蒋秋娥，莫竞芳，宋海峰，王 倩，朱 旭，余 杰
(江麓机电集团有限公司，湖南 湘潭 411100)
摘 要：通过将12CrNi3等低合金渗碳材料热处理工艺由传统的气体渗碳处理、常规的碳氮共渗(氰化)热处理升级为精准可控的稀土氰化热处理，缩短了热处理工艺时间，提高了齿轮强度以及氰化层的干摩擦性能、抗滑动磨损性能。对于生产高性能的12CrNi3材料齿轮提供了理论分析数据及一些实践经验。
关键词：12CrNi3等低合金渗碳材料齿轮；渗碳；碳氮共渗(氰化)；稀土氰化；气氛控制
Abstract： Through upgrading of heat treatment technology for low-alloy carburizing material such as 12CrNi3, i.e. The traditional gas carburizing treatment and routine carbonitriding (cyaniding) heat treatment are replaced with accurate controllable rare-earth cyaniding heat treatment. The heat treatment technological time is shortened, resulting in enhanced gear strength as well as improved dry friction performance and anti-sliding wearability of cyanided layer. Theoretical analytical data and practical experience are provided for production of high performance gears using 12CrNi3 material.
Key words: gears using low-alloy carburizing material such as 12CrNi3, carburization, carbonitriding (cyaniding), rare-earth cyaniding, atmosphere control
一般对于齿轮材料的设计，性能要求为高的弯曲疲劳强度、接触疲劳强度和耐磨性，以及较高的强度与韧性；而影响齿轮疲劳强度的主要因素为芯部硬度、有效层深、渗层及芯部的金相组织、表面硬度以及表层残余应力分布等。影响齿轮材料性能的关键在于齿轮材料的选择及其热处理。
选择齿轮材料重点应考虑钢的淬透性和钢的本质细晶粒度。合金渗碳钢具有良好的淬透性和淬硬性，在热处理过程中芯部能够得到显著的强化作用，即齿轮的芯部容易得到低碳马氏体。材料的化学成分是影响钢种淬透性的最主要因素[1]。以重载荷用材料12CrNi3为例，其化学成分见表1。
表1 齿轮材料的化学成分(质量分数) (%)
CSiMnPSCrNi0.10～0.170.20～0.400.90～1.20≤0.04≤0.040.60～0.902.75～1.75
12CrNi3高级渗碳钢的淬透性较高，退火比较困难，一般采用调质处理，使硬度降低到<35 hrc，以满足切削加工。由于非渗碳表面未经防护处理(如镀铜、刷防渗涂料等),因此渗碳后需要进行高温回火，降低硬度，便于切去非渗碳表面的渗碳层。材料加工成齿轮需进行复杂的化学热处理，使芯部硬度达到31～41="" hrc，表面硬度≥60="">
热处理是齿轮质量控制的关键工序，热处理质量的好坏直接影响到齿轮的齿面啮合与使用寿命。传统的齿轮热处理工艺为气体渗碳工艺、少部分采用碳氮共渗(氰化)工艺。以前由于热处理设备的装机水平与控制水平问题，氰化工艺往往得不到良好的渗层组织性能。笔者研究采用计算机控制，控制渗层层深、表面硬度、表面渗层的含碳量、组织碳化物及残余奥氏体的形态分布、硬度梯度等要素，得到了良好的渗层质量和最小的变形量。在此基础上，笔者还研究了稀土氰化工艺，齿轮的热处理工艺时间缩短，也使得碳氮共渗表层组织结构得到改善，稀土氰化后的渗层组织显微分布均匀平缓，使齿轮氰化层的干摩擦性能和抗滑动磨损得到明显提升，显著提高了齿轮性能。
齿轮气体渗碳热处理工艺参数见表2。
表2 齿轮气体渗碳热处理工艺参数
渗碳温度/℃淬火温度/℃第1次第2次冷却介质回火温度/℃冷却介质900～950860780油200水、空气
合金钢渗碳处理一般在初磨之后、精磨之前，其渗碳温度一般为900～920 ℃。表面渗碳处理是将含碳的钢放到碳势高的环境介质中，通过让活性高的碳原子扩散到钢的内部，形成一定厚度且碳含量较高的渗碳层，再经过淬火、回火，使工件的表面层得到碳含量高的钢，而芯部因碳含量保持原始浓度而得到碳含量低的合金钢。合金钢的硬度主要与其碳含量有关，故经渗碳处理和后续热处理，可使工件获得外硬内韧的性能。渗碳处理的作用是提高表面层的耐磨性，同时保持芯部有高的耐冲击能力，即强韧性。
1.1 气体渗碳热处理工艺流程
12CrNi3钢齿轮气体渗碳工艺流程如下：900～920 ℃渗碳→650～700 ℃高温回火→780～800 ℃油淬→-70～-40 ℃冰冷处理→150～200 ℃低温回火。
1.2 生产试验结果
渗碳层硬度≥58 HRC。渗碳层碳化物扩散层较浅，约为0.15 mm。淬透性≤50 mm，芯部组织较粗大。12CrNi3钢在860 ℃第1次淬火加热时，碳化物的熔解少，基体的w(C)=0.10%～0.17%，w(Cr)=0.6%～0.9%，硫和磷的碳化物熔解更少，镍为主要元素。
渗层硬度、表面硬度散差和芯部组织均未达到产品使用效果，渗层硬度不均匀，芯部硬度偏高。
2.1 碳氮共渗(氰化)工艺用设备
在12CrNi3齿轮的氰化工艺研究过程中，设备选用具有较高控制水准的试验用井式氰化炉。该设备的工作温度为800～950 ℃，加热功率为120 kW，质量特性见表3。
2.2 生产试验中采用的碳氮共渗(氰化)工艺
12CrNi3齿轮碳氮共渗热处理工艺图如图1所示。
图1 12CrNi3齿轮碳氮共渗热处理工艺图
表3 设备(井式氰化炉)质量特性
特性参数参数值工作区温度区间/℃830～950(热稳态后检测)工作区温度均匀度/℃≤5(热稳态后检测)气氛控制氧探头+集成式控制器+CO/CO2双通道红外分析仪+质量流量控制器,实现渗碳/氰化工艺过程的动态自动闭环控制碳势控制精度/CP≤±0.02碳势均匀性/CP≤±0.05碳势控制范围/CP0.2%～1.5%氰化层深范围/mm0.4～1.5渗碳/氰化层深偏差≤10渗层碳化物等级≤2级碳氮化合物等级≤2级马氏体+奥氏体等级≤2级芯部铁素体等级≤3级工艺气体耗量工艺氮气/m3·次-13.5(1bar、DN25)安全氮气/m3·次-125(1bar、DN25)甲醇/m3·h-12.5～3.5(1bar)丙酮/m3·h-12.5～3.5(1bar)氨气/m3·次-11.5(1bar)
2.3 氰化工艺实施要点
1)排气。工件在炉温升到工作温度时装炉并开始排气，控制有害气体O2、CO2等的含量<>
2)氰化温度选择。一般温度选择在820～880 ℃，并根据产品的种类及要求进行调整。氰化温度越高，渗层氮浓度越低，而碳浓度越高；氰化温度越低，则渗层氮浓度高而碳浓度会降低。氰化温度高，马氏体与残余奥氏体偏高；氰化温度低，芯部铁素体析出，造成芯部硬度偏低。因此本文选择(850±10) ℃为试验氰化温度。
3)气氛及其炉压的选择。在炉内供入氨气、甲醇时，随着富化气氛量的增加，氰化速度不同：起始阶段随着氮、碳的含量提高，氰化速度加快，但过量后，氰化速度反而降低，且会出现齿轮渗层不均匀的现象。炉压一般控制在300～350 Pa。上述数字均编入计算机程序，实现温度、气氛含量、流量和炉压的自动供给、自动测量、自动比对与调整。
2.4 力学性能测试结果
采用氰化工艺后，试样的力学性能测试结果见表4。
表4 试样的力学性能测试结果
冲击试验扭转试验薄片弯曲试验冲击韧性/kg·m·cm-3表面硬度/HRC芯部硬度/HRC扭矩/kg·m扭角/(°)断裂强度/kg·mm-2表面硬度/HRC7.360.84328.119122061.1
12CrNi3材料齿轮的氰化热处理试验结果说明，齿轮氰化后抗弯强度得到很大提升，端口敏感性小，齿轮塑性显著提高。
在完善12CRNi3材料的氰化工艺后，研究采用混合运用稀土催渗工艺，即采用稀土镧为催渗剂。理论上，在12CrNi3材料齿轮中添加稀土有活化与催渗作用，可以显著地降低氰化工艺时间，也能有效地改善渗层组织性能，提高齿轮的表面力学性能。
3.1 试验方法
对于12CrNi3材料齿轮，采用上述氰化工艺，从氰化工艺变化及其稀土剂量变化的2个试验方向进行相关探讨与试验。
第1组：稀土剂量的起始加入量为混合剂的1%，其他工艺条件不变，然后分别增加加入量的1%、2%、3%、…、15%，共进行了15炉次的试样研究。
第2组：固定稀土加入量为8%，强渗时间依次为6、5、4、3、2和1 h，共进行了6炉次的试样研究。
3.2 试验结果
稀土含量变化与渗层深度试验结果见表5。
表5 稀土含量变化与渗层深度试验结果
稀土含量/%渗层深度/mm稀土含量/%渗层深度/mm10.5190.8420.55100.830.58110.7240.62120.6550.70130.6260.74140.5670.78150.580.81
表5试验结果显示，稀土的催化活化作用与其加入量有一定的变化规律。随着稀土浓度的增加，其渗层深度基本有线性的跟随，到达稀土加入浓度峰值9%后，随稀土浓度的增加，其渗层深度显著降低。同时，在试样的切片金相中发现，稀土加入浓度超越峰值9%后，试样出现了块状碳氮化合物，试样性能显著降低。
加入稀土后，氰化时间变化与渗层深度见表6。
表6 氰化时间变化与渗层深度试验结果
氰化强渗时间/h渗层深度/mm11.021.131.1541.2151.2261.22
表6试验结果显示，在稀土氰化工艺中，稀土具有较大的共渗动力影响。在日常前期的1～2 h内，其活化催渗作用尤其明显，随着共渗时间的延长，其催渗动力显著弱化；共渗时间>5 h后，稀土的活化催渗作用几乎没有显示。因此，从科学设置工艺参数以及控制生产成本方面考虑，可以确认将稀土共渗时间设置为3～4 h为最佳。从整体氰化工艺时间来看，加入稀土催渗后，氰化渗速比未加稀土时提高约20%。
通过上述研究，可以得出如下结论。
1)12CrNi3齿轮气体渗碳热处理后，渗层硬度、表面硬度散差和芯部组织均未达到产品使用效果，渗层硬度不均匀，芯部硬度偏高。
2)12CrNi3齿轮的氰化热处理试验结果说明，齿轮氰化后抗弯强度得到很大提升，端口敏感性小，齿轮塑性显著提高。
3)稀土的催化活化作用与其加入量有一定的变化规律。随着稀土浓度的增加，其渗层深度基本有线性的跟随，到达稀土加入浓度峰值9%后，随稀土浓度的增加，其渗层深度反而降低。从科学设置工艺参数以及控制生产成本方面考虑，可以确认将稀土共渗时间设置为3～4 h为最佳。
参考文献
[1] 李泉华. 热处理实用技术[M]. 北京：机械工业出版社，2000.
责任编辑 郑练
JIANG Qiu’e, MO Jingfang, SONG Haifeng, WANG Qian, ZHU Xu, YU Jie
(Jianglu Machinery & Electronics Group Co., Ltd., Xiangtan 411100, China)
中图分类号：TG 156.1
文献标志码：A
作者简介：蒋秋娥(1975-)，女，高级工程师，大学本科，主要从事金属材料及热加工等方面的研究。
收稿日期：2017-06-14
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