齿轮低压真空热处理技术.docx

齿轮低压真空热处理技术气体淬火最大的特点是 淬火无蒸汽膜阶段，工件整 个淬火过程传热更为均匀， 变形规律更强上海汽车变速器有限公司 热处理技术科科长 朱永新针对相应的齿轮低压真空淬火、齿轮低压真空渗碳、高压气淬 等较为先进的热处理技术，其工艺和装备是关注的两条主线企业 的应用情况，装备商配套的工艺如何，以及设备在使用、调试过程 中存在的可以避免的问题等都是推广真空低压热处理技术需要注意 的地方，故约请ECM、华翔、华海中谊和上海汽车变速器有限公司 等经验丰富的工程师共同探讨论坛主持：朱光明 孙超低压渗碳技术我公司从2003年起引进法国 ECM公司生产的ICBP系列低压 渗碳炉，齿轮渗碳采用低压渗 碳、高压气淬工艺，该技术的应 用具有以下优点：（1）Infracarb低压渗碳工艺 较可控气氛渗碳速度更快，达到 相同的渗层要求可比一般多用炉 节省30%的工艺时间2）ICBP配置的计算控制 系统对过程参数进行精确控制， 在非常窄的公差要求下，能精确 控制渗层深度和表面碳浓度 3 ）此外，低压渗碳的工 件具有良好的质量，表面光亮， 无晶间氧化，弯曲疲劳强度高， 耐磨性强 4 ）气体淬火技术的应用 解决了常规淬火油的污染问题， 节能环保。

5 ）真空渗碳能力更强， 尤其在使用乙炔作为渗碳介质的 情况下，对盲孔零件具有超强的 渗透能力低压渗碳、高压气淬 技术应用使用高压氮气淬火取代油 淬，成为低压渗碳工艺的又一技术亮点氮气属于惰性气体，对 生态环境无任何影响，且不会在 工件上或在淬火炉内留下残余 物，因此，无需投资清洗机或火 灾监控系统等设备，同时降低了 生产运行成本气体淬火最大的 特点是淬火无蒸汽膜阶段，工件 整个淬火过程传热更为均匀，变 形规律更强高压氮气分级淬火工艺的 应用：在Ms 点附近进行等温， 减少零件表面及心部的温差， 使得之后的马氏体转变产生更 少的应力变形针对不同装炉 量、材料淬透性及产品要求， ECM真空炉使用了最新的变频驱 动技术，气体注入压力0~20b a r（1bar=105Pa），两个130k W的 电动机，0～100%可规律可调 借助这两个优势，可使得淬火 冷却工艺和CCT曲线尽可能地接 近，避开某些变形极易产生的临 界阶段（见附图）在控制零件 淬火后硬度和变形方面更具灵活 性，为气体分级淬火工艺的实现 提供了有力保证淬火冷却曲线示意客户Twin Disc公司生产 实践证明，低压渗碳是一种 直接的减小齿轮变形的方 法，同时可以提高零件的疲 劳寿命。

依西埃姆（北京）工业炉贸易 有限责任公司 马晓丽（a）可控气氛渗碳表面 （b）真空渗碳无晶间氧化图 1低压渗碳一般采用脉冲式， 即强渗→扩散→强渗→扩散，反 复多个循环后达到所要求的渗层 深度采用乙炔作为渗碳剂后， 其渗透能力更强，根据乙炔的裂解特性，乙炔的脉冲流量约为丙 烷流量的1/2，渗碳的真空度更 高，抽气的速度更快乙炔的富 化率高于丙烷，碳吸附能力更 强相同的脉冲节拍下，乙炔工 艺能获得较高的碳浓度和渗碳深 度相同的工艺参数下，乙炔的 脉冲节拍短，节拍数多，有助于 获得均匀渗碳层，尤其对细长盲 孔具有超强的渗碳能力低压真空渗碳、高压 气淬技术存在的问题Infracarb低压渗碳工艺从20世纪90年代开始推广，国际上知名的设备制造商有ECM、ALD、 CIEFFE等公司，国内制造商能 力差距很大由于大量新工艺、 新技术的应用，即使是进口设 备，也存在很多问题：①设备的 自动化程度高，造成设备的故障 率高②高压气淬的冷却能力具 有一定的局限性，对零件的材料 淬透性和大小有一定的要求③ 真空渗碳要求零件的清洁度高， 否则影响渗碳效果④高压气淬 对热处理料架、零件的摆放等提 出了更高的要求。

⑤相对于传统 渗碳热处理，设备的投入、维护 成本更高同时可以提高零件的疲劳寿命工艺上的差异低压渗碳工艺已经被证明是 可靠的，尤其对于减小热后不需 要磨削加工的成型齿轮的变形， 以及提高各种零件的疲劳特性是 很显著的另外，低压渗碳炉与 传统气氛炉相比，生产成本控制 方面也具有竞争力变速器生产商致力于提高现 有产品的功率输出，或研制新产 品以提高输出功率变速器生产 商同时致力于通过在渗碳过程中 减小变形来降低生产成本齿轮 生产商意识到通过喷丸处理增加工件表面压应力，可以使工件疲 劳强度得到提高但同时，也增 加了齿轮的生产成本Twin Disc 公司在20世纪90 年代初期引进真空渗碳技术以减 小齿轮变形，试验结果证明是正 确的同时，主要航空航天和汽 车生产商的报告显示，采用该工 艺使零件达到了更高的弯曲疲劳 强度从那时起，Twin Disc公司 开始使用低压渗碳设备来处理齿 轮，生产实践证明低压渗碳是一 种直接的减小齿轮变形的方法，在传统气氛炉中，工件在渗 碳气氛下加热位于齿轮顶端的 齿顶部位的小区域加热迅速并更 快达到奥氏体化温度，所以此区 域比齿根部区域更快吸碳，导致 不均匀的渗层分布，齿轮的齿顶 比齿根有更深的渗碳层。

另外， 由于“水- 气”反应，零件表面 会产生晶间氧化（见图1）一个长的强渗循环，接一个 长的扩散循环，使工件表面渗入 更深的碳变得更加困难而且碳 浓度分布一般在表面处很高，而 进入表面后的碳浓度很快降低图2 渗碳后的轮齿形状变化对于低压渗碳，零件在渗碳 气体注入前被加热到奥氏体化温 度，使齿轮整个表面的渗层很均 匀，且渗层深度更易控制由于 工件在真空中加热，因此没有晶 间氧化多次交替的渗碳和扩散 循环（脉冲渗碳）可以在更深的 渗层取得更高的碳浓度不同工艺造成的影响在气氛炉中，齿顶的更深的 渗层使齿顶膨胀、胀大，影响工 件形状精度或改变齿轮的几何外 形如果齿轮没有后续磨削加工（成型齿轮一般不要），这样的 结果会导致不得不使用特殊的机 加工设备进行切削和剔齿以补偿 变形（见图2）众所周知，工件表面更高的 压应力会产生更高的疲劳强度 2000年，Twin Disc的一项关于传 统气氛渗碳和真空渗碳表面压应 力的研究显示，低压渗碳试样产 生的表面压应力更高，这解释了 许多低压渗碳使用者的报告中关 于低压渗碳增加弯曲疲劳强度的 原因最近，某大公司对多组齿 轮进行重载荷失效运行测试，使 用一个长期的Weibull分析来预测 比较两种方法加工的齿轮寿命， 结果显示，使用低压渗碳处理的齿轮寿命提高了近2万个循环。

一家热处理炉生产商宣布，使用 低压渗碳，抗弯曲疲劳强度增加 了30%，这只是个保守的估计由于使用低压渗碳可更好地 控制渗碳，在更深的碳层取得更 高的碳分布（达到需要的碳浓 度）这导致更深的硬化层或高 硬化区（58HRC或更高），一项 广泛的研究，对比大量气氛渗碳 和低压渗碳齿轮显示，低压渗碳 齿轮的渗层高硬化区达到气氛渗 碳齿轮的2倍对于渗层1.5m m 的齿轮，气氛炉处理的齿轮高 硬化区为0.4mm，而对于低压渗 碳齿轮，高硬化区达到 0.9m m（AISI 8620RH steel） 部分齿轮表面较好的硬化区将在后期被磨削加工掉，例如： 如果需要齿面磨掉0.13m m，一 个气氛炉处理过的齿轮硬化深度 0.38m m，磨后剩下的硬化深度 为0.25m m对比来看，低压渗 碳齿轮达到更高的硬化深度为 0.89mm磨削后剩下0.76mm， 这就显著提高了弯曲疲劳强度低压渗碳可以消除表面晶间 氧化，以提高弯曲疲劳强度但 对于渗碳后需要磨齿的工件将无 此优势，因为磨齿过程中，晶间 氧化会被磨掉因为需要磨削加工的齿轮在 低压真空渗碳后减少了变形，对 于大部分齿轮来说，磨加工一般 从4次下降到3次，使加工时间大 大缩短并节约工艺成本。

例如： 对于气氛渗碳零件，16h加工10 个零件，而对比真空渗碳，5h可 以加工20个零件，大幅度节约了 后续处理时间不同的淬火方式对于气氛渗碳，一般采用油 淬，有时候使用Gleason压床进 行压淬液体淬火时，零件表 面产生气膜把工件和淬火介质隔 开，降低了淬火速度，同时在工 件的不同位置，冷却速度不均 油的搅拌可以帮助消除气膜，但 在死角处的气膜难以去除，如齿 轮的齿根处不同的冷却速度使 工件表面产生不同的压应力，从 而导致更大的变形气氛渗碳齿 轮齿根的渗层浅以及油淬的影 响，一般会导致气氛渗碳加油淬 的齿轮齿根硬化层只能达到节圆 处的50%（见图3）油淬也被应用于真空渗碳， 但真空状态下进行油淬可以有效 去除气膜，这导致低压渗碳加 油淬齿轮在齿根处，比气氛渗碳 加油淬齿轮有更深的有效硬化层 深使用真空渗碳加油淬齿轮齿 根处的有效硬化层深可以达到节 圆处的70%（见图4）这也是 由于低压渗碳齿轮在齿根处有更 深的渗碳层在分隔开的冷室进行高压 （20bar）气淬（氮气、氢气或氦 气）也被应用于真空渗碳，这可图3 油淬后齿轮根部的有效渗层深度约为齿距 线位置有效渗层深度的50%图4 真空渗碳并油淬后齿轮根部的有效渗层深度约为 齿距线位置有效深层深度的70%图5 有效渗层深度对比：高压气淬20bar氦气采用低压渗碳+气淬的工 艺所产生的变形（椭圆误差 和平面误差）小于传统的 渗碳+油淬工艺所产生的变 形。

北京华海中谊工业炉有限公司 李宝军以减小变形，并使齿根处有更深 的有效硬化层，几乎接近齿顶节 圆处的有效硬化层深使用低压 渗碳和气淬处理齿轮，测得的齿 根处有效硬化层可达到齿顶截圆 处的90%（见图5）另外，加工 后的零件出炉时非常干净齿轮的尺寸、最大截面和材 料的淬透性决定气淬是否适用于 大零件对于小零件（或薄壁零 件），冷速可以很容易地被调整 到适合零件的尺寸另外，也可 以选择高淬透性材料以使气淬可 以被应用于大零件在欧洲，这 种处理方式很常见对于油淬， 一种特定冷速的淬火油对于大零 件来说是适合的，但对于小零件 来说，这种淬火油的冷却速度就 过快这没有灵活性，除非有多 种淬火油用于选择，这是很少见 的对比来讲，对于气淬，淬火 压力可以改变，淬火气体可以选 择，淬火气体的流速也可以选 择，以达到要求的冷却速度，最大限度地减小零件的淬火变形关注Twin Disc的试验显示，低压 渗碳工艺改善了渗层性能（控制 渗层），减小变形，处理重复性 好并利于环保尽管有诸如此类 的好处，但是有些事也是要注意 的例如，进炉工件的表面清洁 非常重要在最初的处理过程中发现， 一些处理过的零件表面有“软 点”。

原因：一是防渗涂料在真 空下发泡溅到零件其他表面因 此，确保使用适合于真空渗碳的 防渗涂料是关键二是一些水溶 性的、含硼的机加工冷却液残留 在工件表面硼如果在零件表面 干燥，其作用类似于真空渗碳防 渗涂料，很难被去除在送入热 处理之前，这种冷却液在零件最 后的机加工过程后并没有被清 除在热处理时，使用三氯乙烯 进行真空清洗，但如果溶剂的清洁度没有被监控，残余冷却液还 会被带到零件上因此，清洗工 艺、设备和工艺维护非常重要一般来说，常规气体渗碳的 工艺是向一个密封室内通入载气 和富化气通过大量的载气维持 炉内的基本成分，以满足炉内碳势控制的需要在此种控制方式 中，渗碳过程中的碳来自富化 气采用这种控制方式的设备也 就是大家非常熟悉的设备——密封式可控气氛多用炉这种渗碳 工艺及控制方法已应用多年，积 累了丰富的经验，但由于载气中存在O2和氧化物，工件不可避免 地要产生内氧化，即在渗层表面 薄层内出现非马氏体，其对渗碳件的疲劳性能会产生极不良的影 响近年来，我公司研发的低压 渗碳技术和开发的低压渗碳炉能 较好地解决这个问题起初，低 压渗碳炉主要用于对工件要求比 较严格的航空航天领域目前已 推广到大量生产的汽车工业。

低压渗碳工艺通入低压真空渗碳炉内的渗 碳气氛（C2H2）在炉内裂解后形 成C+H 2 ，使得加热渗碳室内的 “碳”处于饱和状态，并用碳富 化率F （mg/h·cm2）来表达当 工件的表面积小于其临界值， C。