非重载齿轮的低温表面合金化

奇奇

摘　要：渗碳工艺面临歧化并分别向4种模式发展。大多数非重载渗碳件将改用中碳调质钢并采用硫氮碳共渗或LTC-1等低温化学热处理。关键词：非重载齿轮；低温；表面合金化
分类号：TG156.8+1　文献标识码：A
% u4 u5 O$ _- }. b6 r. Y4 y+ ~文章编号：1001-1560(2000)01-0089-02
Low Temperature Surface Alloy for Non-Heavy Loading Gears
& z; q- h" H) P5 L- d- _2 }HU Yi-zheng
Abstract：Carburizing technology is facing with the divergently developing toward 4 kinds of technological modes.Midde carbon quenched and tempered steel and low temperature chemico-thermal treatments will be adopted for the most of the non-heavy loading gears.▲
　　非重载渗碳齿轮在渗碳件中最具有代表性。其低温表面合金化工艺适用于含碳量低于0.2%的碳素钢薄壁冲压件之外的所有非重载零件。
' Q2 m, @+ H) [, _1　表面强化工艺现状及存在问题
　　通常认为，厚度为1 mm的渗碳、淬火层或高频淬火后测至半马氏体处深约2 mm所能长时间承受的载荷(齿轮啮合面最大比压大约为600 MPa左右)属于轻载或较轻载荷。下面就此进行论述。
　　90%以上的非重载齿轮，目前仍以浅层渗碳(渗层厚度≤1.0 mm)→淬火→回火(精度高于6级的尚需磨齿以校正几何参数和提高光洁度)或高频淬火为主要强化手段。
; [9 m" s$ m5 Y　　高频淬火齿轮强度和韧性好，合格率很高，但耐磨性与抗疲劳性能远不及渗碳、淬火件，因而主要用于服役性能要求不高的变速齿轮和传递载荷轻的齿轮，且材质基本上只限于45钢、40Cr等几种调质钢。浅层渗碳齿轮中，渗层厚度＞0.5 mm者，质量通常较好，但厚度不均匀；渗层≤0.5 mm且需磨齿的小齿轮优质品率很低，甚至有可能产生10%以上的废品(因渗层偏薄处经磨削后过共析层、乃至共析层已不复存在)。总之，以上两种常用工艺都不能使优质品率达到令用户满意的程度。
/ X* H* E% }  S1 R* |, I2　渗碳工艺面临歧化
) x  a: T- \# t/ m6 Y& M　　我国已有两千多年历史的渗碳工艺目前正面临“4股道跑车”的局面。“分裂”并非消亡，而是驱使渗碳工艺向更高层次发展。
　　(1) 深层渗碳向高温离子(或真空)渗碳发展［1］冶金、矿山等重(大)型机器中的齿轮，要求渗碳层厚度达2.5～8.0 mm。我国目前有95%以上的渗碳件仍采用930±10 ℃的经典渗碳工艺，周期长达24～150 h以上。以渗层厚度δc=3.5～4.0 mm为例，保温时间长达48～60 h，生产效率很低。若改用高温(1 050±10 ℃)离子渗碳或真空渗碳并在同一台设备中完成旨在细化晶粒的循环加热淬火，处理周期仅14～18 h。约占渗碳件总量1/8的深层渗碳件，年产量达10×104 t以上，将长周期的常规渗碳改为高温离子(或真空)渗碳可节电5×108 kW.h，1年内节约的电费大体上可支付新设备添置费，从第2年起每年可节约电费1×108元。
　　(2) 稀土催渗向常规渗碳的渗透　渗层厚度为1.0～2.5 mm的常规渗碳件，我国每年不下50×104 t之多。渗碳的作业模式基本上维持气体法为主、熔盐法与固体法为辅的现行格局，但不久必将较普遍地采用稀土催渗。例如在有机溶剂兼供碳剂醇、苯中溶入稀土化合物，用于气体渗碳，可在温度与预期渗层厚度不变的前提下缩短周期20%～25%，或预期渗层厚度与保温时间不变的前提下降低温度20～30 ℃，以减小几何参数的变化。
　　(3) 浅层渗碳向低温化学热处理转化　除薄壁冲压件因必须采用塑性变形抗力小的08、08Al、A3等钢种而必须维持浅层渗碳工艺不变外，85%以上的齿轮等各种浅层渗碳件将转用中碳或中碳低合金调质钢，直接加工至成品后进行硫氮碳共渗(或氮碳共渗)，或以共渗为基础的复合处理。采用基体无相变的低温化学热处理取代浅层渗碳，是一场推陈出新的工艺革命，其优点如下：
' P0 f9 f/ i( H( ~' k1 }6 |　　①工件的几何参量(包括尺寸与形状)变化值大大减小，高精度齿轮等件亦无需磨削；
& z; G( [; M  T3 A　　②工序大为简化，节能50%～65%，加工成本降低30％～50%。以5级精度小模数齿轮为例，可将渗碳→淬火→低温回火→磨削4道工序简化为硫氮碳共渗或氮碳共渗1道工序；
5 L% `, u' Q2 l5 b　　③在熔盐中进行LT-A(硫氮碳共渗)、LT-B(氮碳共渗)或LTC-1B(氮碳共渗+氧化)处理时，因为活性成分CNO-与温度场均匀性好，强化效果及其重现性优良，合格率可达100%且优质品率可达90%以上，质量优于浅层渗碳件及高频淬火件。
8 q! M0 Y6 G9 H- g5 C& b& _/ C3　低温化学热处理的成功实践
　　70年代中后期，要求渗碳层厚度为0.3～0.5 mm的缝纫机伞齿轮与送布叉质量出现了不稳定局面。初步失效分析发现，凡耐磨性差的齿轮已于修正变形的磨削中减少了过共析层，乃至失去共析层，改用40 Cr加工至成品进行气体氮碳共渗效果良好。
) |# p, [. V9 M　　20世纪80年代初，德国Degussa公司与法国HEF研究所相继宣称，在改用调质钢前提下，以Tenifer TF1(盐浴氮碳共渗)、TF1+AB1(盐浴氮碳共渗后盐浴氧化)、Sursulf(盐浴硫氮碳共渗)取代渗层厚度为0.8 mm以下的浅层渗碳具有很好的效果和可观的效益［2,3］。
　　我所在开发与推广LT新工艺、开发推广LTC系列复合化学热处理新工艺过程中，高度重视用低温(基体无相变)化学热处理取代量大面广的浅层渗碳，1995年已向海外出口。
　　在“210”军品研制招标中，运载系统齿轮与操纵杆等的选材与表面强化工艺子项由我所中标。剖析国外产品知道：化合物层最高硬度HV0.025，max=841，HV≥350的硬化层浓度为0.17～0.18 mm；基体硬度HV=284；表层氮、硫、碳远高于基体。据此可认定，此是经过硫氮碳共渗处理的调质件。我国自制的齿轮采用调质→加工至成品→LT处理(盐浴硫氮碳共渗)的工艺获得了圆满成功。HV0.05,max=857，HV≥350的硬化层深度为0.24～0.25 mm，基体HV=302。海军工程大学按国际通用的D1N 51354标准进行了齿轮FZG承载试验(共分12级：12级最高，1级最低)，模数为4.5的5.5级精度齿轮是“210”军品上用量最大、最具代表性的零件。FZG试验则是考察齿轮承载能力、抗擦伤性能、磨损程度、噪音和润滑油温度等多项指标的综合检测。试验结果表明，硫氮碳共渗后化合物层与弥散相析出层之和约为0.25 mm厚时，其承载与耐磨能力与渗碳层厚1.0～1.2 mm的20CrMo钢淬火、回火齿轮相当。FZG试验、抗咬死试验(Falex试验)及耐腐蚀试验等结果见表。
表　“210”齿轮主要性能考核数据［4］

6 A! ~5 _* Y5 \	8 b) c4 B2 J# L; T# w9 N35CrMoV 6 b4 I9 N% o% j* ~, @+ V' g% k调质齿轮 & v6 g) @. r8 U/ p, n* z  ~. P+ |	9 P9 x  L; ^$ R& j  ]. f35CrMoV调质 4 L1 F/ Z# |9 B! {+硫氮碳共渗	2 Q1 i4 t* [8 k! V" g备　注
FZG承载级别 " `$ |; Q+ T2 D1 P0 w齿顶最大接触应力 1 y( _. D- u& `; o0 A  h) H- Q' @(N/mm2) " i0 Z, j% Z4 n' Z' d( f　节圆上的最大圆周力(N) / F3 D/ d* @  F: q$ K- q# u　可传递的最大功率(HP) 　磨损速率急剧增大的载荷(级) 5 C$ W/ H2 D3 d+ u- h7 d	1～4 984.4 1 392 # {- ?2 j, ?6 [) B$ L28.6 5	1～11 1 958.6～2 151.5 10 408～12 348 : u& |/ x" h. B120～140 12 / P* i& w8 F7 \5 Z5 R; e1 k	: _1 [# A9 o: ^# }: a# t9 e　FZG试验包括铁谱分析，原子光谱分析，油温监测及噪音量度。全面分析表明，共渗齿轮可取代渗层厚1.0～1.2 mm的渗碳、淬火、回火齿轮 4 \2 ~; }) L4 F$ F( i7 A
摩擦系数μ ) [$ A1 L4 f6 t- B8 [, X　咬死载荷(N)	; c' m" I/ n, b) `* K; v' l! W0.607 7 l9 u5 s, e1 l6 K2 178 9 q& F4 s: ~; W0 I4 J( J/ Z	* ?+ y/ A/ _9 ?6 P0.094 * c1 ~4 h* }  _# N+ Z! J' I6 g$ g11 780 / a- a- n& F4 W	! @# |& @1 F# e7 M5 t4 O4 m　离子渗氮件μ=0.163 7 @' i4 d+ e5 f咬死载荷为7 636 N $ F( \+ o; M3 K5 {# N( z7 D9 w
% E0 j( {9 N; ^2 @' P　按GB 6458-86在盐雾箱中出现锈斑的持续时间(h) + r. n6 r! L$ I% S5 N" L; |	4～6	144～192   t" a5 C. R* C! T1 M, K" f* g	化合物层致密区厚度须在8 μm以上 ) A+ ?2 A/ L, K0 n3 J- S

$ M4 S, q$ [. _每一套“210”军品出厂时，除装配332件齿轮与操纵杆外，还必须附上两套，即664件备品。备品及生产厂家成品仓库储存件必须具有在工业大气、海洋大气中耐蚀性优良的特性，其后的试验又证实采用氮碳共渗(或硫氮碳共渗)+氧化(LTC-1B或LTC-1A新工艺)处理的齿轮等件性能指标同样优良，且耐蚀性更佳。这项工作的重要意义在于证实共渗或共渗+氧化等低温化学热处理新工艺不仅可取代≤0.5 mm或≤0.8 mm渗碳、淬火和回火层，而且可取代厚达1.0～1.2 mm的渗碳、淬火和回火层。
　　我所与渭阳柴油机厂合作，将LT及LTC-1(包括A、B两型)新工艺用于军品及摩托车齿轮取代浅层渗碳，都获得了优良而又稳定的强化效果。
4　结　语
( x$ b3 ^0 _' I: R- C3 C2 E　　(1)除薄壁冲压件外，85%以上的浅层渗碳件应改用中碳钢或中碳合金结构钢，经调质并加工至成品状态进行氮碳或硫氮碳共渗。这项工艺改革不仅可获得优良而又稳定的强化效果，且大大简化了工序、节约了能源和降低了成本。
1 v8 H7 m3 W/ j" M# r　　(2)取代浅层渗碳的最佳工艺是LT与LTC系列的LT-A、LT-B、LTC-1B 3项低温熔盐化学热处理新工艺。
8 q. @5 g  u3 g7 f: k& [3 W(责任编辑　徐　军)
. p) @9 z1 o) m$ e, a* [; s8 @+ l; b作者简介：胡以正，教授级高工，享受国务院一级津贴；研究成果获国家级三等奖、湖北省一等
$ S0 v0 h! O- u　　　　　奖4项，部、院奖多项，其中《LT及LTC系列新工艺及应用》被列为国家重点推广项
! d" ]5 ^& K1 s　　　　　目，取得直接效益6000×104元；发表论文82篇，半数以上为《CA》，《MA》及苏日
　　　　　等国文摘转载；合著书藉九种；获发明专利两项；独立提出五则学术新观点；英国
　　　　　剑桥国际名人研究中心授予《20世纪全球2000名杰出人士奖章及奖状》并立传。
$ n; v+ z0 u; W* q作者单位：胡以正(武汉材料保护研究所　430030)
( s- q9 M  b& p: |9 z参考文献：
［1］胡以正.走向21世纪的渗碳工艺［J］.中国机械工程，1992(4)
［2］HEF.Sursulf-A Nitriding Treatment in a Non-polluting Salt Bath Accelerated With Sulphur［M］.［s.l.］:［s.n.］,1990.
［3］Degussa A G.Instrution for operating Tenifer TF-1 Bath［M］.［s.l.］:［s.n.］,1991.
［4］袁相春，胡以正，刘义仁.35CrMoV齿轮无污染硫氮碳共渗工艺的优化［J］.材料保护，1989(10)

nel1982

谢谢，奇奇，学习了！