大模数重载人字齿轮轴硝盐淬火工艺

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作者：顾晓明

单位：常州天山重工机械有效公司

来源：《金属加工（热加工）》杂志

大模数重载人字齿轮轴作为轧机中重要的运动与动力传动零件，要求人字齿轮轴具有高的接触强度与抗弯强度，其齿面硬度要求58～62HRC，一般采用17CrNiMo6材质，渗碳淬火工艺。目前，重载人字齿轮轴淬火冷却介质普遍采用快速淬火油，在冷却性能、成本、稳定性，及环保方面具有一定劣势。而硝盐与油相比，具有诸多优势，本文着重研究大模数重载人字齿轮轴硝盐淬火工艺。

一、热处理技术要求

重载人字齿轮轴如图1所示，零件参数、材质性能参数和化学成分分别见表1、表2、表3。热处理技术要求为表面硬度58～62HRC，心部硬度35～45HRC，有效硬化层深4.5～5.0mm，图样要求硬化层深≥2.75mm。表面组织为马氏体3级，心部组织3级，残留奥氏体2级，碳化物2级。热处理质量检测按JB/T 6141.3－1992《重载齿轮渗碳金相检验》执行。

图1 重载人字齿轮轴

表1 重载人字齿轮轴参数

材质	齿数	法向模数/mm	齿形角（°）	全齿高/mm	螺旋角（°）
17CrNiMo6	34	23	20	54.5	28

表2 17CrNiMo6性能参数 （℃）

材质	MS	Ac1	Ac3
17CrNiMo6	400	730	820

表3 重载人字齿轮轴化学成分（质量分数）（%）

C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Mo
0.19	0.25	0.62	0.0024	0.005	1.60	1.52	0.28

该重载人字齿轮轴渗碳淬火存在以下技术难点：①硬化层深4.5mm以上，渗碳时间长，碳化物控制困难。②有效截面达f945mm，油淬不能满足大截面零件高温冷却速度要求，而盐浴可通过介质温度、含水量的控制在高温区实现高于油的冷却能力，难点在于合理选择温度及含水量。③由于零件有效截面大，盐浴淬火在分级前期盐浴以及后期空气中冷却均较缓慢，相对油而言，淬火后残留奥氏体较多，难点在于如何选择合适的工艺，消除残留奥氏体的同时，保证表面、心部获得合格组织。

二、试验工艺

人字齿轮轴热处理采用f1300mm渗碳炉，零件处于炉体中心，齿部与辐射管距离均等，保证零件加热及冷却中热量传递均匀，减小热应力变形。渗碳淬火工艺采用重新加热路线，试验盐浴配方为50％KNO₃+50％NaNO₂，熔点140℃，采用分级淬火路线，即心部组织在盐浴中转变，表面组织在空气中转变，从而减小应力，减小变形。从组织质量、成本方面分析工艺可行性。工艺曲线如图2～4所示。

图2 渗碳工艺曲线

图3 渗碳后高温回火工艺曲线

图4 淬火回火工艺曲线

三、试验结果与分析

1.试验结果

试验结果如表4、表5所示，金相组织如图5、图6所示。试验工艺实施后，存在以下问题：①本体心部硬度31～33HRC，低于技术要求（35～45 HRC）。②f45mm×90mm试样表面硬度58～58.5HRC，偏技术要求下限。③心部5级游离铁素体组织，呈块状及条状。

表４人字齿轮轴热处理试验结果

碳化物（级）	马氏体及残余奥氏体（级）	心部铁素体（级）	心部晶粒度（级）	本体齿面硬度HRC
1	1	5	7	60～62
内氧化深度/um	脱碳层深度/um	有效硬化层深度（550HV1）/㎜		本体心部硬度HRC
16	26	4.50		31～33

表５人字齿轮轴试样硬度值分布

距表面距离/mm	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	1.0	2.0	3.0	4.0	4.3	4.9
硬度值HV1	661	673	667	663	668	669	649	624	571	560	530

图5 表面组织

图6 心部组织

2.试验结果分析

（1）心部不合格

齿轮轴本体心部硬度不足，存在较多量的游离铁素体，铁素体为软性相，心部过量铁素体的存在直接导致心部硬度不足。心部铁素体超标主要由以下几个因素导致：①原材料为3级带状组织，淬火后心部组织呈马氏体与游离铁素体区交替分布，如图6所示。带状偏析为C、Mn、Cr、Mo等元素的微观偏聚，合金含量的缺乏将导致奥氏体化临界点Ac3提高至820℃以上，在820℃奥氏体化条件下，合金成分缺乏区将为非完全奥氏体化，存在未溶铁素体，淬火后未溶块状铁素体将遗传至室温状态；同时由于合金元素缺乏，导致淬透性能下降，淬火冷却时由于冷却能力达不到偏析区马氏体形成的临界冷却速度，导致冷却时析出条状铁素体。②含水量0.5%的190℃硝盐淬火冷却介质的高温区冷却能力不足。硝盐介质的冷却性能主要由含水量及温度决定，硝盐淬火过程中没有蒸汽膜阶段，高温区冷却速度很快，所以对于厚壁工件可以获得较佳的心部淬火组织。硝盐含水量对于盐浴的冷却性能十分关键，未加水的盐浴其冷却性能较差，通过向硝盐中加水可以大幅提高其高温冷却性能。随着硝盐温度提高，其冷却性能降低，但盐温提高又加快硝盐的流动性，能促进冷却，因此选择合适的盐温及含水量对冷却性能影响显著。渗碳齿轮硝盐含水量一般控制在0.4%～1.5%，此次试验盐温（190℃）偏高，同时含水量（0.5%）较少，未能大幅提高水盐混合介质的汽化热值，导致介质整体高温冷却性能不佳。

（2）试样表面硬度偏低 f45mm×90mm试样热处理后表面硬度仅58～58.5HRC，远低于本体齿面60～62HRC，表面硬度差异影响硬化层曲线走势，导致试样有效硬化层数值不能真实反映本体硬化层数值。由检测数据以及工艺路线可知，硬度偏低主要是由于回火温度较高且时间较长所致，本质原因在于试样尺寸较小，其抗回火性较差。对于17CrNiMo6渗碳齿轮而言，一般低温回火温度高于200℃后将产生明显的高碳马氏体软化现象，在170～180℃区间回火，随着时间的延长，高碳马氏体软化不明显。

试验工艺是专为零件本体而制定，由于硝盐淬火奥氏体稳定化严重，淬火后存在一定数量的残奥，回火温度必须达到210℃才可使残留奥氏体转变。该工艺路线虽然回火温度高、时间长，但由于零件有效截面大，需要很长时间才可完全烧透，其回火后零件仍可达到60HRC以上，但该工艺对小截面试样却不适用。f45mm试样回火4h即可达到回火目的，实际上回火时间长20h，高碳马氏体软化明显。

（3）表面组织 目前国内对于17CrNiMo6材质零件，考虑到合金元素含量较高等原因，在其渗碳后普遍采用高温回火处理，其目的在于：①降低淬火后残留奥氏体量。②对断续细网状碳化物进行球化处理。③消除渗碳后空冷产生的马氏体组织遗传效应，细化表面晶粒。④消除应力，减小变形。

从试验结果来分析，碳势值设置为0.65%，4段渗碳法，强扩比缩小至1.2～1.5，表层淬火后无可见碳化物，说明通过有效的渗碳工艺手段可以解决表面碳浓度控制难题。

试验渗碳出炉温度为760℃，处于17CrNiMo6两相区内，此时出炉相当于空淬，导致表面产生马氏体或下贝氏体组织。由于马氏体组织遗传效应，重新加热时其表面马氏体会进一步长大，产生粗针马氏体，所以760℃出炉必须进行高温回火处理，但这就造成成本增加，生产周期延长。若将出炉温度降低至650℃，由于零件在炉内退火冷却，表面、心部均获得平衡组织，重新加热时形核率增大，表面奥氏体晶粒细化。通过650℃出炉工艺可以消除组织遗传效应，细化组织，达到高温回火目的，替代高温回火工艺。

四、工艺优化

基于以上论述，对重载人字齿轮轴进行如下工艺优化：

（1）取消渗碳后高温回火处理，通过渗碳工艺手段避免表面形成超标碳化物，渗碳650℃出炉，取消高温回火。

（2）淬火工艺采取先840℃保温，消除未溶铁素体，降低偏析区奥氏体化温度，提高淬透性能；快冷至820℃保温淬火获得优良表面组织，降低残留奥氏体数量，减小高碳马氏体针长度。盐温降低至160℃，含水量提高至1.0%，以获得更快的高温区冷却速度，防止心部形成游离铁素体；同时盐温降低可有效减轻奥氏体稳定化现象，表面残留奥氏体数量减少。优化后淬火工艺曲线见图7。

（4）回火工艺优化为210～220℃×5h+170～180℃×20h。第一次回火温度较高，消除残留奥氏体。递减式回火路线在消除应力，稳定组织的同时，避免了试样过回火问题，使试样的检测结果更真实地反映本体状态，检测结果更具比照性。

图7 优化后淬火回火工艺曲线

工艺优化后，试验结果见表6、表7，零件金相组织如图8、图9所示。优化工艺后：①有效解决心部铁素体超标问题，心部组织为100%马氏体，心部硬度由31～33HRC提高至38～40HRC。②试样表面硬度与零件齿面硬度相吻合，试样的硬化层分布、有效硬化层深可以真实反映零件本体。③取消了渗碳后高温回火工艺，表面残留奥氏体＜5%，马氏体呈隐针及细针状，无可见碳化物，表面组织满足技术要求，验证了高温回火工艺的可替代性。

表6 工艺优化后试验结果

碳化物（级）	马氏体及残留奥氏体（级）	心部铁素体（级）	心部晶粒度（级）	本体齿面硬度HRC
1	1	1-2	7	60～61.5
内氧化深度/um	脱碳层深度/um	有效硬化层深度（550HV1）/㎜		本体心部硬度HRC
15	20	4.62		38～40

表7 工艺优化后试样硬化值分布

距表面距离/mm	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	1.0	2.0	3.0	4.0	4.3	4.9
硬度值HV1	687	700	710	705	714	685	658	630	586	565	538

图8 工艺优化后表面组织表9 工艺优化后心部组织

采用上述优化工艺，处理了10余件大模数人字齿轮轴，各项检测结果均满足技术要求，检测结果验证了该优化工艺的可行性。