺：在RT2-105-9台车式电阻炉中，880～890℃加热，锻坯整体透烧后拉出台车，两侧同时吹风冷却，防止铁素体成网状或大块状呈现。

3）调质处理：在RX3-60-9箱式电阻炉中淬火：860～870℃加热，整体透烧后油中冷却；在同一炉子进行高温回火：560～600℃加热透烧油冷，防止产生回火脆性。

4）在LD-500BZ型炉内进行离子渗氮：工艺参数如图3-3所示。

图3-3 转盘齿轮离子渗氮工艺曲线

（6）质量检验结果 渗层表面用超声波硬度计检测为≥50HRC；随炉试样金相检测渗层脆性等级合格；齿轮平面度误差大多数小于0.08mm，个别达0.10mm。

4.20CrMnTi钢制油泵齿轮轴的热处理工艺设计

（1）齿轮轴材料及其技术条件

1）材料：20CrMnTi钢。

2）热处理技术要求：图3-4所示齿轮轴全渗碳层深度为0.8～1.1mm（Φ30mm处表面不渗碳）；表面硬度为58～63HRC，心部硬度为32～45HRC；同轴度误差≤0.03mm。

（2）齿轮轴的制造工艺路线 锻造→正火→机械切削加工（齿形滚、剃加工）预留0.3～0.5mm加工余量→Φ30mm处表面镀铜或涂防渗剂→渗碳（含加工余量深度为1.1～1.6mm）→淬火→回火→校直→去应力回火→齿形磨削加工→时效→清洗→防锈。

（3）热处理工艺设计

1）锻后正火：在RX3-45-9箱式电阻炉中930～950℃加热，整体透烧后散开空冷。

2）产前准备：Φ30mm处镀铜或涂防渗剂。

3）渗碳、淬火和回火：在SOH-SL-M1可控气氛炉中进行渗碳。其中，载气为吸热式气氛，富化气为C₃ H₈。渗碳后出炉采用热油直接淬火，然后在熔融硝盐浴炉中低温回火。各项工艺参数如图3-4所示。

图3-4 油泵齿轮轴及其热处理工艺曲线（虚线为炉内露点变化曲线）