20CrMnMo钢齿轮的质量问题及其对策
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1 常见问题
1． 1 大模数齿轮心部硬度及组织 1． 1． 1 心部硬度不足
对于大模数齿轮，用 20CrMnMo 钢制造，轮齿的 心部硬度较低，很难达到 ISO6336-5 2003《直齿和斜 齿齿轮的承载能力计算》第 5 部分 《材料的强度和 质量》ME 级齿 轮 心 部 硬 度 ≥30 HRC 的 要 求。例 如，某 12 模数 20CrMnMo 钢齿轮渗碳淬火后的心部 硬度值列于表 1，使用的淬火油为 355 分级油。
20CrMnMo 钢是常用的渗碳淬火齿轮用钢，用 于要求具有高强度和高耐磨性的重要齿轮，对于截 面较大的 零 件 也 同 样 适 用。 文 献［1］指 出，该 材 料 具有较高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度，在循环 次数 N = 107 ，接触疲劳强度在失效概率 P = 1% 时， 可达 2331． 242 MPa，而弯曲疲劳强度在失效概率 P = 1% 时，可达 448． 75 MPa，位于国家标准疲劳极限 区域图的中部，显示出了很好的综合性能。但如果 没有充分了解该材料的工艺特性，产品的生产会产 生 一 系 列 问 题。 本 文 通 过 几 个 实 例 介 绍 了 用 20CrMnMo 钢制造齿轮时发生的若干质量问题，同 时提出了相应的解决方案。
度。
20CrMnMo 钢齿 轮 渗 碳 后 的 淬 火 温 度 一 般 为
840 ℃ ± 5 ℃ ，若为了提高心部硬度，改善铁素体过
多的状况，可以提高到 850 ℃ ± 5 ℃ 。但提高淬火
温度的效果一般不是很明显，而且，淬火温度太高，
渗层表面的残留奥氏体量会比较多，对淬火硬度和
齿轮的接触疲劳强度不利。提高淬火冷却速度是最
processes are improperly perHale Waihona Puke Baiduormed，however，some quality problems will easily occur，such as undesirable core
hardness and core microstructure of large module gear， production of grinding cracks， and cracking after
Jiangsu； 2． Changzhou Heat Treatment Association，Changzhou 213000，Jiangsu）
Abstract： 20CrMnMo steel is commonly used for middle or high grade gear． If the carburizing and / or quenching
表 2 20CrMnMo 钢大齿轮渗碳并用 K 油淬火 后心部硬度 / HRC
Table 2 Core hardnesses of large-sized gear of 20CrMnMo steel carburized and quenched in K oil / HRC
等。图 3 是某轴齿轮磨削后出现了垂直于磨削方向 的磨削裂纹，造成了产品的批量报废。解剖实物后 发现，裂纹的两侧并没有出现脱碳、氧化现象，说明 不是锻造裂纹，组织中也没有出现大量的残留奥氏 体和网状碳化物。经过查证，磨削时的进给量在合 理的范围内，磨削时冷却足够充分，但是热处理工艺 为 840 ℃ ± 5 ℃ 直接快速油淬火，回火工艺为 160 ℃ × 4 h。因此，可断定是热处理的回火温度过低、 保 温 时 间 过 短 造 成 应 力 去 除 不 充 分 所 致。 20CrMnMo 钢的抗回火性较好，一般淬火后在 180 ～ 200 ℃ 回火比较合适［4］，不宜采用过低的回火温度。 另外，直接淬火时由于工件在炉内经过了较长时间 的渗碳，其热应力较大，因此，直接淬火的内应力要 比二次加热淬火的内应力大。同时，直接淬火的齿 轮残留奥氏体含量要比二次加热淬火的残留奥氏体 含量多，这也是直接淬火工件比二次加热淬火工件 更容易出现磨削裂纹的原因。经过提高回火温度， 适当延长回火时间有效地解决了齿轴磨削裂纹的问 题。
carburizing followed by air-cooling． The measures solving above problems were put forward．
Key Words： large module gear； 20CrMnMo steel； core microstructure； core hardness； crack
编号 1
2
3
4
5
2． 4 渗碳空冷时出现裂纹
33． 0 35 心部
34． 0 35 硬度
33． 5 34
34． 0 35． 5 36． 0
34． 0 35． 0 33． 5
35． 0 35． 5 34． 0
2． 2 心部组织粗大 心部组织粗大的主要原因是钢材原始奥氏体晶
粒过粗，从而造成在淬火后的晶粒度较粗。因此，在 材料采 购 时 必 须 对 本 质 晶 粒 度 作 出 规 定，按 照 EN10084 对表面淬硬钢奥氏体晶粒度的要求，奥氏 体晶粒度要细于 5 级。对同一种材料的齿轮，直接 淬火后的心部组织会明显比二次加热淬火的粗大。 主要原因是二次加热后，重新奥氏体化具有细化晶 粒的作用。但是如果经过直接淬火后再重新淬火， 心部组织仍然会比较粗大。原因在于低碳板条马氏 体的组 织 形 成 是 由 各 自 单 独 形 核 后 再 成 长 合 并 的［2］，因 此，经 过 多 次 淬 火 后 的 组 织 会 比 较 粗 大。 为此，对于 20CrMnMo 钢制齿轮，采用二次加热淬火 比较合适，淬火温度 840 ℃ ± 5 ℃ 比较合适，过高容 易引起心部组织粗大，过低则会引起心部铁素体含
大模数齿轮的心部硬度和显微组织达不到设计要求，产生磨削裂纹，有时渗碳后空冷也出现裂纹。
针对上述问题提出了相应的对策。
关键词： 大模数齿轮； 20CrMnMo 钢； 心部组织； 心部硬度； 裂纹
中图分类号： TG162． 73
文献标识码： B
文章编号： 1008 － 1690（ 2011） 02-0075-04
有效的办法。采用 K 油淬火，可以提高淬火件的冷
·76·
《热处理》 2011 年第 26 卷 第 2 期
却速度，有效改善心部组织（ 见图 6） ，提高齿轮的心 部硬度，见表 2。
图 6 20CrMnMo 钢齿轮渗碳并用 K 油淬火后的心 部组织 × 400
Fig． 6 Core microstructure of 20CrMnMo steel gear carburized and quenched in K oil × 400
櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡 ～ 现场经验 ～
櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡
20CrMnMo 钢齿轮的质量问题及其对策
黄 星1 ，杨 晟1 ，孙铭炎2
（ 1． 南车集团戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司，江苏 常州 213011 ；
2． 常州市热处理行业协会，江苏 常州 213000）
摘 要： 20CrMnMo 钢常用于制作中、高档齿轮，但若渗碳或淬火工艺控制不当，易出现一些质量问题，例如
Some Quality Problems and the Corresponding Solutions for
Gear of 20CrMnMo Steel
HUANG Xing1 ，YANG Sheng1 ，SUN Ming-yan2
（ 1． CSR Qishuyan Locomotive ＆ Rolling Stock Technology Research Institute Co．，Ltd．，Changzhou 213011，
量增加。
以，在宏观表象上由于网状碳化物造成的空冷开裂
2． 3 磨削裂纹
都是裂纹呈鱼网状。改进后的渗碳工艺为 920 ℃ ×
20CrMnMo 钢齿轮容易出现磨削裂纹，有关文 献表明［3］，出现裂纹的可能原因一般是硬化层残留
8 h（ Cp = 1． 2% ） + 920 ℃ × 6 h（ Cp = 0． 85% ） ，将扩 散期碳势降低，延长扩散时间，结果解决了渗碳后空
20CrMnMo 钢齿轮在渗碳空冷后出现裂纹是比 较少见的。图 3、图 4 是某型齿轮在渗碳后空冷出 现了裂纹，而且经检查发现，装在料筐外层的齿轮裂 纹较严重，装 在 中 间 位 置 的 齿 轮 则 未 出 现 该 现 象。 经过解剖，发现表面组织中存在大量长条状碳化物， 部分碳化物连接成网。热处理工艺为 920 ℃ × 8 h （ Cp = 1． 2% ） + 920 ℃ × 4 h（ Cp = 0． 95% ） ，由于扩 散时碳浓度过高，已经接近材料的碳浓度极限，极易 形成碳化物。同时，扩散期过短，造成齿轮的表面碳 浓度在短时间内很难降到设定值。因此，齿轮表层 的碳浓度过高，形成了大量长条状、局部成网状的碳 化物。由于碳强烈降低 Ms 点［2］，次表层的碳浓度 高于表层的碳浓度，则次表层的 Ms 点较表层要低。 因此，在空冷时，次表层先于表层发生马氏体转变， 转变的组织应力使表层形成拉应力，而表层由于已 经形成了网状碳化物，而碳化物属于脆性相，隔断了 基体的连续性，由此，在碳化物成网处造成了应力集 中，造成内部裂纹，应力沿晶界释放而造成开裂。所
1． 2 磨削裂纹 经渗碳淬火处理的 20CrMnMo 钢齿轮易出现磨
削裂纹，如图 3 所示。
2 对策
根据 20CrMnMo 钢容易出现的上述问题，通过 试验找到了相应的对策。 2． 1 心部硬度和组织
一般说，要 提 高 齿 轮 的 心 部 硬 度，解 决 心 部 铁素体过 多 的 问 题，可 以 采 用 的 方 法 主 要 有： 对 钢材的淬透性专门提出要求； 采用较高的淬火温
1． 1． 3 心部组织粗大 20CrMnMo 钢制齿轮渗碳后直接淬火组织容易
粗大，如图 2 所示。
图 2 渗碳后直接淬火的 20CrMnMo 钢齿轮 的心部粗大组织 × 400
Fig． 2 Coarse microstructure in core of 20CrMnMo steel gear hardened immediatly after carburizing × 400
《热处理》 2011 年第 26 卷 第 2 期
·75·
对于 20CrMnMo 钢制大模数齿轮，轮齿的心部 组织中有大块的甚至成片的铁素体，对心部强度造 成了不利影响，因为组织和强度是对应的。这种组 织如图 1 所示。
图 3 20CrMnMo 钢齿轮的磨削裂纹形貌 × 400 Fig． 3 Grinding crack in 20CrMnMo steel gear × 400
28
2 26． 5 27． 0 27． 0
3 25． 5 26． 0 26． 5
4 26． 5 26． 0 26． 5
5 27． 0 25． 5 26． 0
1． 1． 2 心部铁素体过多
收稿日期： 2010-05-06
作者简介： 黄 星（ 1978-） ，男，江西南康人，工程师，主要从事金属材料热处理工艺研究工作。联系电话： 0519 － 89808501 13775050220， E-mail： viphxing@ hotmail． com
1． 3 空冷裂纹 由于渗碳工艺不合理或者过程控制失误，齿轮
渗碳后空冷也会出现裂纹，其形貌见图 4，有空冷裂 纹的齿轮的显微组织见图 5。
图 1 20CrMoMn 钢大齿轮渗碳淬火后心部的铁 素体组织 × 400
Fig． 1 Ferrite in core of large-sized 20CrMnMo steel gear carburized and hardened × 400
表 1 一种 20CrMnMo 钢大齿轮用 355 油淬火后 的心部硬度 / HRC
Table 1 Core hardnesses of a large-sized 20CrMnMo steel gear carburized and quenched in 355 oil / HRC
编号 1
心部 27 硬度 26
奥氏体含量过多，回火不充分，砂轮选型和磨削进给 冷开裂的问题。
量过大，磨削时冷却不充分，组织中出现网状碳化物
1． 1 大模数齿轮心部硬度及组织 1． 1． 1 心部硬度不足
对于大模数齿轮，用 20CrMnMo 钢制造，轮齿的 心部硬度较低，很难达到 ISO6336-5 2003《直齿和斜 齿齿轮的承载能力计算》第 5 部分 《材料的强度和 质量》ME 级齿 轮 心 部 硬 度 ≥30 HRC 的 要 求。例 如，某 12 模数 20CrMnMo 钢齿轮渗碳淬火后的心部 硬度值列于表 1，使用的淬火油为 355 分级油。
20CrMnMo 钢是常用的渗碳淬火齿轮用钢，用 于要求具有高强度和高耐磨性的重要齿轮，对于截 面较大的 零 件 也 同 样 适 用。 文 献［1］指 出，该 材 料 具有较高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度，在循环 次数 N = 107 ，接触疲劳强度在失效概率 P = 1% 时， 可达 2331． 242 MPa，而弯曲疲劳强度在失效概率 P = 1% 时，可达 448． 75 MPa，位于国家标准疲劳极限 区域图的中部，显示出了很好的综合性能。但如果 没有充分了解该材料的工艺特性，产品的生产会产 生 一 系 列 问 题。 本 文 通 过 几 个 实 例 介 绍 了 用 20CrMnMo 钢制造齿轮时发生的若干质量问题，同 时提出了相应的解决方案。
度。
20CrMnMo 钢齿 轮 渗 碳 后 的 淬 火 温 度 一 般 为
840 ℃ ± 5 ℃ ，若为了提高心部硬度，改善铁素体过
多的状况，可以提高到 850 ℃ ± 5 ℃ 。但提高淬火
温度的效果一般不是很明显，而且，淬火温度太高，
渗层表面的残留奥氏体量会比较多，对淬火硬度和
齿轮的接触疲劳强度不利。提高淬火冷却速度是最
processes are improperly perHale Waihona Puke Baiduormed，however，some quality problems will easily occur，such as undesirable core
hardness and core microstructure of large module gear， production of grinding cracks， and cracking after
Jiangsu； 2． Changzhou Heat Treatment Association，Changzhou 213000，Jiangsu）
Abstract： 20CrMnMo steel is commonly used for middle or high grade gear． If the carburizing and / or quenching
表 2 20CrMnMo 钢大齿轮渗碳并用 K 油淬火 后心部硬度 / HRC
Table 2 Core hardnesses of large-sized gear of 20CrMnMo steel carburized and quenched in K oil / HRC
等。图 3 是某轴齿轮磨削后出现了垂直于磨削方向 的磨削裂纹，造成了产品的批量报废。解剖实物后 发现，裂纹的两侧并没有出现脱碳、氧化现象，说明 不是锻造裂纹，组织中也没有出现大量的残留奥氏 体和网状碳化物。经过查证，磨削时的进给量在合 理的范围内，磨削时冷却足够充分，但是热处理工艺 为 840 ℃ ± 5 ℃ 直接快速油淬火，回火工艺为 160 ℃ × 4 h。因此，可断定是热处理的回火温度过低、 保 温 时 间 过 短 造 成 应 力 去 除 不 充 分 所 致。 20CrMnMo 钢的抗回火性较好，一般淬火后在 180 ～ 200 ℃ 回火比较合适［4］，不宜采用过低的回火温度。 另外，直接淬火时由于工件在炉内经过了较长时间 的渗碳，其热应力较大，因此，直接淬火的内应力要 比二次加热淬火的内应力大。同时，直接淬火的齿 轮残留奥氏体含量要比二次加热淬火的残留奥氏体 含量多，这也是直接淬火工件比二次加热淬火工件 更容易出现磨削裂纹的原因。经过提高回火温度， 适当延长回火时间有效地解决了齿轴磨削裂纹的问 题。
carburizing followed by air-cooling． The measures solving above problems were put forward．
Key Words： large module gear； 20CrMnMo steel； core microstructure； core hardness； crack
编号 1
2
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2． 4 渗碳空冷时出现裂纹
33． 0 35 心部
34． 0 35 硬度
33． 5 34
34． 0 35． 5 36． 0
34． 0 35． 0 33． 5
35． 0 35． 5 34． 0
2． 2 心部组织粗大 心部组织粗大的主要原因是钢材原始奥氏体晶
粒过粗，从而造成在淬火后的晶粒度较粗。因此，在 材料采 购 时 必 须 对 本 质 晶 粒 度 作 出 规 定，按 照 EN10084 对表面淬硬钢奥氏体晶粒度的要求，奥氏 体晶粒度要细于 5 级。对同一种材料的齿轮，直接 淬火后的心部组织会明显比二次加热淬火的粗大。 主要原因是二次加热后，重新奥氏体化具有细化晶 粒的作用。但是如果经过直接淬火后再重新淬火， 心部组织仍然会比较粗大。原因在于低碳板条马氏 体的组 织 形 成 是 由 各 自 单 独 形 核 后 再 成 长 合 并 的［2］，因 此，经 过 多 次 淬 火 后 的 组 织 会 比 较 粗 大。 为此，对于 20CrMnMo 钢制齿轮，采用二次加热淬火 比较合适，淬火温度 840 ℃ ± 5 ℃ 比较合适，过高容 易引起心部组织粗大，过低则会引起心部铁素体含
大模数齿轮的心部硬度和显微组织达不到设计要求，产生磨削裂纹，有时渗碳后空冷也出现裂纹。
针对上述问题提出了相应的对策。
关键词： 大模数齿轮； 20CrMnMo 钢； 心部组织； 心部硬度； 裂纹
中图分类号： TG162． 73
文献标识码： B
文章编号： 1008 － 1690（ 2011） 02-0075-04
有效的办法。采用 K 油淬火，可以提高淬火件的冷
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《热处理》 2011 年第 26 卷 第 2 期
却速度，有效改善心部组织（ 见图 6） ，提高齿轮的心 部硬度，见表 2。
图 6 20CrMnMo 钢齿轮渗碳并用 K 油淬火后的心 部组织 × 400
Fig． 6 Core microstructure of 20CrMnMo steel gear carburized and quenched in K oil × 400
櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡 ～ 现场经验 ～
櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡
20CrMnMo 钢齿轮的质量问题及其对策
黄 星1 ，杨 晟1 ，孙铭炎2
（ 1． 南车集团戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司，江苏 常州 213011 ；
2． 常州市热处理行业协会，江苏 常州 213000）
摘 要： 20CrMnMo 钢常用于制作中、高档齿轮，但若渗碳或淬火工艺控制不当，易出现一些质量问题，例如
Some Quality Problems and the Corresponding Solutions for
Gear of 20CrMnMo Steel
HUANG Xing1 ，YANG Sheng1 ，SUN Ming-yan2
（ 1． CSR Qishuyan Locomotive ＆ Rolling Stock Technology Research Institute Co．，Ltd．，Changzhou 213011，
量增加。
以，在宏观表象上由于网状碳化物造成的空冷开裂
2． 3 磨削裂纹
都是裂纹呈鱼网状。改进后的渗碳工艺为 920 ℃ ×
20CrMnMo 钢齿轮容易出现磨削裂纹，有关文 献表明［3］，出现裂纹的可能原因一般是硬化层残留
8 h（ Cp = 1． 2% ） + 920 ℃ × 6 h（ Cp = 0． 85% ） ，将扩 散期碳势降低，延长扩散时间，结果解决了渗碳后空
20CrMnMo 钢齿轮在渗碳空冷后出现裂纹是比 较少见的。图 3、图 4 是某型齿轮在渗碳后空冷出 现了裂纹，而且经检查发现，装在料筐外层的齿轮裂 纹较严重，装 在 中 间 位 置 的 齿 轮 则 未 出 现 该 现 象。 经过解剖，发现表面组织中存在大量长条状碳化物， 部分碳化物连接成网。热处理工艺为 920 ℃ × 8 h （ Cp = 1． 2% ） + 920 ℃ × 4 h（ Cp = 0． 95% ） ，由于扩 散时碳浓度过高，已经接近材料的碳浓度极限，极易 形成碳化物。同时，扩散期过短，造成齿轮的表面碳 浓度在短时间内很难降到设定值。因此，齿轮表层 的碳浓度过高，形成了大量长条状、局部成网状的碳 化物。由于碳强烈降低 Ms 点［2］，次表层的碳浓度 高于表层的碳浓度，则次表层的 Ms 点较表层要低。 因此，在空冷时，次表层先于表层发生马氏体转变， 转变的组织应力使表层形成拉应力，而表层由于已 经形成了网状碳化物，而碳化物属于脆性相，隔断了 基体的连续性，由此，在碳化物成网处造成了应力集 中，造成内部裂纹，应力沿晶界释放而造成开裂。所
1． 2 磨削裂纹 经渗碳淬火处理的 20CrMnMo 钢齿轮易出现磨
削裂纹，如图 3 所示。
2 对策
根据 20CrMnMo 钢容易出现的上述问题，通过 试验找到了相应的对策。 2． 1 心部硬度和组织
一般说，要 提 高 齿 轮 的 心 部 硬 度，解 决 心 部 铁素体过 多 的 问 题，可 以 采 用 的 方 法 主 要 有： 对 钢材的淬透性专门提出要求； 采用较高的淬火温
1． 1． 3 心部组织粗大 20CrMnMo 钢制齿轮渗碳后直接淬火组织容易
粗大，如图 2 所示。
图 2 渗碳后直接淬火的 20CrMnMo 钢齿轮 的心部粗大组织 × 400
Fig． 2 Coarse microstructure in core of 20CrMnMo steel gear hardened immediatly after carburizing × 400
《热处理》 2011 年第 26 卷 第 2 期
·75·
对于 20CrMnMo 钢制大模数齿轮，轮齿的心部 组织中有大块的甚至成片的铁素体，对心部强度造 成了不利影响，因为组织和强度是对应的。这种组 织如图 1 所示。
图 3 20CrMnMo 钢齿轮的磨削裂纹形貌 × 400 Fig． 3 Grinding crack in 20CrMnMo steel gear × 400
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2 26． 5 27． 0 27． 0
3 25． 5 26． 0 26． 5
4 26． 5 26． 0 26． 5
5 27． 0 25． 5 26． 0
1． 1． 2 心部铁素体过多
收稿日期： 2010-05-06
作者简介： 黄 星（ 1978-） ，男，江西南康人，工程师，主要从事金属材料热处理工艺研究工作。联系电话： 0519 － 89808501 13775050220， E-mail： viphxing@ hotmail． com
1． 3 空冷裂纹 由于渗碳工艺不合理或者过程控制失误，齿轮
渗碳后空冷也会出现裂纹，其形貌见图 4，有空冷裂 纹的齿轮的显微组织见图 5。
图 1 20CrMoMn 钢大齿轮渗碳淬火后心部的铁 素体组织 × 400
Fig． 1 Ferrite in core of large-sized 20CrMnMo steel gear carburized and hardened × 400
表 1 一种 20CrMnMo 钢大齿轮用 355 油淬火后 的心部硬度 / HRC
Table 1 Core hardnesses of a large-sized 20CrMnMo steel gear carburized and quenched in 355 oil / HRC
编号 1
心部 27 硬度 26
奥氏体含量过多，回火不充分，砂轮选型和磨削进给 冷开裂的问题。
量过大，磨削时冷却不充分，组织中出现网状碳化物