40Cr钢齿轮低真空变压氮碳共渗

经处理后的废水无毒、无污染，可任意排放，且可作为
图３ ４０ｃｒ钢齿轮低真空变压氮碳共渗层金相照片×１５０ Ｆ培３ Ｍｉｃｍｓｔｍｃｔｕｒｅ ｏｆ ｎｉｔｍｃａｒｂｕｒｉｚｅｄ ｌａｙｅｒ ｆｏｒ ４０Ｃｒ
ｓｔｅｅｌ ｇｅａｒ ｗｉｔｈ ｌｏｗ ｖａｃｕｕｍ ｖａｒｙｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ×１５０
施之一。 ４．２工件表面预氧化
工件入炉后，在无保护气氛的情况下，将工件加热
由于工件在设定的低真空上下限的范围内自行循环
到３５０—４５０℃保温一段时间，使工件表面被空气氧化
变压加热渗氮，炉气在设定的周期内自行反复吐故纳 生成一层薄的氧化膜（６Ｆｅ＋４０：－÷２Ｆｅ，Ｏ。），该膜在渗
新，使盲孔、狭缝等工件的工作面仍可获得均匀的渗氮 层。如宽Ｏ．１６ ｍｍ、深１０ ｍｍ的狭缝件，缝壁处与外
４０Ｃｒ钢齿轮低真空变压氮碳共渗
陈希原（重庆义扬机电设备有限公司，重庆４０００３９）
摘要：介绍了用于４０ｃｒ钢摩托车主驱动齿轮气体氮碳共渗的ｗＬＶ—Ｉ型低真空变压表面处理多用炉的工作原理、 结构、工艺特点和生产过程及效果，并讨论了提高产品质量和优化生产过程的措施。实际生产使用表明，与常规 炉相比，低真空变压热处理工艺装备及技术具有显著的节能、减排、快速、高质量、低成本的特点，是“老三炉”更 新换代的理想产品。
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以新鲜炉气，易使工件各表面能与新鲜气氛接触，与常 规炉相比，可获得更致密均匀的渗层，进一步减少脆 性、疏松并防止内氧化。
表４各批主驱动齿轮氮碳共渗检验结果
Ｔａｂｌｅ ４ Ｎｉｔｒｏｃａｒｂｕ曲ｇ ｔｅｓｔｉＩＩｇ懈ＩＩＩｔｓ ｏｆ
ｍａｉｎ ｄ—Ｖｅ ｇｅａｒｓ ｉｎ ｅａｃｈ ｇｒｏｕｐ
竺警瓮爹琶奎，妻多的热处理工艺技术服爹与咨粤，已发表论
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图１ ｗＬＶ．Ｉ型低真空变压表面处理多用炉组成结构示意图 Ｆｉ昏１ Ｓｔｍｃｔｕｒｅ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ＷＬＶ·Ｉ ｔｙｐｅ ｌｏｗ ｖａｃｕｕｍ ＶａｒｙｉＩＩｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｍｕｈｉ—ｐｕｒｐｏｓｅ ｆｕｍａｃｅ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｇｅａｒ；１０ｗ ｖａｃｕｕｍ ｖａｒｙｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ；ｇａｓ ｎｉｔｒｏｃａｒｂｕｒｉｚｉｎｇ；ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ ａｎｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ 气体氮碳共渗是一种常用的表面化学热处理工 电器、高压气瓶、减压器、循环水箱等组成；②炉盖用
艺，它能大幅度地提高机械产品零件的表面硬度、耐磨 性、耐腐蚀性、抗咬合性和疲劳强度等性能。因此，为 了提高使用性能，某厂对出口国外的４０ｃｒ钢摩托车主 驱动齿轮按“下料＿＋锻造＿正火一粗车＿调质（２４一 ２８ ＨＲｃ）＿精车一滚齿＿剃齿”等工序机械加工后，为 了达到“节能、减排”和高质量的要求，经市场调研采 用佛山市扬戈炉业有限公司１９９８年研发并荣获国家 发明专利（发明专利号：ＺＬ９８１０４６８５）的ｗＬｖ—Ｉ型低真 空变压表面处理多用炉进行气体氮碳共渗热处理，取
经过多次试验和不同批次的试生产验证，确定采 用ＮＨ３＋ｃＯ：的气体氮碳共渗气氛，即以ＮＨ，为主作 为供应［Ｎ］的气体、以少量的ｃＯ：为辅作为供应［ｃ］
２．４氮碳共渗工艺 主驱动齿轮按“清洗－＋烘干＿装炉－＋预氧化一排
气－＋氮碳共渗一鼓风降温＿换气－＋出炉”的工艺流程 进行批量生产，其优化出的工艺参数见表３，工艺曲线 见图２所示。
ＷＬＶ—Ｉ’ｒｙｐｅ ｌｏｗ Ｖａｃｕｕｍ ｖａｒｙｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｍｕｌｔｉ—ｐｕｒｐｏｓｅ ｆｕｎｌａｃｅ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｉｎ
ｇａｓ ｎｉｔｒｏｃａｒｂｕｒｉｚｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ４０Ｃｒ ｓｔｅｅｌ ｍｏｔｏｒｂｉｋｅ’ｓ ｍａｉｎ ｄｒｉＶｅ ｇｅａｒ．Ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｆｏｒ ｅｎｈａｎｃｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔ ｑｕａｌｉｔｙ
氮气氛中会优先被还原成新生态的铁（Ｆｅ，Ｏ。＋４ＣＯ＿ ３Ｆｅ＋４ＣＯ，）。新生态的铁具有很强的表面活性，可促
表面的渗氮质量几乎无差异。 （５）辅料消耗少、处理成本极低排气阶段借助
使［Ｎ］、［Ｃ］工件表面的吸收，可以显著提高渗氮件的 渗层均匀性和实现催渗、缩短渗氮时间Ｍ Ｊ。４０Ｃｒ钢主
２ 主驱动齿轮氮碳共渗工艺及效果
２．１ 技术要求
壬‘… 荐二 矗工 ；” 体７氮”碳”共”渗”后…，’检“测“产＂…品“应盥达列到“表“１规“
万方数据
定的要求。
表１主驱动齿轮氮碳共渗技术要求
Ｎｉｔ舢ｒｂｕ曲ｇ ＴａＭｅ ｌ
ｔｅｃｈＩｌｉｃ出ｓｐｅｃｉｆｉ∞廿叽
ｏｆ ｍａｉｌＩ ｄｒｉｖｅ ｇｅ卵
橡胶条密封，用水冷套冷却橡胶；③炉气冷却器：保 证阀和管的安全；④水箱：未分解氨溶于水，水箱中 的硫酸亚铁自行消除炉气中出现的［ｃＮ］，使设备成 为环保设备；⑤鼓风机：可缩短渗氮保温结束至出炉 的炉内冷却时间，提高生产率；⑥鼓风热量排口：炉 口侧面２—３个，快速降温鼓风时拉出打开，平时关 闭。另外，特殊的炉罐内测温装置和供气通道也是 该炉的一大特色。
温度／℃
时间／ｈ
炉压／ＭＰａ ＮＨ３流量／Ｌ－ｈ一１
３５０
１．０
５７０士１０
５．０ ＞１．８０ ＜Ｏ．５０
０．０２
—０．０７
＞３０
２．５—３．Ｏ
＜１５０
＜３．０
＋Ｏ．０ｌ
＜０．３０
￡ ㈤℃／
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５７０±１０℃
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（３）装炉量大，可密装 在低真空变压渗氮处 理过程中，可迅速排出工件各处的老化气氛，新鲜 气氛可渗透到罐内的任一角落，工件可密装或堆 积，如两块１５ ｍｍ×１５ ｍｍ的铯加工平板件相互紧贴
农用肥料，为绿色热处理。 （８）操作简单工作期间，按经试验确定的渗剂流
量进行自动“抽气．供气一保压”的循环低真空变压，无 需测分解率；一段渗氮具有常规炉二、三段渗氮的特 点。一般情况下，无需采用二、三段渗氮，简化了工艺， 一人可操作多台设备。
《金属热处理》２００８年第３３卷第８期
１４３
万方数据
素ｓ、０）的多元素共渗、低温奥氏体碳氮共渗、薄壁
件浅层强化及使用蒸馏水的蒸汽氧化处理和少无氧
化光亮加热等原在常规炉需用几台炉才能完成的工
艺，功能之多，居群炉之冠。
（７）无污染工作期间产生的废气被抽到室外的密
封水箱中溶解（水中加有消除毒物的无毒化学药品），
的气体。该炉服役时，ＮＨ，、ｃＯ：两种气体是分别按设 置的流程以一定的方式断续供气和抽气，全部操作自 动循环完成。
表２ ＷＬＶ４５Ｉ渗氮炉主要技术参数
ＴａｂＩｅ ２ Ｍａｉｌｌ ｔｅｃｈＩ“ｃａｌ ｐａｒ蛐ｅｔｅｒ ０ｆ ＷＬＶ．４５Ｉ
Ｉｌｉｔｒｉｄｉｎｇ＾Ｉｍ觚ｅ
２．２渗氮设备规格参数
选用ｗＬＶ４５Ｉ低真空变压渗氮炉，其主要技术参 数见表２。 ２．３氮碳共渗的渗剂和供气、抽气方式
渗氮后，其紧贴面与裸露面的渗氮质量无明显差别；使 装炉量较常规炉增加一倍以上，如７５ ｋｗ低真空变压
硬度不足的问题。在同一调质热处理工艺规范下，原 材料的分炉管理是保证工件调质硬度均匀性的重要措
渗氮炉可装１０００ ｋｇ，而常规同样大小的炉仅装 ４００ ｋｇ。
（４）盲孔、深孔、狭缝等工件可获得均匀的渗氮层
表３主驱动齿轮氮碳共渗工艺参数
Ｔａｂｌｅ ３ ＴｅｃｈＩｌｉｃａｌ ｐａ阳Ｉ玳蛔瞎０ｆ ｍａｉｎ ｄｒｉｖｅ ｇｅａｒ’ｓ ｌｌｉｔｒｏ∞ｒｂｕｒｉｚｉｎｇ ｐｒｏｃｅ姆
预氧化
氮碳共渗
降温（满载）
…。 …，． 渗剂流量／Ｌ．ｈ一１
真空压力／ＭＰａ Ｐ乐保持
每周期供
影二 温度／℃时间／ｈ 温度Ｎ／ 毗 ｈ上 Ｃ压 Ｏ， Ｎ如ｃ下压叫ｌ叫／暑下、０１ｆＨＪ７“衄
术要求。
３ 低真空变压化学热处理的主要特点
（１）提高渗层质量在加热下的低真空变压式的
件在５８０℃×４ ｈ低真空变压氮碳共渗，其白亮层＞
ｏ．０１２咖，而常规氮碳共渗则需用８ ｈ；３８ｃｒＭｏＡｌ钢件 在５４０℃×１０ ｈ低真空变压渗氮，其渗层＞０．３姗，
抽气和供气可迅速排出工件各处的老化气氛，随之代
相当于常规渗氮４０ ｈ的效果Ⅲ。
检查变形，其主驱动齿轮氮碳共渗批量生产后的检查
注：采用不腐蚀的方法检查表面疏松口１
（２）提高渗速、缩短生产周期、显著提高质量在 加热下的变压抽气不但对钢件表面有脱气和净化作 用，提高了工件表面活性和对所渗元素的吸附能力，而 且在炉内低真空状态下，气体分子的平均自由程增加，
结果如表４所示，渗层金相组织见图３，满足表ｌ的技 扩散速度加快，一般提高渗速１５％以上。如４０Ｃｒ钢
配置的抽真空装置，可迅速抽出炉内的空气及老 化气氛，换气时间比常规缩短６０％以上。该设备在炉 底侧装有大风量的鼓风机，渗氮结束后可立即实现罐 内强制快冷，即炉罐外用风机吹强风加速罐内工件冷 却，缩短冷却时间。炉壳上部的排气孔排气散热。如 ４５ ｋｗ低真空变压渗氮炉在满装（４００ ｋｇ／炉）的情况 下，由５８０℃降温至１５０℃，仅需３ ｈ，而老炉仅靠自然 炉冷则需要１０ ｈ以上。
图２ ４０ｃｒ钢主驱动齿轮气体氮碳共渗工艺曲线
２．５
Ｆｉ昏２ Ｇ鹪ｎｉｔｒｏｃａ小Ｉｌｒｉｚｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓ８ ｃｌｌⅣｅ
ｏｆｍａｉｎ ｄｒｉｖｅ ｇｅａｒｆｏｒ４０Ｃｒ ｓ妇ｌ
氮碳共渗质量检验结果
抽取产品制样，采用ＭＭ６金相显微镜测定氮碳共
渗层深度和检验表面疏松，采用ＨＸ一１０００型显微硬度
计测定表面硬度，载荷砝码３００ ｇ。采用齿轮专用量具
得了非常好的效果。
１ 低真空变压表面处理多用炉结构
特点
ＷＬＶ—Ｉ型低真空变压表面处理多用炉的组成结
构如图１所示。与常规气体渗氮炉相比，该炉增加 了以下几个装置：①抽气、供气系统：主要由水环真
—— 空泵或真空泵、真空压力表、电磁阀、流量计、时间继
作者简介：陈希原（１９５７一），男，浙江温岭人，高级工程师，主 要从事低真空变压热处理、热处理淬火介质、激光表面强化和
ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｐＩ’ｏｄｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗｅｒｅ ａｌｓｏ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｆ．ｕｒ—
ｎａｃｅ，１０ｗ Ｖａｃｕｕｍ Ｖａｒｙｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇ）ｒ ｈａｓ ｏｕｔｓｔａｎｄｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｓａＶｉｎｇ， ｈｉｇｈｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ，ｆａｓｔｅｒ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｌｏｗｅｒ ｃｏｓｔ．Ｉｔ ｉｓ ａｎ ｉｄｅａｌ ｐｒｏｄｕｃｔ ｒｅｐｌａｃｉｎｇ ｏｌｄ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｆ．ｕｍａｃｅｓ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｂｏｘ ｔｙｐｅ ｆｈｒ－ ｎａｃｅ，ｐｉｔ ｔｙｐｅ ｆｕｍａｃｅ ａｎｄ ｓａｌｔ ｂａｔｈ ｆｕｍａｃｅ．
４ 提高产品质量和优化工艺的讨论
４．１工件渗氦前的调质硬度 文献［５］试验分析了４０ｃｒ、３５ｃｒＭｏ、３８ｃｒＭｏＡｌ钢
等常用渗氮材料对渗氮硬度和渗层深度的影响，结果 表明：提高其调质硬度，渗氮层表面硬度将随之提高， 渗氮层硬度梯度明显改善。生产中应重视工件渗氮前 的调质硬度，将４０Ｃｒ钢件的调质硬度控制在２５０一 ２８０ ＨＢＳ（２５—２９．５ ＨＲｃ），可有效地解决渗氮件表面
关键词：齿轮；低真空变压；气体氮碳共渗；节能减排
中图分类号：ＴＧｌ５６．８
文献标识码：Ａ
文章编号：０２５４＿６０５１（２００８）０８ｍ１４２Ｊ咐
Ｌｏｗ Ｖａｃｕｕｍ Ｖａｒｙｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｇａｓ Ｉｌｉｔｒｏｃａｒｂｕｒｉｚｉｎｇ ｏｆ ４０ Ｃｒ ｓｔｅｅｌ ｇｅａｒ
ＣＨＥＮ Ｘｉ·ｙｕａｎ
（Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｙｉｙａｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００３９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ， ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｅｃｈｎｏｌｏｇ）ｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ， ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｐｍｄｕｃｔｉｏｎ ｅｆｋｃｔ ｏｆ