渗碳齿轮的盐浴淬火

渗碳齿轮的盐浴淬火

【关键词】渗碳齿轮盐浴

【摘要】本文对渗碳齿轮的盐浴淬火技术进行了系统的介绍，对其中的关键问题进行了探讨。【keywords】carburized gear liquid salt

【abstract】In the paper, the technique about the carburized gear quchening in liquid salt is totally introduced, and the key problems of this are discussed.

1 前言

在热处理行业，根据组份和配比，盐浴可用来对工件进行加热，能起到防止工件氧化脱碳的作用，也可用于工件的淬火冷却，如ADI球铁的淬火处理、轴承的贝氏体等温淬火处理等，能够使工件获得优异的性能。

作为渗碳齿轮，其淬火冷却介质最常用的是淬火油，其缺点是淬火时产生油烟，损耗量较大，生产成本高。盐浴作为渗碳齿轮淬火冷却介质在国外（特别是欧美等工业发达国家）于上世纪六十年代就获得应用并推广，该技术于八十年代在国内开始应用，但一直未获得推广。

本文对渗碳齿轮的盐浴淬火技术进行了系统的介绍，对其中的关键问题进行了探讨。

2盐浴淬火技术探讨

2.1盐浴淬火机理

渗碳齿轮典型的盐浴淬火工艺如图1。

图1 渗碳齿轮的盐浴淬火工艺

上述工艺中，盐浴温度设定稍高于材料的Ms点（注：该Ms点指的是齿轮渗碳后表层材料的Ms点），一般在145~170℃之间。表1显示了几种典型齿轮材料的Ms点和盐浴温度。因此，从本质上来讲，渗碳齿轮的盐浴淬火为“盐—空”分级淬火。齿轮加热奥氏体化后，先进行盐浴冷却，心部将在盐浴中发生马氏体转变，而渗碳表层材料的马氏体转变将在空冷时进行。由于空气是缓和的冷却介质，因此采用盐浴淬火会降低齿轮的淬火应力，从而减少齿轮的淬火变形。

表1 典型渗碳齿轮钢的Ms点及盐浴温度

2.2盐浴的成分与配比

渗碳齿轮的淬火盐浴属于低温盐浴，因此，应选用熔点低的硝盐来配置。表2是几种盐浴的熔点和常用温度。

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渗碳齿轮的淬火盐浴。

2.3盐浴淬火的成本

相对于淬火油来讲，齿轮采用盐浴淬火可降低生产成本。一方面，从一次性投资来讲，KNO3价格约0.70万元/吨，NaNO2价格约0.35万元/吨，故上述配方的盐浴价格约0.525万元/吨，而专业热处理用淬火油价格约1.4万元/吨，因此，采用盐浴的一次性投资远低于淬火油。另一方面，淬火油属于有物态变化的淬火介质，易老化，损耗大，需要补充和维护，来满足淬火冷却的要求；而盐浴属于无物态变化的淬火介质，不易老化，并且由淬火工件带出的盐可回收利用，因此，盐浴的维护成本远低于淬火油。从上述两方面来说，齿轮采用盐浴淬火可降低生产成本。

2.4盐浴淬火的控制

2.4.1渗碳齿轮采用盐浴淬火后的组织与性能

为考察渗碳齿轮采用盐浴淬火后的质量，用典型的渗碳齿轮钢20CrMnMo、17CrNiMo6制成齿轮实物（模数10），渗碳后分别采用油、盐浴淬火，经处理后解剖，检验其组织与性能。检验结果[1]见表3、4。从检验结果来看，渗碳齿轮采用盐浴淬火后的组织和性能均满足要求，并且盐浴淬火齿轮的心部强度高于油淬齿轮，其主要原因是盐浴高温区（心部Ms点以上温度区）的冷却能力高于淬火油。

表4 渗碳后油、盐浴淬火的性能

2.4.2渗碳齿轮盐浴淬火的变形及控制

前面已提到，渗碳齿轮采用盐浴淬火可减少其淬火变形。统计结果表明，在其它参数相同情况下，相对于淬火油，渗碳齿轮采用盐浴淬火可降低30%左右的淬火变形。淬火变形的降低可减少淬火后的机加工量，提高齿轮精度。这里要介绍的是通过调整盐浴的冷却能力来控制齿轮的淬火胀缩。

无水的盐浴冷却能力较差，还不如普通淬火油，因此不能满足渗碳齿轮淬火冷却的要求。通过向盐浴中加入水则可大幅度提高其冷却能力，特别是高温区的冷却能力，这正是理想化淬火介质所需要的。图2显示了无水盐浴、加1%wt水盐浴的冷却能力及与淬火油的比较。

图2 无水盐浴、加1%wt水盐浴与淬火油的冷却特性在允许范围内，盐浴的冷却能力随着水含量的增加而提高。利用该特性，就可以通过控制盐浴的水含量来控制盐浴的冷却能力，从而控制渗碳齿轮淬火时的胀缩。

图3是某公司要求进行渗碳淬火的一种齿轮，模数为12，材料为17CrNiMo6。为保证磨削量，要求齿轮经渗碳淬火后的顶圆胀量在2~3mm。为此，进行了试验。

图3 渗碳淬火齿轮简图

淬火盐浴温度设定在150 170℃之间，在此温度下，盐浴中的水含量可在0~3%wt之间变化。由于含1%wt水的盐浴的冷却能力与淬火油接近，首先用接近该含量的盐浴进行淬火。淬火后进行变形测试，结果见表5。

从表5可看出，采用该水含量的盐浴淬火后，齿轮的平均胀量在3.2mm，上部的平均胀量为3.7mm，超过了允许范围，同时，产生了较大的锥度畸变。因此，该结果不甚理想。为此，重新调整了盐浴的水含量，进行了试验。同时，关于锥度畸变的改进，也进行了试验，这里不进行讨论。表6是改进方案的结果统计。

表6 改进方案：盐浴水含量及淬火后齿轮变形数据（部分）

从表6的结果可看出，采用0.77%wt水含量的盐浴淬火后，齿轮的平均胀量在2.25mm，符合要求；而采用采用0.59%wt水含量的盐浴淬火后，齿轮的平均胀量在1.76mm，低于允许范围。

将上述数据处理后，可得到该齿轮顶圆胀量与盐浴水含量的关系，如图4。根据图4，认为：将盐浴中的水含量控制在0.65~0.85 % wt之间，对该齿轮采用盐浴淬火，可满足要求。采取该方案后，处理了180只左右的齿轮，统计结果证实了其可行性。

上述例子说明盐浴淬火具有的另一优势：冷却能力可调节，从而控制渗碳齿轮的淬火质量（如调整齿轮心部硬度和胀缩变形等）。该点对于淬透性波动大的渗碳钢淬火尤其适用，期望对生产者能有所启发。

图4 齿轮顶圆胀量与盐浴水含量的关系

3盐浴淬火生产中的几个问题

3.1盐浴的温度

盐浴的温度可在一个很宽的范围内变化，对于渗碳齿轮，主要根据钢种的Ms点来确定盐浴的温度，该点前面已经提及。需提醒的是：渗碳齿轮在淬火时，在Ms点以上适当提高盐浴的温度对工件进行等温处理，可获得马氏体+下贝氏体的混合组织，使齿轮表面具有适当的硬度和高的韧性。这也是盐浴淬火的一个优势。

3.2危险性

盐浴淬火时，炽热的工件进入会导致熔盐的飞溅，操作者应注意避让，同时注意不要吸入盐蒸汽。

生产中，还应注意硝盐超过一定温度会发生着火和爆炸。因此，硝盐的温度不应超过允许的最高工作温度。另外，应特别注意硝盐溶液中不得混入木炭、木屑、炭黑、油和其它有机物质，以免硝盐与炭结合形成爆炸性物质，而引起爆炸。

3.3水含量的测定与控制

前面论述了如何控制盐浴的水含量来调节盐的冷却能力，这就涉及到如何测定盐浴中的水含量。方法如下：首先从搅拌均匀的盐浴中取出适量熔盐，测定其重量W1，再采用加热保温的方法去除掉盐浴中的水份，测定残盐重量W2，按公式（1--W2/W1） 100%计算，就可得到水含量。