齿轮表面渗碳工艺

齿轮表面渗碳工艺
摘要：渗碳是即指使碳原子渗入到钢表面层的过程。

也是使低碳钢的工件具有高碳钢的表面层，再经过淬火和低温回火，使工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性[1]。

渗碳原理分三个步骤①分解渗碳介质的分解产生活性碳原子。

②吸附活性碳原子被钢件表面吸收后即溶到表层奥氏体中﹐使奥氏体中含碳量增加。

③扩散表面含碳量增加便与心部含碳量出现浓度差﹐表面的碳遂向内部扩散。

碳在钢中的扩散速度主要取决于温度﹐同时与工件中被渗元素内外浓度差和钢中合金元素含量有关。

关键词：气体渗碳固体渗碳硬度法金相法渗碳层深一．齿轮气体渗碳热处理工艺
气体渗碳，由于适合大量生产化，作业可以简化，质量管理容易算特点，目前最普遍被采用。

此法有变成气体（或称发生气体）及滴注式之两种。

气体渗碳优点是生产率高，易控制，渗碳质量好。

图示为低合金钢工件的气体渗碳工艺曲线[2]。

气体渗碳设备可采用连续式气体渗碳炉、密封箱式炉、井式气体渗碳炉等。

连续式气体渗碳炉及密封箱式炉应能在加热、保温、冷却等各个阶段所设定的温度下保持所需的时间。

连续式气体渗碳炉、密封箱式炉及井式气体渗碳炉的有效加热区内的温度应控制在预定值的±10℃以内。

有效加热区按GB9452的规定测试。

渗碳加热设备应结构合理，设有使炉内气氛均匀流动的装置，渗碳加热室应具有良好的密封性，渗碳的原料供给系统应安全可靠。

渗碳后淬火加热设备，转炉、密封箱式炉和井式气体渗碳炉等加热设备，其有效加热区内的温度应控制在预定值得的±10℃以内。

感应加热设备应符合ZB/T J17 004要求。

盐浴炉加热时，盐浴不应对齿轮有腐蚀、脱碳及其他有害影响。

淬火冷却设备应具有可以控制的加热、冷却循环系统及搅拌装置。

淬火冷却设备应装有防火排烟装置。

淬火冷却介质应具有齿轮淬火所要求的冷却能力，且不易老化，其技术要求应符合有关标准。

在生产现场应有定期分析和调整的管理制度，以确保淬火质量。

锻造后的齿轮锻坯应进行正火，正火温度一般为890～950℃，保温时间根据锻坯有效尺寸、装炉情况及炉型而定，锻坯出炉出不应堆放冷却，而应散开空冷或喷雾冷却。

后面还要有一系列加工如；处理等温退火，去应力处理，探伤，表面清理，防渗措施，吊丧夹具，随炉试样，渗碳原料
滴注式气体渗碳炉可采用专用渗碳油、煤油、丙酮、异丙醇、醋酸乙酯、甲苯等任一种作渗碳剂，用甲醇作稀释剂，渗碳原料应成分稳定、有害杂质含量低，含硫量应在0.02%以下，检验符合要求后使用。

工艺控制有装炉，渗碳温度和时间，扩散
碳势控制原则
根据材料及工艺要求，渗碳后采用不同的降温处理。

需直接淬火的齿轮，可在渗碳炉内降温至840～860℃保温0.5～1h后投入淬火介质中冷却；需重新加热淬火的齿轮，在渗碳炉内降温到820～880℃保温适当时间移到冷却装置中冷却，并应采取防氧化脱碳措施，齿轮冷至350℃以下方可空冷；当齿面有较大加工留量时可采用空冷；镍铬含量较高的材料，冷至150～200℃后进行高温回火。

淬火包括直接淬火，重新加热淬火，一次加热淬火
一般加热温度为820～860℃。

对用连续式气体渗碳炉或密填充箱式炉渗碳的齿轮，为细化晶粒在冷却装置中冷至600℃后，再重新加热至淬火温度。

二次加热淬火第一次淬火加热温度为860～880℃，保温后淬火冷却，待工时冷到室温后现进行第二次淬火，其第二次加热温度为780～800℃，冷却方法同前。

然后清洗，齿轮清洗后应及时低温回火，一般间隔不起过4h。

根据图样技术要求的硬度及钢种确定回火温度。

一般为160～220℃，回火时间为2～4h。

对于高镍铬钢大型齿轮要充分回火，一般为10～20h。

一般齿轮不采用冷处理。

对于精度和可靠度要求高的齿轮，当渗碳表层组织中有过多残余奥氏体且最终硬度要求58HRC以上时方进行冷处理。

渗碳淬火硬化层深度的测定
可以用硬度法。

在宽度（w）为1.5mm范围内，在与零件表面垂直的一条或多条平行线上测定维氏硬度。

每两相邻压痕中心之间的距离应不小于压痕对角线的2.5倍。

逐次相邻压痕中心至零件表面的距离差之不应超过0.1mm。

测量压痕中心至零件表面的距离精度应在正负0.25um的范围内，而每个硬度压痕对角线的测量精度在正负0.5um以内。

除个方面特别协议外，在适当的条件下，应使用HV0.1（0.9807）至HV1（9.807N）的试验力获得维氏（或怒氏）硬度压痕，并用光学仪器在400倍以上的放大倍数下测量压痕。

测定应在各方约定的位置上，在制备好的试样表面上的两条或更多条硬化线上进行，并绘制出每一条线的硬度分布曲线
二．齿轮固体渗碳工艺
(一)渗碳剂的成份及其作用：
固体渗碳剂主要是由木炭粒和碳酸盐(BaCO3或Na2CO3等组成。

木炭粒是主渗剂，碳酸盐是催渗剂。

木炭颗粒均匀，并要求3—6mm左右的占80%，1—3mm左右占20%左右，1mm以下的不大于1%，如果是大零件渗碳，大颗粒木炭应多些，小零件，小颗粒应多些。

常用的渗碳剂成份如表1所示。

常用渗碳剂的成份
渗碳加热时，炭与其间隙中的氧作用(不完全燃烧)，生成一氧化碳。

2C+O2—→2CO 一氧化碳在渗碳条件下，是不稳定的。

活性碳原子被钢件表面吸收，并向内部扩散。

整个反反应过程可用下式示意表示：C+CO2—→2CO—→CO2+[C]单独用木炭进行渗碳，周期长，效果差，为了增加渗碳剂的活性，增加活性碳原子数量，一般加入一定数量的碳酸盐作为催渗剂。

催渗剂在高温下与木碳产生如下反应：BaCO3+C—→BaO2+CO Na2CO3 + C(木炭) —→ Na2O + 2CO 2CO —→ CO2 + [C] 渗碳过程中，木炭受到了烧损，但催渗剂分解氧化物，在开箱冷却时与空气接触，如按下方程式进行还原，这使催渗剂消耗大为减少。

BaO+CO2—→BaCO3，Na2O+CO2—→Na2CO3 为了提高催渗剂再生效果，在此介绍一种有效的方法，即将高温下倒出来的渗碳剂，立刻用水喷洒(水的重量是渗碳剂重量的4—5%)。

通过这样的处理，碳酸盐可得较完全的再生，其原因是：BaO+CO2—→BaCO3这个过程随温度下降而缓慢，如果在高温下喷水，就能使BaO变成氢氧化钡，而氢氧化钡向碳酸钡转变不受温度的限制。

其反应如下：BaO+H2O—→Ba(OH)2 Ba(OH)2+CO2—→BaCO3+H2O 喷水还可以减少木炭的烧损和促进少量甲烷发生，甲烷吸附在木炭的孔隙中，也能加速渗碳。

经过喷水处理的渗碳剂，加少量新渗碳剂便可使用。

(二)固体渗碳的操作方法：
1配制渗碳剂：由于全新的渗碳剂催渗作用过于强烈，易导致零件渗碳后表层浓度过高和出现粗大或网状碳化物。

因此，一般新旧混合使用，其中新渗碳剂占20—40%，旧渗碳剂占60—80%。

回收的旧渗碳剂应筛去灰粉后，才能与新渗碳剂配合使用。

⒉渗碳零件，渗碳前的准备处理：要渗碳的零件，表面应尽可能洁净，不应有严重锈斑及油垢，以免影响渗碳正常进行，造成零件渗碳后深度不均匀和产生软点。

对于要求局部渗碳的零件，要认真进行防渗，常见的防渗方法有如下几种：①预留余量切除法②涂料法③镀铜法
⒊装箱：渗碳箱一般用钢板焊成或铸铁铸成，渗碳箱不宜过大，其外形尺寸应尽可能适合工件的要求，箱子最好与炉底板架空，受热均匀。

⒋装炉与升温：零件可在低温入炉并用分段升温的方法。

但对于连续生产，这种方法不经济，故通常采用高温入炉的方法。

由于固体渗碳时零件装于密封的渗碳箱内，热量要通过箱壳及箱内渗碳剂传递到零件上，如果控制不当，容
易造成炉温与零件实际温度或箱内表层和中心的温度差很大，零件渗碳深度不均匀。

因此，一般制定工艺时，均在炉温升到820—850℃范围保温一段时间，使备部分温度均匀一致后，才以缓慢的加热速度升至900—930℃的渗碳温度。

5.在一定的温度下保温一定的时间使渗碳充分
6.最后用试棒检测渗碳结果是否合格，探出试棒渗碳层深度，若没有达到预期要求则继续渗碳过程
测其渗碳层深度可用金相法，即将试样经等温退火得到平衡组织，经过剖开，打磨，腐蚀吹干等措施后在光学显微镜下放大100倍测量，渗碳层深度相当于原始组织至表面距离。

以下是所查阅资料
1.化学工业出版社《金属热处理原理与工艺》
2.齿轮气体渗碳热处理工艺及其质量控制（JB/T7516-94）
3.闵淑辉钟亚茜中南林学院，湖南长沙410004
4.刘志儒闫牧夫哈尔滨工业大学材料学院；150010
5.刘成友张国良哈尔滨意锋稀土材料开发有限公司；150076
6.赵新潘巍上海新跃仪表厂200056
7.黄锡恺机械原理人民教育出敷社， 1981．
8.李瑞彬齐重数控装备股份有限公司,黑龙江齐齐哈尔161005
9.余华俐兰州工业高等专科学校机械工程系,甘肃兰州730050
10.王晨西北矿冶研究院钎具厂，甘肃白银730900。