深层渗碳工艺 缓冲渗碳 南京高精齿轮集团有限公司 （江苏２１００１２） 朱百智汪正兵钮堂松刘臻 １．缓冲渗碳工艺简介 本文以２０ＣｒＭｎＭｏ大模数齿圈为例，分别采用 ２０ＣｒＭｎＭｏ作为优质渗碳钢，具有淬透性好， 两段渗碳（强渗 扩散）一球化退火一淬火一回火 韧脆转变温度低，价格比高级优质渗碳钢低等优 工艺和缓冲渗碳（强渗、多道扩散）一淬火一回火 点。然而，２０ＣｒＭｎＭｏ大模数齿圈进行深层渗碳 工艺，并对试验结果进行分析对比，详细阐述缓冲 （层深≥３．Ｓｍｍ）处理后，渗碳层中的碳化物往往 渗碳工艺的推广价值。 呈网块状分布。有资料表明，渗后采用球化退火工 ２．试验材料及渗碳工艺 艺可改善碳化物分布，但工艺周期长、设备成本明 （１）２０ＣｒＭｎＭｏ大齿圈模数２５，外形尺寸 显增加，为了有效解决这一问题，本文设想在深层 ２４６０ｍｍ Ｘ １９００ｍｍ×５４０ｍｍ，零件重约８ｔ， 渗碳的强渗中间过程增加多道扩散工艺，从而控制 ２０ＣｒＭｎＭｏ渗碳试棒尺寸 ４０ｍｍ×１ １０ｍｍ。 齿圈表面碳势，以便在渗碳层中获得理想的碳化物 （２）两段渗碳采用德国ＳＣＨＭＥＴＺ公司制造 分布形态，根据这一思路，我单位设计了缓冲渗碳 的大型井式渗碳炉，工艺曲线如图１所示。炉膛有 工艺。 效尺寸为 ２８００ｍｍ×２０００ｍｍ，热处理过程采用计 在对不同材料的渗碳淬火工艺进行了１Ｏ多年的 算机在线控制，炉温均匀性为±５℃，碳势均匀性为 研究基础上，本文对缓冲渗碳与两段渗碳淬火工艺 ０．０２％。渗碳后，又对渗碳件及随炉试棒进行了３次球 特点进行了对比分析，如附表所示。 化退火处理。最后，进行了淬火、低温回火处理。 缓冲渗碳和两段渗碳工艺对比 方案 缓冲渗碳＋淬火回火 两段渗碳＋淬火回火 包含多个（强渗 仅包含强渗＋扩散 ＼／ ＼＼§６Ｏ出 工艺思路 ＋扩散）循环过程， 两个阶段，工艺思 强渗 扩散 降温Ｊ＼炉 工艺思路复杂 路简单 ６０ ２０ ２ ｆ 渗碳保温 较长 较短 时间。 图１大模数齿圈两段渗碳工艺曲线 质量稳定 组织形态良好， 组织超标风险 性 质量稳定 高，质量不稳定 （３）缓冲渗碳缓冲渗碳工艺过程曲线如图２ ２０Ｃ ｒＭ ｎＭ Ｏ、 ２０Ｃ ｒＮｉ２Ｍ Ｏ、 所示，该工艺所选用的设备与两段渗碳工艺相同。 １ ７ Ｃ ｒ Ｎ ｉ Ｍ Ｏ ６、 ２０Ｃｒ２Ｎｉ４、４３２０、 缓冲渗碳后，也进行了淬火回火处理。 适用材料 １ ７ Ｃ ｒ Ｎ ｉ ２ Ｍ Ｏ、 １ ２ Ｃ ｒ ２ Ｎ ｉ ４及 ２０ＣｒＭｎＴｉ及８８２２等 １２Ｃｒ２Ｎｉ３等碳化物 碳化物形成元素含 形成元素含量较低 量较高的钢种 的钢种 适用层深 深层渗碳（≥ 无层深范围 范围。 ３．５ｍｍ）推荐使用 Ｄ 时间ｍ 注：①以层深相同为前提。 ②对应适用材料。 图２大模数齿圈缓冲渗碳工艺曲线 参《Ｉ｝ ～燕 笔 蠹 ７ １ ｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｆｏｒｕｍ ｒｌ、技术论坛 ３．工艺结果与分析讨论 （１）组织形态大模数齿圈同炉试棒经不同渗 富集。因此，渗层表面的碳浓度容易超过临界值， 碳化物首先在奥氏体的晶界上析出，呈网状分布。 随着时间的延长或碳浓度进一步提高，网状碳化物 可能向晶内长大，碳化物也可能单独在晶内析出， 呈角状、块状分布。 由图３ｂ可知，经两段渗碳＋球化退火＋淬火回火 工艺处理后，２０ＣｒＭｎＭｏ渗层组织由回火马氏体、 碳＋淬火回火处理后，渗碳层（距表面０．３ｍｍ）金 相显微组织如图３所示。 残留奥氏体、小块状碳化物组成。由此可见，在 Ａｃ。±５０℃的条件下，角状、块状碳化物的尖角部 分溶解于基体中，使碳化物呈小块状、球状。 由图３ｃ可知，经缓冲渗碳＋淬火回火工艺处理 （ａ）深层渗碳 后，２０ＣｒＭｎＭｏ渗层组织由回火马氏体、残留奥氏 体以及弥散分布于回火马氏体基体上的细颗粒状碳 化物组成。这说明，缓冲渗碳获得了理想的碳化物 分布形态。缓冲渗碳对碳化物形态的改善作用的原 因有：①在深层渗碳中增加多道扩散过程，可有效 降低零件表面碳势，使奥氏体中碳原子的浓度不易 超过临界值。②如果在渗碳过程中已经形成网状碳 化物，但形成的时间很短，碳化物不致长大，在这 ４００× 种情况下，及时进行扩散，网状碳化物能够重新溶 解。③与 ｃ ±５０￣Ｃ球化退火相比，在９３０￣Ｃ进行扩 散（碳浓度０．８％），碳化物溶解的驱动力要大得 多。因此，由图３ｂ和图３ｃ对比可知，缓冲渗碳比球 （ｂ）深层渗碳＋球化退火 化退火工艺更能有效改善碳化物的分布形态。 （２）硬度梯度与零件齿面硬度大模数齿圈同 炉试棒经不同渗碳＋淬火回火处理后， ４０ｍｍ试 棒硬度梯度曲线如图４所示。 ４００× 至 （ｃ）缓冲渗碳 图３不同渗碳工艺的渗层组织 由图３ａ可知，经两段渗碳＋淬火回火工艺处理 后，２０ＣｒＭｎＭｏ渗层组织由回火马氏体＋残留奥氏 渗碳层／ｍｍ 体＋网状、块状碳化物组成。形成网状、块状碳化 物的原因有：①由于２０ＣｒＭｎＭｏ含有碳化物形成元 素Ｃｒ、Ｍｎ￣ＨＭｏ，使零件表面吸碳能力增强，提高 图４渗碳层内的硬度梯度曲线 由图４可知，两段渗碳工艺获得渗层表面硬度 约为７５０ＨＶ，心部硬度约为４８０ＨＶ，渗层的有效硬 化层深为５．２６ｍｍ／５５０ＨＶ；缓冲渗碳工艺获得渗层 表面硬度约为７４０ＨＶ，心部硬度约为４８０ＨＶ，渗碳 层的有效硬化层深为５．９５ｍｍ／５５０ＨＶ。与Ｃ 相比， 了奥氏体中的碳浓度。②在相同体积条件下，与齿 轮（轴）类零件相比，因齿圈类零件表面积较小， 活性碳原子更容易吸附于零件表面，这也大幅增加 了奥氏体中的碳浓度。③深层渗碳强渗阶段的中后 期，由于渗层内浓度梯度减小，活性碳原子扩散驱 动力减弱，不易向内部扩散而更趋向于在渗层表面 的硬度梯度分布更为合理，从而保证了渗层表面 有足够的残余压应力，渗层内部也不致有较大的残 余拉应力，这使渗层的抗冲击能力进一步提高。 ８霉 箩瑚鹧ｍｅｔｏｌｗｏｒｋ ｌｎｔｌｇＳＯ ，ｃｏ ｍ鳞 垂磊 ’， Ｖ 热舡 “一’。一 快速气体渗氮工艺： 高温渗氮和稀土催渗 南京高速齿轮制造有限公司 （江苏２１１１００） 陈贺叶小飞刘臻 常规气体渗氮扩散速度慢，工艺时间较长。 如大模数风电内齿圈获得０．５ｍｍ渗氮层，一般需要 相和Ｙ相中的扩散速度，大幅缩短渗氮时间，提高 渗氮效率。②可以降低能源消耗。③降低因渗氮时 间过长导致表面硬度下降的风险。 ５０ｈ，甚至更长的时间。较长时间的渗氮一方面造 成生产效率的降低，另一方面会造成零件畸变的增 加，从而降低齿轮的精度等级，影响产品质量。因 此，应积极寻求解决措施，提高生产效率。 一采用高温渗氮工艺的缺点包括：①渗氮温度 高，合金氮化物聚集长大速度快，渗氮层表面硬度 下降明显。②采用高温渗氮，工件变形倾向加大。 容易降低工件的精度等级，甚至需要增加精加工处 、高温渗氮及其质量控制 理。③对工件的预备热处理要求较高，要求具有较 高的回火温度，以及充分的去应力处理。 １．高温渗氮简介 以提高表面硬度和强度为目的的常规气体渗氮 ３．应用案例 以风电增速箱内齿圈表面处理为例介绍高温渗 氮工艺的应用，内齿圈基本信息如表１所示。 表１内齿圈基本信息 工艺温度一般在５２０℃左右，高温渗氮是指采用更 高的工艺温度（一般在５４０～５８０￣Ｃ），在相同的氨 分解率下，提高钢件表面的吸氮能力和氮原子的扩 散能力，因而提高了渗氮速度。高温渗氮最高工艺 温度一般根据零件畸变情况和预备热处理温度进行 选择。 零件预备热处理为调质，回火温度５８０℃左 右，调质后零件硬度在２９０ＨＢＷ左右。预备热处理 温度至少需比氮化温度高２８￣Ｃ，氮化最高工艺温度 碳，采用两段渗碳工艺，容易导致渗层表面形成网 状和块状碳化物。而采用缓冲渗碳工艺，可在渗层 ２．高温渗氮的优缺点 采用高温渗氮具有以下优点：①提高氮在ｖ 对两种不同工艺处理后的零件齿部进行了硬度 测试，测试结果表明，经两种不同工艺处理后，零 件齿面硬度接近，在５９ＨＲＣ左右，这足以保证齿面 表面获得弥散分布的细颗粒状碳化物，有效改善了 有足够的接触疲劳强度。 （３）工艺运行时间对比两段渗碳＋球化退火 ＋淬火回火工艺运行总时间为２５９ｈ，缓冲渗碳＋淬火 渗层中的碳化物形态。 （２）缓冲渗碳＋淬火回火工艺使渗层内硬度梯 度变化合理，齿圈齿面硬度达￣ＩＪ５９ＨＲＣ左右，满足 了高速重载齿轮的使用要求。 （３）缓冲渗碳＋淬火回火工艺明显缩短了工艺 回火工艺运行总时间为１５６ｈ。这充分说明，缓冲渗 碳工艺极大地缩短了工艺周期、降低了制造成本。 ４．结语 （１）对于２０Ｃ ｒＭｎＭｏ大模数齿圈的深层渗 周期，大幅降低了制造成本。ＭＷ （２０１２０３１０） 争磊 …塾 ９
