| tcdlb | 2007-07-24 18:15 | 熱處理基本知識和材料選用
改善鋼的性能，有兩個主要途徑：一是調(diào)整鋼的化學(xué)成分，加入合金元素，即合金化的辦法；另一是對鋼實施熱處理。這兩者之間有著極為密切，相輔相成的關(guān)系，這里只介紹“鋼的熱處理”。
一、 鋼的熱處理的一般概念
熱處理是一種重要的金屬加工工藝，在機(jī)械制造工業(yè)中已被廣泛應(yīng)用。鋼經(jīng)過正確的熱處理，可提高使用性能，改善工藝性能，達(dá)到充分發(fā)揮材料性能潛力，提高產(chǎn)品質(zhì)量，延長使用壽命，提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。據(jù)初步統(tǒng)計，在機(jī)床制造中，約60%~70%零件要經(jīng)過熱處理；在汽車、拖拉機(jī)制造中需要熱處理的零件多達(dá)70%~80%；至于減速器齒輪箱的齒輪和工模具及滾動軸承，則要100%進(jìn)行熱處理。總之，重要的零件都必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚聿拍苁褂谩?br>所謂鋼的熱處理是指將鋼在固態(tài)下
進(jìn)行加熱、保溫和冷卻三個基本過程， 溫
以改變鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而獲得 度 ②
所需性能的一種加工工藝。為簡明表 ℃ ③
明表示熱處理的基本工藝過程，通常 ①
用溫度-時間坐標(biāo)繪出熱處理工藝曲線，
如圖1所示，曲線①表示鋼件在加熱 時間
升溫階段，曲線②表示鋼件加熱到規(guī) 圖1 熱處理工藝曲線示意圖
定溫度后處于保溫階段，曲線③表示鋼件保溫結(jié)束后進(jìn)行淬火冷卻。
鋼熱處理的最基本類型可根據(jù)加熱和冷卻方法不同，大致分類如下：
退火
正火
普通熱處理- 淬火
回火
火焰加熱
熱處理類型 - 表面淬火- 感應(yīng)加熱
表面熱處理-- 滲碳
化學(xué)熱處理- - 滲氮
碳氮共滲
控制氣氛熱處理
其他熱處理-- 真空熱處理
形變熱處理
熱處理可以是機(jī)械零件加工制造工藝中的一個中間工序，如改善鍛、軋、鑄毛坯組織的退火或正火，齒輪箱體消除焊接應(yīng)力退火和降低工件硬度改善切削加工性能的退火等。也可以是使機(jī)械零件性能達(dá)到規(guī)定技術(shù)指標(biāo)的最終工序，如經(jīng)淬火加高溫回火，使機(jī)械零件獲得極為良好綜合力學(xué)性能，例如滲碳齒輪的整個加工工序是：鍛造-退火-粗加工-探傷-正火-精加工-滲碳、淬火、回火-噴丸-（磨齒）。由此可見，熱處理同其他工藝過程密切，在機(jī)械零件加工制造過程中具有十分重要的地位和作用。
二、 普通熱處理
1、鋼的退火和正火
1.1 鋼的退火和正火的定義和目的
退火是一般是將鋼件加熱到臨界溫度以上適當(dāng)溫度，保溫適當(dāng)時間后緩慢冷卻，以獲得接近平衡的珠光體組織的熱處理工藝。圖2為GCr15鋼等溫球化退火典型工藝。
溫 780~810℃
度 爐冷 710~720℃
℃ 3~6 4~ 6 爐冷
600℃出爐空冷
時間（h）
圖2 GCr15鋼等溫球化退火典型工藝
正火也是將鋼件加熱到臨界溫度以上適當(dāng)溫度，保溫適當(dāng)時間后以較快冷卻速度冷卻（通常為空氣中冷卻），以獲得珠光體類型組織的熱處理工藝。圖3為20CrMnTi正火工藝。
溫 920~950℃
度
℃ 650℃ 2~3 空冷
1.5
時間 (h)
圖3 20CrMnTi正火工藝
由退火和正火的熱處理工藝可知，正火的冷卻速度比退火快，所以相同鋼材正火比退火（主要指完全退火）后獲得的珠光體組織較細(xì)，鋼的強(qiáng)度與韌性、硬度也較高。
退火和正火是應(yīng)用非常廣泛的熱處理，在機(jī)器零件或工模具等工件的加工制造過程中，退火和正火經(jīng)常作為預(yù)先熱處理工序。
機(jī)器零件的毛坯一般是軋材、鍛件、鑄件或焊接件等，毛坯料內(nèi)部常出現(xiàn)各種組織缺陷，如組織不均勻性、晶粒粗大、成分偏析、帶狀組織等，這些缺陷不僅影響以后各種冷熱加工的進(jìn)行，還會降低零件的最終性能。所以退火和正火用于毛坯的預(yù)先熱處理，可以達(dá)到以下目的：
1.1.1 消除或改善毛坯料的各種組織缺陷。
1.1.2 獲得最有利于切削加工的組織與硬度。
1.1.3 改善組織中相的形態(tài)與分布,細(xì)化晶粒,為最終熱處理(淬火回火)作好組織上準(zhǔn)備。
1.1.4 消除或降低內(nèi)應(yīng)力，以防后繼工序加工后變形或開裂傾響。
退火和正火經(jīng)常作為預(yù)先熱處理工序外，在一些普通鑄鋼件、焊接件、以及某些不重要的熱加工工件上，還作為最終熱處理工序，以改善組織，穩(wěn)定尺寸。
1.2 退火和正火的正確選用
在生產(chǎn)上對退火和正火工藝的選用，應(yīng)根據(jù)鋼種、前后連接的冷、熱加工工藝、以及最終零件使用條件等來進(jìn)行。根據(jù)鋼中含碳量不同，一般按如下原則選用：
1.2.1 低碳鋼（≤0.25%C） 這類鋼主要應(yīng)解決塑性過高造成粘刀而不易切削加工的問題，故采用正火為宜。通過正火使組織均勻，硬度適當(dāng)提高而易于切削。例如對滲碳鋼，用正火消除鍛造缺陷及提高切削加工性能。
1.2.2 中碳鋼（0.25%~0.55%C） 這類鋼一般采用正火，其中含碳量0.25%~0.35%的鋼，正火后其硬度接近于最佳切削加工硬度。對含碳量較高的鋼，硬度雖稍高（200HBS），但由于正火生產(chǎn)率高，成本低，操作簡便，仍采用正火，只有對合金元素含量較高的鋼，因正火后硬度過高，使切削加工困難，才采用完全退火。
1.2.3 高碳鋼（＞0.55%C） 這類鋼一般采用退火最為適宜，因為含碳量較高，正火后硬度太高，不利于切削加工，而退火后的硬度正好適宜于切削加工。此外，這類鋼多在淬火、回火狀態(tài)下使用，因此一般工序安排是以退火降低硬度，然后進(jìn)行切削加工，最終進(jìn)行淬火、回火。
當(dāng)鋼中含有較多合金元素時，上述原則就不適用（由于合金元素強(qiáng)烈地改變了過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線），例如低碳合金鋼18Cr2Ni4WA沒有珠光體轉(zhuǎn)變，即使在極緩慢的冷卻速度下退火，也不可能得到珠光體類型組織。一般需用高溫回火來降低硬度，以便切削加工。
2、鋼的淬火
鋼的淬火與回火是熱處理工藝中最重要，也是用途最廣泛的工序。淬火可以顯著提高鋼的強(qiáng)度和硬度。為了消除淬火鋼的殘余應(yīng)力，得到不同強(qiáng)度，硬度和韌性配合的性能，需要配以不同溫度的回火。所以淬火和回火又是不可分割的、緊密銜接在一起的兩種熱處理工藝。淬火、回火作為各種機(jī)器零件及工、模具的最終熱處理是賦予鋼件最終性能的關(guān)鍵工序，也是鋼件熱處理強(qiáng)化的重要手段之一。
2.1 淬火的定義和目的
把鋼加熱到奧氏體化溫度，保溫一定時間，然后以大于臨界冷卻速度進(jìn)行冷卻，這種熱處理操作稱為淬火。鋼件淬火后獲得馬氏體或下貝氏體組織。圖4為滲碳齒輪20CrNi2Mo材料淬火、回火工藝。
溫 830℃
度
℃ 油
冷 200℃
空冷
時間h
圖4 滲碳齒輪20CrNi2Mo材料淬火、回火工藝
淬火的目的一般有：
2.1.1 提高工具、滲碳工件和其他高強(qiáng)度耐磨機(jī)器零件等的強(qiáng)度、硬度和耐磨性。例如高速工具鋼通過淬火回火后，硬度可達(dá)63HRC，且具有良好的紅硬性。滲碳工件通過淬火回火后，硬度可達(dá)58~63HRC。
2.1.2 結(jié)構(gòu)鋼通過淬火和高溫回火（又稱調(diào)質(zhì)）之后獲得良好綜合力學(xué)性能。例如汽車半軸經(jīng)淬火和高溫回火（280~320HB）及外圓中頻淬火后，不僅提高了花鍵耐磨性，而且使汽車半軸承受扭轉(zhuǎn)、彎曲和沖擊載荷能力（尤其是疲勞強(qiáng)度和韌性）大為提高。
淬火時，最常用的冷卻介質(zhì)是水、鹽水、堿水和油等。通常碳素鋼用水冷卻，水價廉易得，合金鋼用油來冷卻，但對要求高硬度的軋輥采用鹽水或堿水冷卻，輥面經(jīng)淬火后硬度高而均勻，但對操作要求非常嚴(yán)格，否則容易產(chǎn)生開裂。
2.2 鋼的淬透性
2.2.1 淬透性的基本概念
所謂鋼材的淬透性是指鋼在淬火時獲得淬硬層深度大小的能力（即鋼材淬透能力），其大小用鋼在一定條件下（頂端淬火法）淬火獲得的有效淬硬層深度來表示，淬透性是每種鋼材所固有的屬性，淬硬層愈深，就表明鋼的淬透性愈好,例如45、40Cr 、42CrMo鋼三種試樣，按相同條件淬火后（油冷卻），經(jīng)檢測45鋼能被淬透的最大直徑（稱臨界直徑）φ10mm；40Cr鋼能被淬透的最大直徑φ22mm; 42CrMo鋼能被淬透的最大直徑φ40mm。
實際工件的有效淬硬深度與鋼的淬透性、工件尺寸及淬火介質(zhì)的冷卻能力等許多因素有關(guān)，例如，同一鋼種在相同介質(zhì)中淬火，小件比大件的淬硬層深；同一鋼種相同尺寸時，水淬比油淬的淬硬層深。
同一種鋼，其成分和冶煉質(zhì)量必然在一定范圍內(nèi)波動，因而有關(guān)手冊上所提供的某鋼號的淬透性曲線往往不是一條線，而是一個范圍，稱淬透性帶。圖1為40Cr鋼的淬透性帶。
圖1 40Cr鋼的淬透性帶
從上所述，鋼材的淬透性包含兩方面內(nèi)容，一是鋼材的淬透能力，它主要是保證不同大小齒輪的心部硬度，以滿足接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度的要求；二是淬透性帶寬度，要求盡可能小的淬透性帶寬度波動，以有利于齒輪熱處理變形的控制。德國大眾、日本小松、美國休斯通用等國外幾大公司對齒輪鋼材的淬透性帶寬≤8HRC，我國的GB/T5216標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的鋼材的淬透性帶寬為12HRC，2002年在“中國齒輪行業(yè)鋼材采購?fù)▌t（試行）”中要求齒輪鋼材的淬透性帶寬為7HRC。
2.2.2、淬透性的表示方法
鋼的淬透性值可用J（HRC/ d ）表示，其中J表示末端淬透性，d表示至水冷端的距離，HRC為該處測得的硬度值。例如淬透性值J（42/5）表示距水冷端5mm處試樣硬度值為42HRC；淬透性值J（30~35/10）表示距水冷端10mm處試樣硬度值為30~35HRC。對淬透性值有具體要求的鋼應(yīng)根據(jù)GB/T5216-2004《保證淬透性結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定訂貨，其鋼號最后用H表示，例如42CrMoH。
3、鋼的回火
3.1 回火的定義和目的
鋼淬火后必須經(jīng)過回火，回火是指將淬火鋼加熱到Ac1（鋼件加熱時的臨界點(diǎn)）以下的某一溫度，經(jīng)過保溫，然后以一定的冷卻方法冷至室溫的熱處理工藝，見圖4?；鼗鸬哪康模?br>3.1.1 降低脆性，減少或消除內(nèi)應(yīng)力，防止工件變形或開裂。
3.1.2 獲得工藝所要求的力學(xué)性能。淬火工件的硬度高且脆性大，通過適當(dāng)回火可調(diào)整硬度，獲得所需要的塑性、韌性。
3.1.3穩(wěn)定工件尺寸。淬火馬氏體和殘余奧氏體都是非平衡組織，它們會自發(fā)地向穩(wěn)定的平衡組織轉(zhuǎn)變，從而引起工件尺寸和形狀的改變，通過回火可使淬火馬氏體和殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)檩^穩(wěn)定組織，以保證工件在使用過程中不發(fā)生尺寸和形狀的變化。
3.1.4 對于某些高淬透性的合金鋼，空冷便可淬成馬氏體，如采用退火軟化，則周期很長。此時可采用高溫回火，降低硬度，以利切削加工。
淬火鋼不經(jīng)回火一般不能直接使用，為了避免工件在放置過程中發(fā)生變形和開裂，淬火后應(yīng)及時回火。
3.2、回火的種類
淬火鋼回火后組織性能決定于回火溫度，根據(jù)回火溫度范圍，可將回火分為三類：
3.2.1 低溫回火 低溫回火的溫度為150~250℃，回火后組織為回火馬氏體，低溫回火主要降低鋼的淬火內(nèi)應(yīng)力和脆性，同時保持鋼在淬火后的高硬度（一般為58~64HRC）和耐磨性，常用于處理各種工具、模具、軸承、滲碳件及經(jīng)表面淬火工件。
3.2.2中溫回火 中溫回火的溫度為350~500℃，回火后不僅保持較高硬度（一般為35~45HRC）和強(qiáng)度，而且具有高的彈性極限和足夠的韌性。中溫回火主要用于各種彈簧的處理，還用于某些塑料模、熱鍛模以及要求較高強(qiáng)度的軸、軸套等。
3.2.3 高溫回火 高溫回火的溫度為500~650℃。高溫回火后的組織為回火索氏體，這種組織具有良好的綜合力學(xué)性能。
4、鋼的調(diào)質(zhì)
習(xí)慣上將淬火加高溫回火（500~650℃）相結(jié)合的熱處理工藝稱作“調(diào)質(zhì)處理”，簡稱“調(diào)質(zhì)”。根據(jù)工件不同性能要求，通過調(diào)整回火溫度，調(diào)質(zhì)硬度可控制在于200~350HB。
4.1、調(diào)質(zhì)熱處理的目的
高溫回火后的組織為回火索氏體，這種組織具有良好的綜合力學(xué)性能，即在保持較高強(qiáng)度的同時，具有良好的塑性和韌性。調(diào)質(zhì)處理廣泛應(yīng)用于重要結(jié)構(gòu)零件，特別是在交變載荷下工作的零件，如汽車、拖拉機(jī)、機(jī)床上的連桿、連桿螺釘、齒輪和軸類零件等。調(diào)質(zhì)還可作為表面強(qiáng)化零件（高、中頻淬火和氮化等）以及某些要求較高的精密零件（如絲桿、量具、模具等）和軋輥的預(yù)先熱處理。
4.2、調(diào)質(zhì)齒輪保證鋼材淬透性的措施
齒輪調(diào)質(zhì)的目的是要保證齒輪的齒部(特別是齒根部)達(dá)到設(shè)計要求的硬度, 以滿足接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度的要求,在我國齒輪制造中,對大中模數(shù)齒輪的調(diào)質(zhì)其齒根處往往達(dá)不到要求的硬度,這與鋼材選擇和淬火冷卻有關(guān),其核心是鋼材淬透性。為了使齒根處也達(dá)到要求硬度，通常采用二種措施：
4.2.1、一是以鋼材的淬透性選材，常用調(diào)質(zhì)齒輪鋼材按其淬透性高低分為五類（Ⅰ~Ⅴ），表1為調(diào)質(zhì)及調(diào)質(zhì)后表淬齒輪用鋼。表2為各類調(diào)質(zhì)鋼推薦應(yīng)用范圍。
表1 調(diào)質(zhì)及表面淬火齒輪用鋼
齒輪種類 類別 鋼 號
一般載荷不大、截面尺寸也不大、要求不太高齒輪 Ⅰ 35 45 55
Ⅱ 40Mn 40Cr 35SiMn 42SiMn 50Mn2
截面尺寸較大、承受較大載荷、要求比較高齒輪 Ⅲ 35CrMo 42CrMo 40CrMnMo 35CrMnSi 40CrNi 40CrNiMo 45CrNiMoV
截面尺寸很大、承受載荷大、并要求有足夠韌性齒輪 Ⅳ 35CrNi2Mo 40CrNi2Mo
Ⅴ 34CrNi3Mo 37SiMn2MoV 30CrNi3
注：Ⅰ~Ⅴ按鋼的淬透性及強(qiáng)度高低遞增
齒輪尺寸（mm） 抗拉強(qiáng)度σb(Mpa)
600~800 800~1000 >1000
圓棒直徑 ≈40 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅲ
40~80 Ⅱ Ⅲ Ⅲ Ⅲ Ⅳ
80~120 Ⅱ Ⅲ Ⅲ Ⅲ Ⅳ
120~180 Ⅱ Ⅲ Ⅲ Ⅳ Ⅴ
180~250 Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅳ Ⅴ Ⅴ
＞250 Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅴ
齒圈厚度 ≈20 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ
20~40 ⅠⅡ Ⅲ Ⅳ Ⅳ Ⅴ
40~60 ⅠⅡⅢ Ⅳ Ⅳ Ⅴ
60~90 Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅵ Ⅳ Ⅴ
90~120 Ⅲ Ⅳ Ⅳ Ⅴ Ⅴ
＞120 Ⅲ Ⅳ Ⅳ Ⅴ Ⅴ
盤齒坯寬度 ≈12.5 Ⅰ Ⅱ Ⅱ Ⅲ Ⅲ Ⅳ
12.5~25 Ⅰ Ⅱ Ⅱ Ⅲ Ⅲ Ⅳ
25~50 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅲ Ⅳ Ⅳ
100~200 Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ
＞200 Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ
表2 各類調(diào)質(zhì)鋼推薦應(yīng)用范圍
必須指出：在選用材料時，在設(shè)計中不可根據(jù)從手冊里查到的小尺寸試樣性能數(shù)據(jù)用于大尺寸工件的強(qiáng)度計算，而必須考慮材料實際淬透層深度，大件齒輪因重量和體積均較大，截面積厚，內(nèi)部熱容量大，致使實際淬透層淺，這種現(xiàn)象叫做“鋼材尺寸效應(yīng)”。
在選用材料時，必須將淬透性和淬硬性區(qū)別開來，鋼的淬硬性是指鋼在正常淬火條件下可能達(dá)到的最高硬度，它主要取決于鋼的含碳量，鋼中含碳量越高，淬火后的硬度越高。至于合金元素對淬硬性影響不大，但對鋼的淬透性卻有重大影響。所以淬火硬度高的鋼不一定就淬透性高，而硬度低的鋼，也可能具有高的淬透性。
4.2.2、二是大模數(shù)齒輪采用齒部開槽調(diào)質(zhì), 大模數(shù)齒輪采用整體毛坯調(diào)質(zhì),由于受到鋼材淬透性限制，往往在齒根部達(dá)不到要求調(diào)質(zhì)硬度，一般大模數(shù)齒輪的體積和重量較大，因此按第一種方法選用高合金含量的鋼顯然是不經(jīng)濟(jì)的，所以齒輪模數(shù)較大時，如碳鋼齒輪模數(shù)大于12時應(yīng)采用先開槽后調(diào)質(zhì)，再精滾齒的工藝，由于開槽調(diào)質(zhì)改善了齒部冷卻條件，所以可以采用淬透性較低的合金元素較小的鋼材，從而降低了成本。
圖5 大模數(shù)齒輪開槽調(diào)質(zhì)后各部位硬度分布
圖5所示為42CrMo鋼，M＝22，Z＝20的大模數(shù)齒輪采用開槽調(diào)質(zhì)后齒輪各部位的硬度分布，由圖可見，齒根部硬度明顯得到提高。
三、鋼的表面加熱淬火
鋼的表面加熱淬火是將工件快速加熱到淬火溫度，然后迅速冷卻，僅使工件表層獲得淬火馬氏體組織的熱處理方法。表面加熱淬火既強(qiáng)化了零件表面層，又保持了心部原有的良好的綜合機(jī)械性能，從而達(dá)到這種表硬心韌的性能要求。
1、感應(yīng)加熱表面淬火
1.1感應(yīng)加熱原理
感應(yīng)加熱表面淬火是利用電磁感應(yīng)原理，在工件表面產(chǎn)生密度很高的感應(yīng)電流，并使工件表面迅速加熱至奧氏體狀態(tài)，然后快速冷卻獲得馬氏體組織的淬火方法。圖6為感應(yīng)加熱
表面淬火示意圖。當(dāng)感應(yīng)圈中通過一
定頻率交流電時，在其內(nèi)外將產(chǎn)生與
電流變化頻率相同的交變磁場。感應(yīng)
圈內(nèi)工件在交變磁場作用下，工件內(nèi)
就會產(chǎn)生與感應(yīng)圈頻率相同而方向相
反的感應(yīng)電流。由于感應(yīng)電流沿工件
表面形成封閉回路，通常稱為渦流。
此渦流將電能變?yōu)闊崮?，使工件加熱?br>渦流在被加熱工件中的分布由表面至
心部呈現(xiàn)指數(shù)規(guī)律衰減。因此，渦流
主要分布于工件表面，工件內(nèi)部幾乎
沒有電流通過。這種現(xiàn)象叫集膚效應(yīng)。
感應(yīng)加熱就是利用集膚效應(yīng)，依靠電
流熱效應(yīng)把工件表面迅速加熱到淬火
溫度的。感應(yīng)圈用純銅管制做，內(nèi)通 圖6 感應(yīng)加熱表面淬火示意圖
冷卻水。當(dāng)工件表面在感應(yīng)圈內(nèi)加熱到相變溫度時，立即噴水或浸水冷卻，實現(xiàn)表面淬火工藝。
感應(yīng)加熱電流透入工件表面的深度與感應(yīng)電流的頻率有關(guān)，如下式所示：
式中 δ——感應(yīng)電流透入深度（mm）
f ——電流頻率（Hz）
可以看出，電流頻率愈高，感應(yīng)電流透入工件表面的深度愈淺。
1.2 感應(yīng)加熱分類
根據(jù)零件尺寸及硬化層深度的要求選擇不同的電流頻率，感應(yīng)加熱可分為四類，見表3說明。
表3 感應(yīng)加熱分類
分 類 工作電流頻率（KHz） 特性及應(yīng)用范圍
高頻加熱 200~300 一般有效淬硬層0.8~1.5mm，主要用于中小模數(shù)（m =1.5~8）及中小尺寸的軸類零件表面加熱淬火
超音頻加熱 30~60 一般有效淬硬層1.0~2.0mm，主要用于中小模數(shù)（m =3-6）齒輪、花健軸表面輪廓淬火和曲軸、凸輪軸等表面淬火
中頻加熱 1~8 一般有效淬硬層2.0~8.0mm，主要用于較大尺寸的軸和大中模數(shù)齒輪等表面淬火
工頻加熱 50(Hz) 一般有效淬硬層10~15mm，主要用于較大直徑零件的穿透加熱及大直徑零件如軋輥、車輪等表面淬火
感應(yīng)加熱表面淬火通常采用噴射冷卻法，冷卻速度可通過調(diào)節(jié)液體壓力、溫度及噴射時間控制。采用冷卻介質(zhì)有水、聚乙烯醇合成淬火劑及油等。工件表面淬火后應(yīng)進(jìn)行低溫回火（150~200℃），以降低殘余應(yīng)力和脆性，并保持表面高硬度和高耐磨性。對于大模數(shù)重載齒輪經(jīng)感應(yīng)加熱表面淬火后，希望得到沿齒廓分布硬化層，如圖7所示，硬化層分布在齒面、齒根及齒底，這樣大大提高了齒部
的接觸疲勞強(qiáng)度、彎曲疲勞強(qiáng)度和
沖擊韌性。
圖7 齒廓型硬化層
為了保證工件表面淬火后的表面硬度和心部強(qiáng)度及韌性，一般選用中碳鋼及中碳合金鋼，其表面淬火前的原始組織應(yīng)為調(diào)質(zhì)或正火態(tài)。
根據(jù)工件表面加熱熱源的不同，鋼的表面淬火有很多種，除了感應(yīng)加熱表面淬火外，還有火焰表面加熱淬火、電接觸表面加熱淬火及激光表面加熱淬火等。這里只介紹感應(yīng)加熱表面淬火。
2、表面淬火齒輪用鋼的選用見表1、表2。
四、化學(xué)熱處理
工件放在一定的化學(xué)介質(zhì)中加熱到一定溫度，使其表面與介質(zhì)相互作用，吸收其中某些化學(xué)元素的原子（或離子），并自表面向內(nèi)部擴(kuò)散的過程稱為化學(xué)熱處理?；瘜W(xué)熱處理包括滲碳、滲氮、碳氮共滲等?；瘜W(xué)熱處理的結(jié)果是改變了金屬表面的化學(xué)成分和性能。例如低碳鋼經(jīng)過表面滲碳淬火后，該鋼種的工件表面就具有了普通高碳鋼淬火后的高硬度、高耐磨的性能特征，而心部仍保留低碳鋼淬火后良好的塑性、韌性的特征。顯然這是單一的低碳鋼或高碳鋼所不能達(dá)到的。
1、鋼的滲碳
1.1鋼的滲碳基本原理和氣體滲碳工藝
1.1.1鋼的滲碳基本原理
在滲碳溫度下(920℃)滲碳過程包括三個基本過程： 一是由介質(zhì)（甲醇、煤油、異丙醇）分解出活性原子。如分解產(chǎn)生的一氧 化碳和甲烷分解出活性碳原子： 2CO —— CO2+[C]
CH4 —— 2H2+[C]
二是活性碳原子被工件表面吸收。
三是被吸收碳原子向工件內(nèi)部擴(kuò)散。
滲碳過程由分解、吸收、擴(kuò)散三過程組成，三個過程又是同時發(fā)生的，全部過程存在著復(fù)雜物理化學(xué)反應(yīng)。
1.1.2氣體滲碳工藝
氣體滲碳法是將工件放入密封
的滲碳爐內(nèi)，圖8為氣體滲碳法示
意圖，使工件在920℃高溫的滲碳
氣氛中進(jìn)行滲碳。通入的有機(jī)物液
體（甲醇、煤油、異丙醇）在高溫
下分解，產(chǎn)生活性碳原子，并被加
熱到奧氏體狀態(tài)的工件表面吸收，
而后向鋼內(nèi)部擴(kuò)散。滲碳時最主要
的工藝參數(shù)是加熱溫度和保溫時間。
加熱溫度愈高，滲碳速度就愈快，
且擴(kuò)散層的厚度也愈深。 圖8 氣體滲碳法示意圖
圖 9 氣體滲碳典型工藝
圖9為氣體滲碳典型工藝，從工藝中明顯可見滲碳劑分解（含排氣）、強(qiáng)滲（吸收）、擴(kuò)散和爐冷到850℃直接油冷淬火的全過程。
1.2 滲碳件質(zhì)量要求
對滲碳件質(zhì)量要求在國標(biāo)GB/T8539-2000中已有明確規(guī)定，這里對幾個主要方面再說明一下。
1.2.1 表面硬度和心部硬度
齒表面硬度是指成品齒輪工作齒高中間部位齒面硬度，對錐齒輪指齒頂部表面硬度。
輪齒的心部硬度是指齒寬中部齒根
30o切線的法向上，深度為5倍硬化層
深，但不少于1倍模數(shù)。這是一個推薦
測量部位，為了便于可操作性，可按技
術(shù)條件或供需雙方協(xié)議的 圖10 齒心部硬度示意圖 檢查方法進(jìn)行檢查。一般檢測齒寬中部法截面上，在輪齒的中心線與齒根圓相交處的硬度，見圖10示意圖。
表面硬度和心部硬度是工件耐磨性能的重要指標(biāo)，也是材料抗接觸疲勞和彎曲疲勞的一個特性。經(jīng)滲碳淬火后表面硬度應(yīng)達(dá)到58~64HRC（大截面齒輪和齒輪軸一般56~62HRC），心部硬度根據(jù)不同質(zhì)量要求按規(guī)定控制，一般在25~42HRC，MQ級齒輪要求25HRC以上，ME級齒輪要求35HRC以上。硬度一般采用里氏硬度計或洛氏硬度計作為檢測工具。
1.2.2 滲碳層表面碳濃度和碳濃度梯度
滲碳零件表面碳濃度要求控制在0.75~0.95%為宜，過低會使耐磨性下降，過高時脆性增大，強(qiáng)度不能滿足要求。
碳濃度梯度反映了碳濃度沿滲層下降的指標(biāo)，它間接地反映了滲層的硬度梯度。碳濃度下降得越平穩(wěn)越好，以保證滲層與基體牢固結(jié)合，避免在使用過程中產(chǎn)生剝落現(xiàn)象。圖11為相同滲碳層總深度（3 mm）三種碳濃度梯度狀況。
圖11 相同滲碳層總深度（3 mm）三種碳濃度梯度
a）好 b）不好 c）不好
1.2.3 有效硬化層深度（滲碳層深度）
有效硬化層深度取決于零件的工作條件和心部強(qiáng)度，是確定零件承載能力的重要參數(shù)。目前對有效硬化層深度我廠設(shè)計工藝處推薦采用JB/T7516-94的標(biāo)準(zhǔn)。有效硬化層深度是指零件滲碳淬火后，從零件表面到維氏硬度值為550HV1處的垂直距離。測定硬度所采用的試驗力為9.807N（1 kgf）。
1.3、零件滲碳后的熱處理
工件滲碳的目的在于使表面獲得高的硬度和耐磨性，因此滲碳后的工件，必須通過熱處理使表面獲得馬氏體組織，滲碳后的熱處理方法有三種：
1.3.1直接淬火法 直接淬火法是將工件自滲碳溫度爐冷到淬火溫度后立即淬火，然后在160~190℃進(jìn)行低溫回火。這種方法不需要重新加熱淬火，因而減小了熱處理變形，節(jié)省了時間和降低成本，但由于滲碳溫度高，滲碳加熱時間長，因而奧氏體晶粒粗大，淬火后殘余奧氏體量較多，使工件性能下降，所以直接淬火法只適用于本質(zhì)細(xì)晶粒鋼或性能要求較低的工件。這是一般工廠經(jīng)常采用工藝。
1.3.2 一次淬火法 一次淬火法是將工件自滲碳后以適當(dāng)方式冷至室溫，然后再重新加熱淬火并低溫回火。對于要求心部有較高強(qiáng)度和較好韌性的零件，可以細(xì)化晶粒。這是大型齒輪、齒輪軸等經(jīng)常采用方法。
1.3.3 兩次淬火法 兩次淬火法是將工件自滲碳后冷至室溫后再進(jìn)行兩次淬火。第一次淬火目的是細(xì)化心部晶粒，淬火溫度較高，第二次淬火目的是細(xì)化表層晶粒，淬火溫度較低，這種方法適宜用使用性能要求很高的工件，缺點(diǎn)是工藝復(fù)雜，生產(chǎn)周期長，工件容易變形，工廠應(yīng)用較少。
對于零件有不允許滲碳硬化部位應(yīng)在設(shè)計圖樣上標(biāo)明，該部位可采用防滲涂料進(jìn)行保護(hù)。
近幾年來，我廠為適應(yīng)寶鋼進(jìn)口設(shè)備齒輪箱的國產(chǎn)化要求，對熱處理進(jìn)行了相應(yīng)技術(shù)改造，添置具有國內(nèi)外先進(jìn)水平的計算機(jī)過程控制的大型滲碳爐，由工業(yè)計算機(jī)、進(jìn)口智能控溫儀、進(jìn)口智能碳控儀、氧探頭等組成，爐溫控制精度≤±3℃，爐溫采用爐內(nèi)主控，爐外輔控；碳濃度控制精度≤±0.05％；滲碳層深度偏差≤10％；滲碳硬化層深度范圍1~6mm 。從而對爐內(nèi)碳濃度、爐溫、滲碳硬化層深度等實現(xiàn)精確控制，保證了產(chǎn)品滲碳質(zhì)量。為減少盤形齒輪變形，從俄羅斯進(jìn)口了淬火壓床。目前我廠有φ3000×2000mm、φ2000×2500mm、φ1700×2000mm、φ1200×2000mm、φ900×1200mm井式氣體滲碳爐五臺。
1.4、滲碳齒輪鋼材的選用
1.4.1、滲碳齒輪鋼材對淬透性的要求
如前所述,鋼材的淬透性主要是保證不同大小齒輪的心部硬度，以滿足接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度的要求；同時要求盡可能小的淬透性帶寬度波動，以有利于齒輪熱處理變形的控制。對低速重載齒輪來說應(yīng)保證足夠心部硬度，也就是保證心部強(qiáng)度，ME級齒輪要求心部硬度在35HRC以上。因此，對淬透性要求高的大尺寸工件，只有從選擇鋼材上找出路，即選用淬透性好的高、中合金滲碳鋼來制造。例如：20CrMnTi材料直徑φ60mm園棒，經(jīng)淬火、回火后表面硬度≥30HRC，中心部分硬度為25HRC左右。φ18mm園棒經(jīng)淬火、回火后，中心的硬度達(dá)37HRC，因此20CrMnTi材料適用于制造模數(shù)不大于12的齒輪。
20CrNi2Mo材料直徑φ60mm園棒，經(jīng)淬火、回火后表面硬度≥35HRC，1/2R處≥30HRC，中心部分硬度為27HRC左右。直徑φ25mm園棒經(jīng)淬火、回火后表面硬度≥39HRC，1/2R處≥37HRC，中心部分硬度為36HRC左右。
因此對要求高速(低速)重載和安全可靠運(yùn)行的齒輪就選用20CrNi2Mo材料，對低速重載、大截面的齒輪，可選用淬透性更好的材料，如17CrNiMo6（國產(chǎn)17Cr2Ni2Mo）、18Cr2Ni4WA、18CrMnNiMoA、20Cr2Ni4A等。
1.4.2、滲碳齒輪用鋼
滲碳結(jié)果是改變了金屬表面的化學(xué)成分和性能，使該鋼種的工件表面就具有了普通高碳鋼淬火后的高硬度、高耐磨的性能特征，而心部仍保留低碳鋼淬火后良好的塑性、韌性的特征。因此滲碳齒輪用鋼多選用低碳鋼和低碳合金鋼。表4為滲碳齒輪用鋼。
表4 滲碳齒輪用鋼
齒輪種類 性 能 要 求 鋼 號
起重，運(yùn)輸，冶金，采礦，化工等設(shè)備模數(shù)12以下普通減速機(jī)齒輪。 耐磨，承載能力較高。 20CrMo 20CrMnTi 20CrMnMo
冶金，化工，電站設(shè)備，船舶等的汽輪發(fā)動機(jī)，工業(yè)汽輪機(jī)，高度鼓風(fēng)機(jī)，透平壓縮機(jī)等齒輪。 運(yùn)行速度高，周期長，安全可靠性高。 12CrNi3 20CrNi3 12Cr2Ni4 20CrNi2Mo
大型軋鋼機(jī)減速器齒輪，大型皮帶運(yùn)輸機(jī)傳動軸齒輪，人字齒輪，大型錐齒輪，井下采煤機(jī)傳動箱齒輪。 傳遞功率大，齒輪表面載荷高，耐沖擊，齒輪尺寸大。 17CrNiMo6 20Cr2Ni4 18Cr2Ni4W 18CrMnNiMoA 20CrNi2Mo
2、鋼的滲氮
滲氮是向鋼的表面滲入氮原子的過程。其目的是提高表面硬度和耐磨性，并提高疲勞強(qiáng)度和耐蝕性。
2.1 滲氮原理及工藝
目前工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的是氣體滲氮法，它是利用氨氣在加熱時分解出活性氮原子，被鋼吸收后在其表面形成滲氮層，同時向心部擴(kuò)散。氨的分解反應(yīng)如下：
2NH3 —— 3H2+2[N]
滲氮在專用的氣體滲氮爐或井式滲碳爐中進(jìn)行，我廠氣體滲氮爐尺寸為φ800×2500mm和φ1500×2000mm。滲氮前須將工件除油凈化。入爐后先用氨氣排除爐內(nèi)空氣。氣體滲氮溫度一般在490~560℃范圍內(nèi)進(jìn)行。
滲氮工件的加工工藝路線如下：
鍛造-退火-粗加工-調(diào)質(zhì)-半精加工-除應(yīng)力回火-精加工-滲氮
2.2 滲氮處理特點(diǎn)
2.2.1 滲氮往往是工件加工工藝路線中最后一道工序，滲氮后的工件至多再進(jìn)行精磨或研磨。為了保證滲氮工件心部具有良好的綜合力學(xué)性能，在滲氮前有必要將工件進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。
2.2.2 鋼在滲氮后，無需進(jìn)行淬火便具有很高的表層硬度（≥550HV~900HV）及耐磨性，這是因為滲氮層形成了一層堅硬的氮化物所致。且滲氮層具有高的熱硬性（即在600~650℃仍有較高硬度）。但是滲氮層較淺（0.25~0.6 mm），滲氮處理后一般不再加工，若需精磨則余量在直徑方向上不應(yīng)超過0.10~0.15mm。否則會磨掉滲氮層而使硬度大大下降。
2.2.3滲氮后，顯著提高鋼的疲勞強(qiáng)度。這是因為滲氮層內(nèi)具有較大的殘余壓應(yīng)力，它能部分地抵消在疲勞載荷下產(chǎn)生的拉應(yīng)力，延緩了疲勞破壞過程。
2.2.4滲氮后鋼具有很高的耐蝕能力，這是由于滲氮層表面是由連續(xù)分布的、致密的氮化物所組成緣故。
2.2.5滲氮處理溫度低，故工件變形很小。為了減小工件在滲氮處理中的變形，在切削加工后，一般須進(jìn)行消除應(yīng)力高溫回火，
滲氮最大缺點(diǎn)是周期長，生產(chǎn)率低。氣體滲氮時，要達(dá)到0.5mm的滲氮層，滲氮速度約為每小時10μm, 如采用離子滲氮，其速度比氣體滲氮速度快近三分之一，液體滲氮時，速度又更快些。
綜上所述，因此滲氮廣泛應(yīng)用于各種高速傳動精密齒輪、高精度機(jī)床主軸（如鏜桿、磨床主軸），以及要求變形很小，具有一定抗熱、抗蝕能力的耐磨零件。
2.3、滲氮齒輪鋼材的選用
2.3.1、滲氮齒輪鋼材對淬透性的要求
對氮化用鋼的材料選用含0.15~0.45％C普通合金結(jié)構(gòu)鋼，一般不宜選用碳鋼，因為碳是不利于滲氮元素，它降低氮的擴(kuò)散系數(shù)，使?jié)B氮速度減慢。例如45鋼，氮化后硬度不高（≥300HV1），但氮化后可大大提高抗腐蝕性。大鍛件滲氮一般常采用40Cr，35CrMo，42CrMo等鋼種。對于在循環(huán)彎曲載荷或接觸應(yīng)力較大的大鍛件，可采用18Cr2Ni4WA、18CrMnNiMoA、20Cr2Ni4A等鋼種。38CrMoAl鋼是典型的滲氮鋼，滲氮速度快，滲氮后表面硬度高，耐磨性及抗膠合性好。但是基體的強(qiáng)韌性不好，φ60mm鋼件淬火后，表面與心部的硬度差60HB左右，所以不宜用于大鍛件的滲氮；同樣，在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，滲氮鋼38CrMoAl作為制造大直徑的滲氮齒輪用鋼并不理想，因該鋼材只有在直徑小于50mm時才能完全淬透，鋼中含有較多的鋁會造成柱狀斷口，非金屬夾雜物多，在軋材中產(chǎn)生細(xì)微裂紋和發(fā)裂，在鍛件中針狀小氣孔增多。在熱加工時，容易過熱引起脆性斷裂，強(qiáng)度下降。在熱處理時易脫碳，并且對化學(xué)成分波動十分敏感，往往造成淬硬性和淬透性不夠，水淬時易產(chǎn)生裂紋，滲氮中易產(chǎn)生脆性相等缺點(diǎn)。因此38CrMoAl鋼不大適用于制造較大直徑的齒輪。只能根據(jù)工況條件適當(dāng)選用。
氮化齒輪的心部硬度直接影響滲氮層的支承能力。試驗表明，當(dāng)心部硬度由240~260HB提高到310~330HB時，接觸疲勞強(qiáng)度可提高30%。不僅如此，心部硬度的高低還通過影響滲層的表面硬度來影響齒輪的承載能力，因此，美國的有關(guān)技術(shù)文件規(guī)定，為了獲得足夠的表面硬度，要求心部硬度不能低于300HB。根據(jù)目前滲氮工藝所能達(dá)到的最大深度范圍和工業(yè)實踐經(jīng)驗，滲氮工藝適用于以下參數(shù)齒輪：對滲氮齒輪應(yīng)用的模數(shù)范圍，比較公認(rèn)的模數(shù)在2~10mm；載荷系數(shù)K≤3.0（KN/mm2）；線速度V≤120m/s；精度6級以下。
同時要指出的是根據(jù)目前的應(yīng)用統(tǒng)計表明，滲碳齒輪精度下降2~3級，而滲氮齒輪精度下降1~2級。
2.3.2、滲氮齒輪用鋼
滲氮齒輪用鋼見表5
式 表5 滲氮齒輪用鋼
齒輪用途 性能要求 推薦鋼號
一般用途 表面耐磨 20Cr 40Cr 20CrMnTi
在沖擊載荷下工作 表面耐磨，心部韌性高 30CrNi3 18CrNiWA 35CrMo 18Cr2Ni4WA
在重載荷下工作 表面耐磨，心部強(qiáng)度高 30CrMnSi 35CrMoV 42CrMo 25Cr2MoV
在重載荷及沖擊下工作 表面耐磨，心部強(qiáng)韌性高 40CrNiMoA 30CrNiMoA 30CrNi2Mo
精密傳動 表面耐磨，變形小 38CrMoAlA 30CrMoAl
2.3.3、齒輪鋼材滲氮層硬度參考范圍
鋼材 原始狀態(tài) 滲氮表面硬度
（HV5）
預(yù)備熱處理 硬度（HBS）
45 正火 250~400
20CrMnTi 正火 180~200 650~800
調(diào)質(zhì) 200~220 600~800
40CrMo 調(diào)質(zhì) 29~32HRC 550~700
40CrNiMo 調(diào)質(zhì) 26~27HRC 450~650
40CrMnMo 調(diào)質(zhì) 200~250 550~700
40Cr 正火 200~220 500~700
調(diào)質(zhì) 210~240 500~650
37SiMn2MoV 調(diào)質(zhì) 250~290 48~52HRC（超聲測定）
25Cr2MoV 調(diào)質(zhì) 270~290 700~850
20Cr2Ni4A 調(diào)質(zhì) 25~32HRC 550~650
18Cr2Ni4WA 調(diào)質(zhì) 27HRC 600~800
35CrMoV 調(diào)質(zhì) 250~320 550~700
30CrMoAl 正火 207~217 850~1050
調(diào)質(zhì) 217~223 800~900
38CrMoAlA 調(diào)質(zhì) 260 950~1200
我國熱處理在工藝水平和處理的產(chǎn)品質(zhì)量及壽命方面與國際上的先進(jìn)國家相比，差距比較懸殊。最主要的原因在于熱處理設(shè)備較落后，檢測手段簡陋，工藝管理薄弱。因此在逐步進(jìn)行技術(shù)改造和改進(jìn)設(shè)備的同時，加快技術(shù)引進(jìn)消化工作和依靠各種技術(shù)上的創(chuàng)新，使我國熱處理質(zhì)量水平有明顯提高。
五、熱處理技術(shù)展望
當(dāng)前，可控氣氛熱處理、真空熱處理、感應(yīng)熱處理和表面改性等少無氧化技術(shù)成為發(fā)展主流；清潔、節(jié)能和環(huán)保型熱處理技術(shù)成為可持續(xù)發(fā)展的熱點(diǎn)；計算機(jī)和IT技術(shù)使傳統(tǒng)熱處理技術(shù)現(xiàn)代化；新材料研究開發(fā)為熱處理技術(shù)提供了更加廣闊發(fā)展空間；先進(jìn)的熱處理制造技術(shù)正在走向定量化、智能化和精確控制的新水平。 | |
