牛人总结！常用Cr-Ni系渗碳钢齿轮的热处理工艺

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Cr-Ni系渗碳钢具有较高的强韧性，用于传递功率大、齿轮表面载荷高、有冲击、形状复杂的重要齿轮，如重载汽车、坦克车、铁路机车、风力发电、汽轮机、冶金与轧钢机械、船舶与航空发动机等装备上的齿轮。常用Cr-Ni系渗碳钢有12CrNi3、20CrNi、12Cr2Ni4、20CrNi3、20Cr4Ni4、17Cr2Ni2（德国ZF1钢）、18Cr2Ni4WA等。

1.齿轮锻坯预备热处理工艺

表1为常用Cr-Ni系渗碳钢齿轮锻坯预备热处理工艺。

表1  常用Cr-Ni系渗碳钢齿轮锻坯预备热处理工艺

牌号	工艺	硬度与组织
12Cr2Ni4	余热正火900~950℃；高温回火630~680℃	硬度207~260HBW
20CrNi	余热等温退火：锻坯终锻切边后，以40~50℃/min的冷却速度冷却到珠光体转变温度650~680℃，并保温至完全转变为珠光体	硬度157~207HBW，珠光体＋贝氏体
17Cr2Ni2（ZF1）	正火940℃×2h，空冷；高温回火650℃×3h，空冷	硬度170~217HBW，铁素体＋回火索氏体
20Cr2Ni4	正火920℃，空冷；高温回火620~630℃，空冷	硬度180HBW左右，珠光体＋少量铁素体
20CrNi3、18Cr2Ni4WA	正火880~940℃，空冷；高温回火650~700℃	硬度207~269HBW，粒状或细片状珠光体＋少量铁素体
20CrNi3	等温正火：加热（930±10）℃，风冷；等温温度（670±10）℃	硬度170~260HBW，铁素体＋珠光体＋贝氏体

2.齿轮渗碳淬火及回火热处理工艺

常用Cr-Ni系渗碳钢齿轮渗碳淬火、回火热处理规范及硬度见表2。

表2  常用Cr-Ni系渗碳钢齿轮渗碳淬火、回火热处理规范及硬度

钢号	渗碳温度 /℃	淬火		回火		表面硬度 HRC
		温度/℃	介质	温度/℃	介质
20CrNi	900~930	800~820	油	180~200	—	58~63
12CrNi3	900~920	810~830	油	150~200	空气	—
12Cr2Ni4	900~930	770~880	油	160~200	空气	≥60
20Cr2Ni4	900~930 900~950	780~820 810~830	油	160~200 150~180	空气	≥58
18Cr2Ni4WA	900~940	840~860	油	150~200	空气	≥56

3.齿轮二次加热淬火温度

（1）二次（重新）加热淬火  Cr-Ni系渗碳钢齿轮在渗碳结束后缓冷至室温，重新加热至轮齿心部Ac₃以上温度进行淬火，以细化奥氏体晶粒，改善心部组织，消除渗碳层的网状碳化物，可以提高抗弯曲疲劳强度20%左右。常用Cr-Ni系渗碳钢齿轮二次加热淬火的加热温度见表3。

表3  常用Cr-Ni系渗碳钢齿轮二次加热淬火的加热温度

钢号	加热温度/℃	冷却介质
20CrNi	810~830	水或油
12CrNi3	760~800	油
12Cr2Ni4、20Cr2Ni4	840~860	油或空气

（2）渗碳齿轮的两次淬火  Cr-Ni系渗碳齿轮渗碳结束缓冷至室温，先进行一次高于心部Ac₃以上温度的淬火，以细化心部晶粒并消除渗碳层网状碳化物。这一温度对于渗碳层来说是太高了，因而必须再进行一次高于渗碳层Ac₁温度，但低于Acm温度的淬火以改善渗碳层组织。常用Cr-Ni系渗碳钢齿轮两次淬火的加热温度见表4。

表4  常用Cr-Ni系渗碳钢齿轮两次淬火的加热温度

钢号	一次淬火		二次淬火
	加热温度/℃	淬火冷却介质	加热温度/℃	淬火冷却介质
20CrNi	860	油	760~810	油
12Cr2Ni4 20Cr2Ni2	840~880	油或空气	760~800	油或空气

4.齿轮渗碳后的热处理方式

（1）热处理工艺的选择  不同钢材的齿轮经渗碳（碳氮共渗）后，根据要求进行不同的淬火及回火处理，其工艺见表5。

（2）冷却方式的选择  渗碳（碳氮共渗）后不直接淬火的Cr-Ni系渗碳钢齿轮的各种冷却方式参见表6。

表5  常用Cr-Ni系渗碳钢齿轮渗碳后的各种热处理方式

钢号	齿轮类型	热处理工艺
12CrNi3 20CrNi3 12Cr2Ni4 20Cr2Ni4 18Cr2Ni4WA	渗碳齿轮	渗碳900~920℃→冷却（冷却方式选择见表6）→再加热（12CrNi3、20CrNi3、12Cr2Ni4、20Cr2Ni4：［（800±10）℃①；18Cr2Ni4WA：（850±10）℃］）→淬火（油或碱槽（200℃±30）℃×5~10min后，空冷）→冷处理（－70~－80℃×1.5~2h）→回火
	渗碳后需要进行机械加工的齿轮	渗碳→冷却→高温回火（650±10）℃×5.5~7.5h，空冷（18Cr2Ni4WA则应随炉冷至350℃以下出炉空冷②）→再加热→淬火→回火
	一般渗碳后，心部硬度过高的齿轮	淬火可按以下规范进行：18Cr2Ni4WA：（850±10）℃保温后，快速放入280~300℃碱槽中，保持12~20min，转入560~580℃硝盐浴中保持30~50min油冷
	碳氮共渗齿轮	碳氮共渗830~850℃→直接淬火（油或碱槽，马氏体分级淬火，18Cr2Ni4WA可在空气中淬火）→冷处理→回火
	碳氮共渗后还需进行切削加工的齿轮	碳氮共渗→冷却（冷却方式的选择参考表6）→高温回火→淬火→回火

注：①渗层残留奥氏体过多或心部硬度过高，可降低淬火温度至760℃。如果心部硬度偏低、铁素体量过多，

可提高淬火温度至850℃。

②回火硬度应不高于35HRC。个别零件硬度偏高，可再进行一次680~700℃高温回火。

表6  渗碳、碳氮共渗后冷却方式（直淬除外）的选择

钢号	冷却方式	操作要求
12CrNi3、 12Cr2Ni4、 18Cr2Ni4WA	空冷	气体或盐浴渗碳、碳氮共渗后采用空冷时，表面易形成一定的贫碳层，影响齿轮的使用性能，为此适当降温后出炉并单独摆开，以增加冷速，减少脱碳
	在冷却井中冷却	冷却井为四周盘有蛇形管通水的带盖容器。齿轮自井式渗碳炉中移入冷却井内冷却后，应向其中通入保护气或滴入煤油以保护齿面不脱碳、氧化（可先在冷却井中倒入适量甲醇）
	在700℃等温盐浴中保持一段时间后空冷	盐浴渗碳或碳氮共渗后此冷却方式。齿轮出炉空冷时温度较低，可减少齿面脱碳
20CrNi3、 20Cr2Ni4	在缓冷坑中冷却或油冷	20CrMnMo等这类钢的齿轮如渗碳后空冷，易产生表面裂纹，需要慢冷至550~650℃等温回火

全文请查看《金属加工（热加工）》杂志19期