表35 各种齿轮热处理工艺的硬化效果、强度水平、变形倾向及设备投资比较 3        齿轮的热处理 3.1   齿轮热处理工艺选择 表35 各种齿轮热处理工艺的硬化效果、强度水平、变形倾向及设备投资比较 注：（1）无论单齿加热淬火或套圆一次加热淬火都存在齿根未加热淬火的情况（见表48） （2）单齿加热淬火即使实现沿齿沟分布硬化层，其齿根压应力也很小；齿根未硬化时残余应力为拉应力； （3）当齿根未硬化时，σF只有150MPa。 工艺方法 硬化层状态 强度性能 变形倾向 设备投资 层深 mm 组织 分布 残余 应力 表面硬度 耐磨性 σH MPa σF   渗碳 C-N共渗 0.4～2 ＞2～4 ＞4～8 0.2～1.2 马氏体+碳化物+残余奥氏体 沿齿廓 压应力 650～850HV 57～63HRC 700～850HV 58～63HRC 高 很高 1500 450 较大 较小 较高 渗氮 N-C共渗 0.2～0.6 ＞0.6～1.1 0.3～0.5 合金氮化物+含氮固溶体 N.C化合物+含氮固溶体 800～1200HV 500～800HV 1000（调质钢） 1250（渗氮钢） 900 350（调质钢） 400（渗氮钢） 350 很小 中等 感应淬火 火焰淬火 高频1～2 超音频2～4 中频3～6 2～6 马氏体 或 沿齿面（1） 齿面压 (齿根应力状态与工艺有关（2） 600～850HV 600～800HV  1150 350（3） 较小  小

3.2 热处理重要冶金因素和工艺因素 3.2.1 调质齿轮的计算截面尺寸 图17 计算截面尺寸的确定方法

图18 齿面局部加热淬火 图19 沿齿廓加热淬火 3.2.2 表面硬化热处理齿轮 3.2.2 表面硬化热处理齿轮 齿轮的表面硬化热处理主要是渗碳淬火、渗氮及感应（或火焰）表面淬火。各种表面硬化处理齿轮的性能都与表面硬度、金相组织、硬化层深度及心部硬度等因素有关，但是，根据不同热处理工艺的特点，又各自有其主导的影响因素。 （1）感应（或火焰）表面淬火齿轮的硬化层分布 齿轮感应（或火焰）表面淬火具有效率高、钢材成本低及变形小等优点，因而得到广泛应用。但是表面淬火的质量控制比较难，这是影响使用寿命的关键所在。 在各种影响因素中，尤以硬化层分布形式对齿轮承载能力影响最大。残余应力分析和强度试验以及现场应用均表明，仅只齿面局部淬火的齿轮（图18）其接触疲劳强度和弯曲疲劳强度均很低，甚至低于未经表面淬火的调质齿轮，所以，应尽量采用沿齿廓淬火硬化（图19）。 图18 齿面局部加热淬火 图19 沿齿廓加热淬火

（2）渗氮齿轮的硬化层深度 齿轮渗氮由于在较低温度（500～560℃）下进行，而且没有相变发生，因而变形小是突出的优点。随着渗氮工艺的不断改进，渗氮类齿轮的应用日益显现出良好的前景。 长期以来限制渗氮齿轮应用的原因很多，但最关键的是渗氮层太薄，难以承受齿面的接触载荷，因而要突破常规渗氮层深度的概念，采用“深层渗氮工艺”，根据国内外的推荐，渗氮齿轮的应用范围一般在模数8mm以下，最大可到10mm。模数2～6mm，其深度0.6～0.8mm；模数6～10mm，深度0.8～1.1mm。

渗碳淬火齿轮具有良好的综合强度性能，但是热处理工艺较为复杂，因而影响因素也较多，表36列出了各种冶金因素的影响以及各因素影响作用的大小。 （3）渗碳淬火齿轮的多种影响因素 渗碳淬火齿轮具有良好的综合强度性能，但是热处理工艺较为复杂，因而影响因素也较多，表36列出了各种冶金因素的影响以及各因素影响作用的大小。 表36 冶金因素对渗碳齿轮寿命的影响 注：◎—对提高寿命有很大影响；○—对提高寿命有一定影响；△—对提高寿命有一些影响；-—对提高寿命几乎没有影响；●—对降低寿命有很大影响；▲—对降低寿命有一些影响。 寿 命 类 别 弯曲疲劳强度 抗点蚀能力 抗弯曲冲击强度 抗磨损能力 硬度分布 表面硬度 ◎600HV不渗透 ◎800HV以下硬度高较好 ○700HV以下硬度高较好 ◎硬度高较好 硬化层深度 ○最佳值取决于模数 ◎ ○ △ 心部硬度 ◎最佳值350HV   显微组织结构 晶 粒 度 ○细较好 残余奥氏体量 ▲硬度降低韧性提高 ○改善轮齿的接触 ▲硬度降低 碳 化 物 ▲应力集中源 ▲ ▲晶间脆裂 ○硬度提高 缺 陷 非马氏体表层 ● ▲硬度下降 非金属体夹杂物 ●应力集中源 - 晶间韧性 残余应力

3.2.3 钢材的淬火冷却 （1）钢材的淬透性表示方法 表37 钢材的淬透性表示方法 方 法 要 点 表 示 法 末端淬火法 3.2.3 钢材的淬火冷却 （1）钢材的淬透性表示方法 表37 钢材的淬透性表示方法 方 法 要 点 表 示 法 末端淬火法 采用一种端淬试样，在标准条件下淬火，测量从水冷端开始的硬度梯度，测量方法细则可参见GB225-88 1、 淬透性曲线        2、 淬透性值J 例： 表示离水冷端距离9mm处的硬度为50HRC 采用一定尺寸大小的圆柱形试样淬入水、油或其它冷却介质中，然后切割试样，沿截面直径从表至里测其硬度值，根据硬度值画出“表面-中心-表面”的硬度分布曲线 U形曲线 方法名称 U形曲线法

采用一系列不同直径大小的圆形钢棒在水、油或其它冷却介质中淬火，然后逐个测定硬度，确定完全淬透的截面直径，用影线图标示如下：   Dc—在某一冷却介质中淬火后能获得完全淬透的最大截面直径 例：Dc水=37.5mm，表示这种钢在水中淬火的临界直径为37.5mm DI—某一钢材在冷却速度为无穷大的冷却介质中淬火后，其钢材中心部分获得50%马氏体组织时的最大直径 临界直径法 理想临界直径计算法 通过 钢材的化学成分和本质晶粒度来计算其淬透性 DI=DIc×FSi×FMn×FCr×FMo×…… 式中： DI—理想临界直径（mm） DIc—碳钢在不同含碳量及晶粒度时的理想临界直径（mm） FSi—合金元素Si一定含量时的淬透性系数（FMn、FCr……意 义相同）

表38 钢在各种常用淬火剂中的冷却速度和冷却强度 表38 钢在各种常用淬火剂中的冷却速度和冷却强度 注：1. 本数据是采用ISO9950：1995规定方法测定的。 2．冷却状态为静态、无搅拌。 3．水的数据为郑州机械研究所测定，其余数据为引用。 淬 火 剂 在下列温度区间的最高冷却速度/（℃/s） 以20℃水为标准的相对冷却强度H 650～550℃ 300℃ 20℃的水 240 85 1.00 40℃的水 190 0.79 60℃的水 130 70 0.54 0.82 普通淬火油 45 5 0.19 0.06 中速淬火油 71 6 0.30 0.07 高速淬火油 96 9 0.40 0.11 30℃的5%PAG类水溶液 165 80 0.69 0.94 30℃的10%PAG类水溶液 145 0.60 0.53 30℃的15%PAG类水溶液 125 30 0.52 0.35

表39 影响淬火介质冷却能力的因素 影 响 因 素 影 响 倾 向 介质本身物理性质的影响 比热容 表39 影响淬火介质冷却能力的因素 影 响 因 素 影 响 倾 向 介质本身物理性质的影响 比热容 当介质的比热容愈大，单位质量所吸收的热量愈多，介质的冷却能力也就愈强。 传热系数 介质的传热系数越大时，其冷却能力也就越强烈 粘 度 介质粘质愈大，流动性就愈差，对流传热能力就愈差，其冷却能力就愈弱。 汽化热 介质的汽化热值越大，热负荷越大，在淬火冷却过程中介质的特性温度则越高，其冷却能力也就越强。 蒸汽压 蒸汽压愈低，传热系数愈大，其带走工件的热量也愈多，则冷却能力愈强。 添加剂的影响 添加剂 为了改善淬火介质的冷却性能，加入添加剂，以提高蒸气膜稳定性，降低淬火介质冷却能力或以降低蒸气膜稳定性，提高淬火介质冷却能力。 外界因素的影响 温 度 水及水溶性介质，通常是随介质温度的升高，冷却能力急剧下降。油类介质，由于温度升高改善了介质流动性，使工件冷却均匀性得到提高，畸变减小。 冷却条件 搅动提高了介质的冷却能力，特别是缩短了蒸汽膜阶段的持续时间。适当均匀的搅动可提高工件表面的均匀性，对于提高硬度、硬度的均匀性、减小畸变及开裂倾向均有一定效果。关于冷却条件对冷却强度的影响见表40。

表40 冷却条件对冷却强度的影响 冷却状态 冷 却 强 度 H 空 气 油 水 食盐水 静 止 0.02 0.25～0.30 表40 冷却条件对冷却强度的影响 冷却状态 冷 却 强 度 H 空 气 油 水 食盐水 静 止 0.02 0.25～0.30 0.90～1.0 2 轻微搅动 - 0.30～0.35 1.0～1.1 2～2.2 缓慢搅动 0.35～0.40 1.2～1.3 中等搅动 0.40～0.50 1.4～1.5 强烈搅动 0.05 0.50～0.80 1.6～2.0 激烈搅动 0.80～1.10 4 5 端淬喷水 2.5

调质齿轮的硬度选配要合适。表41和表42是水泥工业大型磨机减速器齿轮副硬度选配的两个例子。 3.3 齿轮的调质 3.3.1 调质齿轮副的硬度选配 调质齿轮的硬度选配要合适。表41和表42是水泥工业大型磨机减速器齿轮副硬度选配的两个例子。 表43是常用减速器齿轮副的硬度选配方案，可供参考。 表41 大型磨机减速器齿轮副硬度选配（一） 表42 大型磨机减速器齿轮副硬度选配（二） 齿轮名称 硬度HBS 热 处 理 一级小齿轮 285～321 调 质 一级大齿轮 217～262 二级小齿轮 331～363 二级大齿轮 齿轮名称 功率800～2000kW 功率≥4000kW 硬度HBS 热 处 理 一级小齿轮 495(HBW) 渗 碳 321 调 质 一级大齿轮 302 269 二级小齿轮 二级大齿轮

表43 各类齿轮副的硬度选配方案 ① HBS1和HBS2分别表示小齿轮和大齿轮的硬度 齿轮硬度 齿轮种类 热处理 齿轮工作齿面 硬度差 表43 各类齿轮副的硬度选配方案 ① HBS1和HBS2分别表示小齿轮和大齿轮的硬度 齿轮硬度 齿轮种类 热处理 齿轮工作齿面 硬度差 工作齿面硬度举例 小齿轮 大齿轮 软齿面 （HBS≤350） 直齿 调质 正火 （HBS1）min-（HBS2）max ≥（20～25）① 262～293HBS 269～302HBS 179～212HBS 201～229HBS 斜齿及 人字齿 ≥（40～50） 241～269HBS 163～192HBS 软、硬齿面组合 （HBS1＞350, HBS2≤350) 表面 淬火 齿面硬度差很大 45～50HRC 渗氮 渗碳 56～62HRC 硬齿面 （HBS≥350） 直齿、斜齿及人字齿 表面淬火 齿面硬度大致相同

3.3.2 齿轮钢材调质硬度的确定 调质齿轮淬火后的最低硬度主要决定于所要求的强度，并考虑具有足够的韧性。齿轮所需强度越高，相应其硬度也就要求越高，因此淬火时马氏体转变就应当越完全。这种关系由图20表示。图中影线重叠区具有较高的韧性。 图20 要求的最低硬度与调质钢强度之间的关系

相对硬度值的大小对调质钢的强度、塑性和韧性有影响，特别是在高强度时这种影响就显得更大，图21给出了这种关系。 图21 相对淬火硬度对力学性能的影响

表44 已知钢材及圆棒直径求截面硬度分布的方法 步 3.3.3 齿轮钢材的调质深度 表44 已知钢材及圆棒直径求截面硬度分布的方法 求 作 方 法 步 骤 参 考 图 已知： 求 钢材42CrMo,直径120mm 油淬后截面的硬度分布   步骤 1 利用右图在纵坐标120mm处向右作平行于横坐标的直线，与各曲线相交；通过各交点作横坐标的垂线，得出不同直径处油淬后与末端淬火法中至水冷端距离的关系

已知钢材及尺寸大小求截面硬度分布，其求法如下： a. 圆棒钢材的求法 方法及步骤见表44。  步   骤 2 利用右图42CrMo钢的淬透性曲线（图a）查出相应的硬度值 a)42CrMo钢的淬透性曲线 圆棒自表面 至心部距离 /mm 相应于至水 冷端距离 相应硬度值 HRC 5 10 15 20 25 30 35 40 45 21 26 31 37 42 47 48 52 50 44 41 39 38 3 作出硬度分布曲线（图b） b)硬度分布曲线

c.齿轮毛坯的求法 齿轮毛坯件调质后截面硬度的分布求法，其关键是截面尺寸的确定。实际使用中可根据各种齿轮的结构特点归并为圆形截面和板状截面两种，然后再按上述两种截面的硬度分布求法来求作。表45列举了7种典型结构齿轮截面尺寸的确定方法，可供参考。 表45 典型结构齿轮截面尺寸确定法 c＜s Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ   Ⅴ Ⅵ Ⅶ

3.3.4 调质齿轮钢材的选择 图23 根据端淬试样的硬度分布求大直径 图24 开齿调质齿轮的轮齿硬度分布 圆截面棒料硬度分布图

表46是常用调质钢材的淬透性和化学成分，并按钢材淬透性的大小分成6类。各类钢材推荐的应用范围可参考表47。 3.3.6 常用调质齿轮钢材的分类 表46是常用调质钢材的淬透性和化学成分，并按钢材淬透性的大小分成6类。各类钢材推荐的应用范围可参考表47。 表46 调质钢的淬透性和化学成分（质量分数） 各种钢组的淬透性带 标 准 钢 号 化 学 成 分 （%） 德国 DIN 法国 AFNOR 英国 BS970 美国 AISI /SAE 中国① GB C Mn Si P*） S Cr Ni Mo A3 A2 A1 St 70 C 60 Ck 60 St 60 C 45 Ck 45 St 50 C 35 Ck 35 C60 d C60 e (x)C60 f C45 d C45 e (x)C45 f C35 d C35 e (x)C35 f (En9) (En9K)   (En8) (En8K) (En6) (En6K) 1063 1044 1034 60 45 35 ≈0.50 0.57～0.65 ≈0.40 0.42～0.50 ≈0.30 0.32～0.40 - 0.50～0.80 0.15～0.35 d e f B2 B1 B3 37MnSi5 38MnSi4 36Mn5 En8 En8K En12 En15 1335 1345 35SiMn 35Mn2 40Mn 45Mn2 0.33～0.41 0.34～0.42 0.35～0.45 0.30～0.45 0.33～0.38 0.43～0.48 0.30～0.40 1.1～1.4 0.9～1.2 0.6～1.6 0.6～1.0 max.1.5 1.6～1.9 1.3～1.7 0.7～0.9 0.05～0.35 0.2～0.35 0.1～0.35 d,e

各种钢组的淬透性带 标 准 钢 号 化 学 成 分 （%） 德国 DIN 法国 AFNOR 英国 BS970 美国 AISI /SAE 标 准 钢 号 化 学 成 分 （%） 德国 DIN 法国 AFNOR 英国 BS970 美国 AISI /SAE 中国① GB/YB C Mn Si P*） S Cr Ni Mo C1 C3 C2 34CrMo4 42CrMo4   36CrNiMo4 35CD4 42CD4 35NCD4 En19A En19 4135 4137 4140 4142 4145 35CrMo 42CrMo 40CrMnMo 0.32～0.37 0.38～0.45 0.32～0.38 0.39～0.45 0.35～0.45 0.33～0.38 0.35～0.40 0.38～0.43 0.40～0.45 0.43～0.48 0.32～0.40 0.5～0.8 0.6～0.8 0.7～0.9 0.75～1.0 0.5～0.9 0.15～0.35 ＜0.4 0.1～0.35 0.2～0.35 f,g,h f 0.9～1.2 0.85～1.15 0.9～1.5 0.8～1.15 0.4～0.7 1.0～1.3 0.15～0.25 0.20～0.30 0.20～0.35 0.2～0.40 D2 D3 D1 D6 34CrNiMo6 (42CrNiMo6) (30NiCrMo74) (37NiCrMo7) (40NiCrMo7) (40NiCrMo6) En24 En26 4347 4340 40CrNiMo 0.30～0.38 0.28～0.35 0.36～0.44 0.45～0.7 0.5～0.7 0.10～0.35 1.4～1.7 0.9～1.4 1.8～2.1 1.65～2.0 1.3～1.8 2.3～2.8 0.40～0.70

① 此列是作者加的，还可根据钢的淬透性曲线分别靠入各类。 ② 可用37SiMn2MoV钢代。 注：A，B组可以用于正火态 ① 此列是作者加的，还可根据钢的淬透性曲线分别靠入各类。 ② 可用37SiMn2MoV钢代。 各种钢组的淬透性带 标 准 钢 号 化 学 成 分 （%） 德国 DIN 法国 AFNOR 英国 BS970 美国 AISI /SAE 中国① GB C Mn Si P*） S Cr Ni Mo E1 E3 E6 30CrNiMo8 (40CrNiMo8)   32NCD8 35NCD14 En26 En27 En28 34CrNi3Mo② 0.28～0.34 0.37～0.43 0.30～0.40 0.36～0.44 0.30～0.35 0.3～0.6 ＜0.5 ＜0.4 0.5～0.7 ＜0.7 0.15～0.35 ＜0.35 0.1～0.35 f,g,h 1.8～2.1 1.9～2.4 1.2～1.5 0.5～0.8 0.5～1.3 0.75～1.5 3.2～3.7 2.3～2.8 3.0～3.75 3.0～4.5 0.25～0.35 0.6～0.8 0.2～0.3 0.4～0.7 0.2～0.65 0.2～0.35 F2 F1 F3 34NiCrMo16 30NCD16 40NCD18 En30B 0.30～0.36 0.28～0.35 0.35～0.45 0.15～0.55 0.4～0.6 0.10～0.40 0.10～0.35 g,h h 4 1.6～2.0 1.1～1.4 1.4～1.7 3.7～4.2 3.7～4.7 3.9～4.3 4.3～4.9 0.25～0.45 0.40～0.60 0.20～0.40 3=淬透性带的上部区，左倾斜线 2=淬透性带的中部区，网格线 1=淬透性带的下部区，右倾斜线 6=淬透性带的全部阴影线区域 *） Pmax Smax S+Pmax d 0.050 0.090 e 0.040 0.070 f 0.035 g 0.030 0.055 0.025

表47 推荐的A～F组调质钢的应用范围 尺寸/mm 抗 拉 强 度 σb/(N/mm2) 588～735 686～833 784～931 882～1029 980～1127 1078～1225 1176～1323 圆棒直径 适 用 钢 组 的 淬 透 性 带 ～40 ＞40～80 ＞80～120 ＞120～180 ＞180～250 ＞250 A1,A2 A2 B,C1 B2,B3,C A3,B,C C C2,C3,D B2,C B3,C,D D D2,D3,E C3,D D,E E E,F 轮辋的厚度 ～20 ＞20～40 ＞40～60 ＞60～90 ＞90～120 ＞120 A1 A2,B B,C C,D 齿轮坯的厚度 ～12.5 ＞12.5～25 ＞25～50 ＞50～100 ＞100～200 ＞200 B

（1）硬化层分布形式 齿轮表面淬火硬化层分布形式、强化效果及应用范围列于表48，以供参考。 3.4 齿轮的表面淬火 3.4.1 表面淬火齿轮的技术条件 （1）硬化层分布形式 齿轮表面淬火硬化层分布形式、强化效果及应用范围列于表48，以供参考。 （2）硬化层及心部技术条件 齿轮表面淬火硬化层及心部技术条件见表49，硬化层深度的确定可参考表50。 表49 表面淬火齿轮硬化层及心部的技术要求   小 齿 轮 大 齿 轮 备 注 硬化层深度 0.2～0.4m 有关硬化层深度的确定见表50 齿面硬度 HRC 50～55 45～50或 302～401HBS 如果传动比为1∶1，大小齿轮齿面硬度可相同 表层组织 细针状马氏体 齿部不允许铁素体存在 心部硬度 HBS 经调质： 碳 钢 262～285 合金钢 270～302 对某些要求不高的齿轮（如有的开式大齿轮）可以采用正火预备热处理

表50 表面淬火硬化层深度的确定 钢中碳的质量分数（%） 硬化层终点硬度值 HV HRC 0.27～0.35 0.32～0.40 表50 表面淬火硬化层深度的确定 钢中碳的质量分数（%） 硬化层终点硬度值 HV HRC 0.27～0.35 0.32～0.40 0.37～0.45 0.42～0.50 ＞0.50 332 392 413 461 509 35 40 42 45 48

表48 齿轮表面淬火硬化层分布形式及应用范围 硬化层分布形式 工艺方法 强 化 效 果 应 用 范 围 高频（包括超音频）淬火 表48 齿轮表面淬火硬化层分布形式及应用范围 （齿根不淬硬） 硬化层分布形式 工艺方法 强 化 效 果 应 用 范 围 高频（包括超音频）淬火 中频（2.5kHz、8kHz）淬火 火焰淬火 回转加热淬火法 齿面耐磨性提高；弯曲疲劳强度没有多大影响，许用弯曲应力低于该钢材调质后的水平 处理齿轮直径由设备功率决定；齿轮宽度10～100mm;m≤5 处理齿轮直径由设备功率决定；齿宽35～150mm；个别可达400mm；m≤10 齿轮直径可到450mm；专用淬火机床m≤6,个别情况可到 m≤12 齿面耐磨性及齿根弯曲疲劳强度都得到提高；许用弯曲应力比调质状态提高30%～50%；可部分代替渗碳齿轮 处理齿轮直径由设备功率决定；齿宽10～100mm; m≤5 齿轮直径可到450mm；一般m≤6,个别情况m≤10 单齿连续加热淬火法 齿面耐磨性提高；弯曲疲劳强度受一定影响（一般硬化结束于离齿根2～3mm处）；许用弯曲应力低于该钢材调质后的水平 齿轮直径不受限制， m≥5 m≥8 齿轮直径不受限制，m≥6 沿齿沟连续加热淬火法 齿面耐磨性及齿根弯曲疲劳强度均提高；许用弯曲应力比调质状态提高30%～50%；可部分代替渗碳齿轮 齿轮直径不受限制， m≥5 齿轮直径不受限制，m≥10

3.4.2 齿轮感应淬火的工业应用 70年代莱比锡一次展览会上有一个齿轮渗碳淬火和感应淬火经济性的对比，见表51，所以1974年美国加工技术的评论曾预言，热处理今后的动向将是更多地采用感应淬火。 表51 渗碳淬火和感应淬火经济性的对比 比较项目 渗碳淬火 感应淬火 淬火费 22.75马克 5马克 磨削费 15马克 …… 工时（渗碳、淬火、回火、校正、喷丸等） 5天 20分钟 在齿轮从软齿面向硬齿面技术发展过程中，感应淬火工艺的确发挥了重要作用。尤其在我国，根据行业调查，汽车、拖拉机、矿山机械齿轮及通用减速器齿轮中采用感应淬火的比重是较大的。尤其机床齿轮，竟占到齿轮总量的70%以上。但现在一些原来采用感应加热淬火的冶金矿山机械齿轮、通用减速器齿轮以及机床主传动系统齿轮都不同程度地改用渗碳淬火。似乎其发展前景并未如预测的那样发展。 产生这种情况的原因是由于：（1）机械产品升级而对齿轮提出更高性能要求之后感应淬火潜 在而本质的弱点表现出来了；（2）我国感应加热淬火技术多年来发展较缓慢难于适应新的要求。

感应淬火往往出现早期失效，其失效形式见图25。早期失效产生的原因如下： （1）       感应淬火的强度问题 感应淬火往往出现早期失效，其失效形式见图25。早期失效产生的原因如下：   图25 感应淬火齿轮的早期失效形式 1）齿面硬度偏低 齿轮表面的耐磨性和疲劳强度都与齿面硬度密切相关，根据硬度和钢材含碳量的关系，只有当含碳量达到0.6%以上才能获得高硬度水平（图26），而一般感应淬火齿轮钢材含碳量都在0.45%以下。 图26 钢淬火硬度和含碳量关系

A-单频感应淬火 B-50Hz～250Hz双频感应淬火 C-传统整体淬火 2）硬化层与心部的过渡区薄弱 图27 冷轧工作辊切向残余应力 A-单频感应淬火 B-50Hz～250Hz双频感应淬火 C-传统整体淬火 图28 感应加热中产生的过度回火带 半径方向深度/mm 切向应力/MN·m-2 A C B 100 150 200 250 50 400 200 -200 -400 -600 Ac3 Ac1 tT 表面距离

3）硬化层偏浅 图29 应力和强度沿层深的分布 根据藤田公明的大量实验，建立了产生剥落裂纹的力学判据。 图29 应力和强度沿层深的分布 根据藤田公明的大量实验，建立了产生剥落裂纹的力学判据。 [τyz/Hv]max≤C (C=0.055～0.065) 实际情况是，大量的应用实践都反映按通常的硬化层深度确定原则都难于克服剥落的产生。 可能的原因：① 薄弱的过渡区；② 高的残余拉应力。在载荷应力的反复作用下而产生疲劳裂纹，最终导致硬化层剥落。 4）不利的齿根残余应力 表52 曲率半径对残余应力的影响 应力测量点 齿根表面 平板表面 齿节圆面 残余应力/MPa 0～98 –（300～400） –（400～500）

（2）齿轮感应淬火的工艺问题 齿轮感应淬火工艺的基本任务要达到： ◎ 沿齿廓分布的硬化层 ◎ 尽可能高的表面硬度 ◎ 足够的硬化层深度 ◎ 无淬火裂纹 淬火开裂是在我国齿轮感应加热实践中遇到的最大技术难题，尤其是齿根淬火开裂。齿根容易产生淬火开裂说明齿轮在淬火冷却时此处有过大的拉应力产生。 ① 用光弹模拟齿轮单齿沿齿沟淬火得到的应力——时间曲线见图30。从图中曲线可以看出，在冷却过程中，齿面与齿根所产生的应力随着时间有不同的变化趋势。从冷却开始，很快齿根处就受到比齿面高的拉应力作用。 ② 用X射线测试了沿齿沟淬火齿轮的残余应力。试验齿轮模数26mm，材料35CrMo，硬化层深度4mm，测试结果齿面有-400Mpa左右的残余压应力，而齿根表面则大约为+70Mpa的残余拉应力。这表明齿根在冷却过程中所受的热应力是相当大的，再加上表面缺陷因素，使此处存在很大的开裂倾向。

图30 光弹模拟齿轮单齿沿齿沟淬火应力——时间曲线 冷却时间/(s) 表面应力 σ/（Mpa） 图30 光弹模拟齿轮单齿沿齿沟淬火应力——时间曲线

表53是沿齿廓硬化层与仅齿面分布硬化层齿轮的弯曲疲劳强度。 表53 不同硬化层分布齿轮的弯曲疲劳强度 （3）提高我国齿轮感应淬火技术水平的途径 1）提高工艺水平 ① 实现沿齿廓的硬化层分布 表53是沿齿廓硬化层与仅齿面分布硬化层齿轮的弯曲疲劳强度。 表53 不同硬化层分布齿轮的弯曲疲劳强度 ② 采用“一发法”感应淬火工艺 “一发法”是与单齿感应加热淬火相比较而言，整个齿轮所有的齿（包括齿根）一次完成加热淬火。“一发法”淬火可以获得良好的强度性能，图31是美国TOCCO公司的试验结果。 疲劳强度    国 别 沿齿廓 沿齿面 美 国 德 国 中 国 300Mpa 100% 150Mpa 70% 60%

采用“一发法”感应淬火在工艺上带来一个显著的优点就是大大改善了淬火应力分布状态。图32是光弹模拟试验的热应力条纹图。从图中看到单齿淬火显示出不对称应力分布，而且齿根应力明显高于齿面（a）；相反，“一发法”感应淬火显示出应力分布的对称性很强，而且齿根和齿面的应力差也很小（b），从而减小了齿根的淬裂倾向。 图32 光弹模拟实验的热应力条纹 ③ 采用双频感应加热淬火 “一发法”感应淬火采用单频电源加热尚存在很大的局限性，因为按频率和模数关系，目前常用电源频率带200KHz～10KHz相应的最佳模数范围为2～5mm，使用面较窄，采用双频感应加热则可以扩大齿轮的模数应用范围。 双频感应加热的原理如图33所示。 图33 双频感应加热原理 (a) (b) 低频加热 热扩散 高频加热 热扩散 高频加热 低频加热

由于双频感应加热具有独特的优点，所以美国和日本的不少感应淬火公司都纷纷投入力量进行应用研究，表54、55、56是具有代表性的试验结果。双频感应淬火在美国被认为是一项技术革新。 表54 齿轮淬硬层深度及表面硬度 测试部位 双频淬火 单频淬火 渗碳淬火+回火 淬硬层深/mm 表面硬度HV 齿底 0.54 740～760 0.56 740～755 700～720 齿面 0.72 745～760 齿部淬透 745～770 0.62 705～720 齿顶 1.54 740～775 4.69 770～780 0.87 710～730 圆角处 0.52 770～775

表55 齿轮的淬火变形情况 (μm) 表56 齿根中央表面的残余应力（MPa） 双频感应淬火 单频感应淬火 渗碳淬火+回火 -788 测试参数 双频淬火 单频淬火 渗碳淬火+回火 齿形误差平均值 3.1～3.8 2.2～3.3 4.260～4.8 齿形偏移 6～5.6 6.8～4.8 16～9.4 齿形跳动 2～2.198 2.5～3.103 5.87～4.274 齿向误差平均值 1.5～3.7 2.1～4.4 6.96～5.26 齿向偏移 3.2～4.4 4～4.4 15.2～20 齿向跳动 1.14～1.58 1.73～1.85 5.2～7.51 表56 齿根中央表面的残余应力（MPa） 双频感应淬火 单频感应淬火 渗碳淬火+回火 -788 -513 -277

2）改善齿轮钢材冶金质量和齿根几何形状 ① 提高钢材含碳量 在感应淬火工艺得到改善和提高的条件下，特别是采用“一发法”淬火，将原来齿轮钢材的含碳量适当提高是完全可能的，如日本小松制作所对Ф600mm、模数15mm和Ф800mm、模数17mm的70Mn钢齿轮，前苏联对含0.55～0.70%的低淬透性钢齿轮，我国太原重机厂对60CrMoV钢、模数10mm、齿数12的轴齿轮采用整体一次加热淬火都不存在淬裂倾向，而单齿沿齿沟淬火时，即使是含碳量低的多的35CrMo钢也常常在齿根产生淬火开裂。 ② 改善原始组织 表57是对一感应淬火组织的微区分析结果，从表中数据可以看到，白色和黑色腐蚀区中Cr和Mn的含量相差1.64倍，贫Cr、Mn区很容易形成非马氏体。为防止非马氏体产生，只有提高加热温度和加强冷却，这又会促使淬火裂纹产生。 表57 感应淬火组织的微区分析 黑色区 白色区 ELEMENT WT（%） AT（%） SIK 2．08 4．05 1．82 3．56 CRK 0．30 0．32 0．72 0．73 MNK 0．57 0．71 0．70 黑色白色区系感应淬火试样经腐蚀后呈现的不同深浅区

图34 不良硬化层分布（左：齿根未硬化 右：齿面硬化不均） ③ 改善齿根几何形状，加大齿根圆角 德国和美国的齿轮专家研究了齿根圆角半径对齿根强度的影响，当圆角半径从0.076m增加到0.448m时（m-模数，mm），齿根圆角处的最大拉应力从720Mpa下降到550Mpa，降幅24%。我国第一拖拉机厂对重载汽车主动轴径加大圆角半径感应淬火后，使弯曲疲劳寿命提高10倍，同时，加大圆角半径对克服淬火裂纹也有明显的作用。 3）开发CNC淬火机床和大功率静态电源 图34是因感应器与齿轮藕合不当产生的硬化层不良分布而导致早期失效。图35是美国David&Brown热处理技术公司生产中采用的感应器与齿轮之间的间隙分配，从图中看到，齿顶间隙1.52mm，齿底仅0.89mm，要使感应器在整个淬火过程中不触及齿面，必然对机床的位置精度、运动精度及控制水平有很高的要求。 图34 不良硬化层分布（左：齿根未硬化 右：齿面硬化不均）

图35 感应器——齿廓藕合 发展“一发法”淬火工艺，相应要开发大功率晶体管固体电源，目前国内外情况如表58。 图35 感应器——齿廓藕合 感应器 轮齿 发展“一发法”淬火工艺，相应要开发大功率晶体管固体电源，目前国内外情况如表58。 表58 国内外大功率固体高频电源水平对比 功率范围（kW） 国别 高频 （SIT，MOSFET） 中频 （晶闸管） 超音频 （IGBT） 国外 ＞1000 ～10000 国内 ～100 ～3000 ～200 感应淬火工艺虽然还存在一些不足之处，但其优点仍为显著，国际上正在努力改善和提高其工艺技术水平。美国Contour Hardening Inc.认为，现代感应热处理的发展应改变传统的低频（3～10 kHz）、低功率（≤150kW）的长周期加热方法，变为采用大功率、双频、多频、多能级脉冲的短周期而精确的淬火工艺，现代电力电子技术及计算机控制技术的发展为此提供了充分的条件。

齿轮渗层深度大多根据模数来确定，可参见表59。 表59 渗层深度的推荐数据 3.5 齿轮的渗碳（C-N共渗） 3.5.1 齿轮渗碳（C-N共渗）技术参数的确定 （1）渗层深度的确定 齿轮渗层深度大多根据模数来确定，可参见表59。 表59 渗层深度的推荐数据 推 荐 数 据 来 源 汽车变速箱、分动箱齿轮 m＜3mm t=0.6～1.0mm 3mm＜m＜5mm t=0.9～1.3mm m＞5mm t=1.1～1.5mm 40Cr C-N共渗 t＞0.2mm 我国汽车拖拉机行业 汽车驱劝桥主动及从动圆锥齿轮 ms≤5mm t=0.9～1.3mm 5mm＜ms＜8mm t=1.0～1.4mm ms＞8mm t=1.2～1.6mm 拖拉机传动，动力齿轮 t≥0.18m 但 t≤2.1mm 40Cr C-N共渗 t=0.25～0.4mm 低合金渗碳钢 m≤4mm t=0.4～0.6mm m＞4mm t=0.6～0.9mm

续表59 推 荐 数 据 来 源 t=(0.20～0.30)m 我国大型重载齿轮 t=0.25m DIN 3990 t=0.15～0.2m   续表59 推 荐 数 据 来 源 t=(0.20～0.30)m 我国大型重载齿轮 t=0.25m DIN 3990 t=0.15～0.2m 德国本茨公司 美国 AGMA t≥3.15b（两齿面接触宽度的1/2） 日本 石田 t=0.15m m≤8mm t=0.8+0.05m m＞8mm 瑞士 MAAG t=(0.18～0.26)m m=6.35～1.27mm 英国 BS   美 国 Allis Charmers (工程机械齿轮) 法 国 TM公司 （“海豚”发动机齿轮） 径 节 渗层深度/mm ＞4.5～6.0 1.016～12.70 ＞3.0～4.5 .1270～1.651 ＞2.5～3.0 1.65～2.0321 ≤2.5 2.032～2.504 0.1375×弦齿厚，但 2.504～3.048 最深不得超过齿厚的1/6 2 3.048～3.556 模 数 渗层深度/mm 设计最大载荷 设计最小载荷 1;1.25;1.5 0.25～0.40 1.75;2;2.25 0.45～0.60 0.25～0.40 2.5;3 0.60～0.80 0.35～0.50 3.5;4 0.80～1.00 0.60～0.75  

① 有效硬化层深度与渗碳层深度之间的量值关系 （2）有效硬化层深度的确定 ① 有效硬化层深度与渗碳层深度之间的量值关系 表60 界限含碳量与钢材合金成分的关系（J9） 钢材种类 20MnCr5 SCM420 SAE8620 SAE4320 SCr420 20CrMnTi 界限含碳量（%） 0.45 0.39 0.48 0.28 0.47 表61 不同冷速下的界限含碳量 钢 材 20MnCr5 SCM420 SAE8620 SAE4320 SCr420 界 限 含碳量 120℃/s 0.46 0.42 0.44 0.38 0.43 18℃/s 0.50 0.49 0.61 0.65 0.60

表62 界限含碳量与淬火烈度的关系 表63 界限含碳量与工件大小的关系 介质及状态 淬火烈度（H） 界限含碳量（%） 油、静止 0.25 表62 界限含碳量与淬火烈度的关系 介质及状态 淬火烈度（H） 界限含碳量（%） 油、静止 0.25 0.40 油、缓慢搅动 0.35 0.34 油、强烈搅动 0.60 0.30 表63 界限含碳量与工件大小的关系 试样直径（mm） 界限含碳量（%） ф25 0.30 ф150 0.38

表64 20CrNi2Mo钢有效硬化层与渗碳层深度的关系 ② 如何保证有效硬化层深度 从以上的论述知道了有效硬化层深度受多种因素影响，如何在工艺实践中保证有效硬化层深度则需要企业在各自生产条件下对其重要的典型产品通过试验建立起对应的关系。 如沈阳汽车齿轮厂通过试验得到：对ф20mm的试样，金相法和硬度法，层深相差0.27mm，对于m=2～3的齿轮硬化层深度相差0.05～0.1mm，因此可以忽略。对于大型齿轮，洛阳矿山机器厂的试验结果列于表64。 表64 20CrNi2Mo钢有效硬化层与渗碳层深度的关系 试样截面 /mm 淬 火 冷却剂 表面硬度 （HRC） 550HV处的含碳量（%） ф30 静止油 60 0.34 ф50 0.40 ф70 0.46 55 0.38 0.52 0.62

表65 齿轮渗层表面碳（氮）的质量分数及表层组织的推荐数据 （3）表面碳（氮）浓度及表层组织 1）渗层技术要求见表65。 表65 齿轮渗层表面碳（氮）的质量分数及表层组织的推荐数据 参 数 推 荐 数 值 说 明 表面C（N）的质量分数 渗碳： C 0.7%～1.0% 碳氮共渗： C 0.7%～0.9% N 0.2%～0.4% 对承载平稳，要求耐磨和主要抗麻点剥落的齿轮，碳氮含量选高限；对受冲击载荷的齿轮，碳（氮）含量选低限 心部硬度 HRC 36.5 西德 本茨公司 45 日本 丰田公司 33.5～40 意大利 菲亚特 32～40 美国Allis Charmers(工程机械齿轮) 30～40 日本（大型重载齿轮） 33～48,m≤8 29～45,m＞8 我国汽车行业 大型重载齿轮 表 层组织 马 氏 体 细针状 1～5级 我国汽车行业规定 残余奥氏体 15%～30% 以硬度不低于57HRC为准 渗碳 1～5级 C-N共渗 1～5级 碳 化 物 常啮合齿轮 ≤5级 换档齿轮 ≤4级 轧机齿轮 ≤1μm (平均直径) 重机行业规定

2)表面碳浓度 渗碳表面碳浓度对齿轮的强度性能有较大的影响，所以各种规范中提出了一个含碳量范围，但是数据比较分散，有的推荐为0.7～0.9%，有的规定为0.8～1.0%，也还有认为1.0～1.2%为好的，不过美国Allis～chamers厂的观点是可取的，即表面含碳量高于0.9%的齿轮具有较高的表面点蚀疲劳抗力，而低于0.9%时齿轮的弯曲疲劳强度和冲击抗力得到改善。对于主要用于提高表面耐磨损的齿轮，表面碳含量可到1.2%。 另外有一点常常被忽略，即渗层淬透性。试验结果表明，对多数齿轮用钢在其含碳量为0.8～0.9%时具有最高的淬透性，图36是美国的某公司提供的试验数据。 图36 渗碳钢不同含碳量的淬透性曲线

3)渗碳层的金相组织影响齿轮强度性能的渗碳层组织主要有碳化物、残余奥氏体及马氏体。 ①碳化物 图37 铬锰钛钢不同碳化物对接触疲劳的影响 1号—表面含碳量0.93%，马氏体+细点状碳化物； 2号—表面含碳量0.83%，单纯马氏体； 3号—表面含碳量1.07%，块状碳化物； 4号—表面含碳量1.07%，粗大碳化物。

图38 碳化物对20CrMnTi钢齿轮弯曲疲劳性能的影响 1—渗碳层深1.3～1.5mm，碳化物1级 2—渗碳层深1.7～1.9mm，碳化物4级 表66 碳化物级别与疲劳寿命 综合各种试验数据可以得出结论，粗大的块状、尖角状、网状分布的碳化物对齿轮性能有显著的不利影响，一般碳化物应控制在2级以下。 碳化物级别 ＜4 4～6 ＞6 疲劳寿命（万次） 95.2 66.7 33.3

日本大和久重雄整理了国际上各种观点的文章后得出以下的看法： a、Ar在交变应力作用下转变成马氏体，其转变量是应力的函数； ②残余奥氏体 日本大和久重雄整理了国际上各种观点的文章后得出以下的看法： a、Ar在交变应力作用下转变成马氏体，其转变量是应力的函数； b、在高应力（低循环周次）情况下，疲劳寿命随Ar的增加而提高，在低应力（高循环周次）情况下，疲劳寿命随Ar的增加而降低。因而，根据零件的实际工况不同其最佳Ar含量亦不同； c、齿轮的点蚀抗力会因轮齿的啮合率增加（压应力减小）而提高，由于Ar可以增加接触率，缓和应力集中，所以Ar的存在是有利的，其含量在10～25%最佳。 d、在负荷的作用下Ar发生塑性变形而使齿的接触状况改善，并且能维持齿轮的精度；但最好能不使Ar在应力下转变成马氏体，以免产生齿轮变形。 综合各种试验数据，对汽车渗碳齿轮其Ar含量最好控制在10～25%为宜。表67是南京汽车制造厂进行的齿轮台架试验结果，其最佳Ar含量也是在10～25% 范围。 表67 残余奥氏体含量与疲劳寿命 Ar含量（%） ＜10 10～20 20～40 ＞40 平均疲劳寿命（万次） 70.9 104.8 51.3 24.5

在金相观察中，马氏体针与残余奥氏体密切相关，粗大的马氏体针总是伴随关大量的残余奥氏体存在。 ③马氏体 马氏体是渗碳层的基本组织。 对马氏体组织的控制主要是马氏体针的大小。马氏体针大小与奥氏体晶粒大小密切相关，而奥氏体晶粒大小从材料来说与原始晶粒度有关，从热处理工艺来说与渗碳温度有关，因而控制马氏体针大小即要从以上两方面严格把关。 在金相观察中，马氏体针与残余奥氏体密切相关，粗大的马氏体针总是伴随关大量的残余奥氏体存在。 在齿轮的渗碳和C-N共渗中常常在表面产生非马氏体黑色组织，当其深度达到一定程度时就会对接触疲劳寿命产生不利影响，表68是一试验结果。 表68 黑色组织对接触疲劳寿命的影响 C-N共渗层深 （mm） 黑色组织层深 (mm) 在360MPa应力下 出现麻点的周次（N） 0.92～0.95 55.9×106 0.8 0.025 7.7×106 1.0～1.1 0.07～0.08 0.46×106

国外所进行的试验结果也表明，心部硬度存在最佳值范围，见图39，其值在35～42HRC。 (4)心部硬度 表69 渗碳齿轮心部硬度对弯曲疲劳寿命的影响 国外所进行的试验结果也表明，心部硬度存在最佳值范围，见图39，其值在35～42HRC。 关于心部硬度的测定部位，长期以来我们是在距齿顶2/3的齿高处，或轮齿中心线与齿根圆相交处，现在国际标准和我国的相关标准规定为在中齿宽处齿根30°切线的法向上，深度为5倍硬化层深的硬度；但最小深度不得小于1倍模数。这从齿轮的受力分析显然是合理的，同时还可以反映出钢材的淬透性能及热处理质量。 钢号 硬度（HRC） 渗层深度 (mm) 破坏时 循环次数 表面 心部 20MnTiB 20CrMnTi 30CrMnTi 60～62 41 35～37 50 1.15 1.25 0.85 58 380 34 200 21 800 图39 齿根心部硬度对弯曲疲劳强度的影响

渗碳设备的选用有两大原则：（1）适合于生产纲领并具有合理的经济性；（2）优良的技术性能及可靠性。 (1) 渗碳设备类型的选用 3.5.2 渗碳设备 渗碳设备的选用有两大原则：（1）适合于生产纲领并具有合理的经济性；（2）优良的技术性能及可靠性。 (1) 渗碳设备类型的选用 表70是从生产量的角度考虑。 表70 各种炉型的生产能力和投资比较 注：① 按105kw设备，不含碳控、淬火、清洗、回火 ② 最大装炉量按1000kg，配置按1-1-1考虑 炉型 井式炉 密封箱式炉 连续式炉 单排 双排 生产能力（kg/h） 50～55 80～100 300～320 600～640 工序耗电（kwh/kg） 1.3 0.9 0.6 0.5 设备投资（万元/kg） 0.2① 1.4② 1.0 0.72

(2) 渗碳炉的参数控制 对渗碳炉最基本的性能要求是碳势和炉温的有效控制。现代各种炉型的碳势控制配置、仪表选用可能各不相同，但其控制方案没有大的差别，图40是渗碳炉的控制系统框图。 图40 渗碳炉控制系统框图 上位机 打印机 控制单元 PLC 机电系统 加热系统 供气系统 碳控仪 温控仪 红 外 线 氧探头 热偶Ⅱ 热偶Ⅰ 渗碳炉

3.5.3 淬火冷却 渗碳后的齿轮对淬火冷却的要求：达到要求的表面硬度和心部硬度；达到要求的有效硬化层深度；尽量小的淬火变形。 (1) 淬火介质 为了达到以上三条要求，合理选择淬火介质就显得尤为重要，通常可按以下原则选用： a）钢材的含碳量 齿轮钢材含碳量与心部硬度有关，心部含碳量越低，要求淬火油的冷却速度就越高。 b）钢材的淬透性 齿轮钢材淬透性越高，淬火油的冷却速度就可以低些。 c）齿轮有效厚度 齿轮有效厚度越大，要求淬火介质冷却速度就越高。 d）齿轮结构形状 齿轮结构形状越复杂，要求淬火介质的最高冷却速度越低。 根据以上不同要求可分别选用商品油：光亮淬火油、快速淬火油及等温分级淬火油，并注意淬火油的三大品质，即：冷却特性、特性的稳定性及安全性。

图43 普通油淬（a）和分级淬火（b）的锥度变形 冷却曲线 回火到理想 硬度 中心 表面 时间 温度 Ae3 Mf Ms 均温 400 300 200 100 表面 10 20 θ℃ ① 0Ms ② 热油淬火 ①② 零件在淬火的某一 时刻的温度（θ）梯度 离表面的距离1/10mm 冷油淬火 MS   图41 齿轮在热油（330至325F）中分级淬火 图42 热油和冷油淬火影响的示意图 图43 普通油淬（a）和分级淬火（b）的锥度变形

图44 普通油淬（a）与分级淬火（b）的椭圆变形 马氏体等温淬火的等温温度通常应选在渗碳表面MS以下50℃左右，表71是几种齿轮渗碳表面的Ms点温度。 表71 几种钢渗碳表面Ms点温度 钢 种 Ms点温度 20CrMo 100～120 20CrMn 130 20CrMnTi 130～150 20CrNi 120～150 20Cr2Ni4 110 12CrNi3 120

（2）淬火槽 图46 与渗碳炉配套的淬火油槽 炉门罩 炉罩进气孔 料筐（上位） 提升机 清洁气出口 炉罩排气孔 驱动装置 清洁气进口 图46 与渗碳炉配套的淬火油槽 炉罩进气孔 炉门罩 料筐（上位） 提升机 清洁气出口 炉罩排气孔 驱动装置 清洁气进口 料筐（下位） 搅拌器 加热冷却器

表73是不同淬火烈度对有效硬化层深度的影响。 表73 淬火烈度对有效硬化层深度的影响 表72 搅拌对淬火介质烈度的影响 表73是不同淬火烈度对有效硬化层深度的影响。 表73 淬火烈度对有效硬化层深度的影响 搅拌程度 介质流速（m/min） 淬火油 水 静止 缓慢 中等 较强 强烈 15 30 60 230 0.25～0.30 0.30～0.35 0.35～0.40 0.40～0.50 0.50～0.80 0.9～1.0 1.0～1.1 1.2～1.3 1.4～1.5 1.6～2.0 淬火烈度 H 界限含碳量 （质量分数，%） 有效硬化层深度，mm 0.25 0.35 0.60 0.53 0.46 0.36 1.11 1.24 1.48

图47 两种渗碳钢高温奥氏体化的IT图（a）和CCT图（b） 3.5.4 渗碳淬火齿轮毛坯的预备热处理 图47 两种渗碳钢高温奥氏体化的IT图（a）和CCT图（b） 20CrMnTi ( a) (b) 20MnCr5

（2）毛坯的普通正火热处理 （3）毛坯的等温正火热处理 图48 普通正火冷却速度对硬度的影响 图49 等温正火示意图

① 等温正火工艺参数的确定 图50 等温正火工艺过程示意图 图51 等温正火温度与硬度的关系

② 齿坯的预备热处理 表74所列普通正火后硬度的散差较大。采用等温正火可以有效改善硬度的均匀性，图52是等温正火后的硬度分布情况，表75是等温正火对减小变形的效果。 表74 普通正火毛坯硬度散差 零件编号 最低硬度 最高硬度 同件散差 11# 168 195 27 12# 160 266 106 13# 171 189 18 14# 175 205 30 15# 191 300 109 22# 165 26 23# 181 276 95 24# 206 41 25# 176 230 54 31# 161 192 31 最大 最小 同批散差 111 91

表75 等温正火对减小渗碳淬火齿轮变形的效果 图52 等温正火零件硬度分布直方图 零件名称 参 数 与名义尺寸的相对误差（%） 普通正火 T下 T上 硬度 HB 频数 图52 等温正火零件硬度分布直方图 表75 等温正火对减小渗碳淬火齿轮变形的效果 零件名称 参 数 与名义尺寸的相对误差（%） 普通正火 等温正火 后桥齿轮（20Cr2Ni4A） 中心距 14 9 变速箱齿轮（20CrMnTi） 花键孔直径 15 11.5 变速箱齿轮（25CrMnTi） 10.5 6.5

3.5.5 渗碳淬火技术的应用和发展 （1）大型重载齿轮的深层渗碳 （2）大型焊接齿轮的渗碳淬火工艺 （3）化学催渗渗碳

表76 原工艺：装炉量180只 节拍36min、渗碳周期13.2小时 区段 一区 二区 三区 四区 五区 温度℃ 860 900 930 830 碳势C%   1.0 1.2 0.95 0.85 甲醇量L/h 0.5 0.25 丙酮量L/h 0.8 1.2～1.5 空气 自 动 调 节 区段 一区 二区 三区 四区 五区 温度℃ 860 900 930 830 碳势C%   1.0 1.2 0.95 0.85 甲醇量L/h 0.5 0.25 丙酮量L/h 1.5～2.0 空气 自 动 调 节

表78 原工艺和催渗工艺检查结果 表79 原工艺参数 金相组织（范围≤） 渗层mm 表面硬度 HRC 花键变形 范围mm 工艺 M Ar K 表78 原工艺和催渗工艺检查结果 表79 原工艺参数 金相组织（范围≤） 渗层mm 表面硬度 HRC 花键变形 范围mm 工艺 M Ar K F 原工艺 5级 1级 1.05～1.2 58～64 0.03～0.12 催渗工艺 4级 3级 1.05～1.15 59～63 0.05～0.11   预氧化 预热区 透烧区 渗碳区 扩散区 预冷区 清洗 回火 温度℃ 480 880 920 940 850 70 180 保护气流量（m3/h） 7 6 4 5 碳势% 1.05 1.20 1.10 1.00 时间（分钟） 125 100 75 150 50

表80 催渗工艺参数 表81 层深、组织及硬度对比 预氧化 预热区 透烧区 渗碳区 扩散区 预冷区 清洗 回火 温度℃ 480 890 表80 催渗工艺参数 表81 层深、组织及硬度对比   预氧化 预热区 透烧区 渗碳区 扩散区 预冷区 清洗 回火 温度℃ 480 890 900 820 70 180 保护气流量（m3/h） 3 4 5 6 碳势% 1.25 1.0 0.90 催渗剂流量（ml/min） 时间（分钟） 125 100 75 150 50 工艺 有效硬化层深（mm） 碳化物级别 残余奥氏体级别 表面硬度（HRC） 心部硬度（HRC） 原工艺 0.95～1.10 3 4 60～62 35～40 催渗工艺 1.00～1.05 34～38

表82 催渗前后变形量的对比 化学催渗的另一个作用是明显改善渗层的碳化物形态，同时还使马氏体组织得到细化，从而明显提高齿轮的强度性能，表83是催渗与常规渗碳试验齿轮接触疲劳寿命的对比数据。 表83 催渗与常规渗碳齿轮的接触疲劳寿命对比 ※ 50%可靠度 试样 内孔变化 ㎜ 齿形变化 ㎜ 齿向变化 ㎜ 中心距变化 ㎜ 应用前 应用后 15个试样平均值 0.14 0.09 0.009 0.006 0.007 0.005 0.026 0.021 标准 热前尺寸Ф61.775 热后尺寸Ф62 允许变形量0.225mm 热后精度允许降低一级即0.08mm，齿形精度8FG，GB10095-88 热后精度允许降低一级即0.007mm，齿形精度8FG，GB10095-88 中心距 148±0.0315 项 目 高应力水平 2300MPa 低应力水平 2100MPa 催渗 常规渗碳 疲劳寿命※ 4.45×106 6.41×105 1.10×107 1.53×106

图56是气淬+油淬双冷连续真空渗碳炉结构图。 （4）真空低压渗碳+油淬或气淬 真空渗碳从60年代开发，70～80年代逐步完善，但由于甲烷、丙烷在低压真空中裂解产生碳黑而未得应用。90年代利用乙烷、丙烷或丙烯的低压脉冲渗碳解决了碳黑生成问题。特别是进一步解决了渗碳—淬火—回火设备一体化及渗碳后高压气淬的技术关键问题而使真空低压渗碳进入工程应用的新阶段。 真空渗碳的一般工艺见图55。 图56是气淬+油淬双冷连续真空渗碳炉结构图。 图55 钢件低压渗碳淬火回火一般工艺

图56 气淬+油淬双冷连续真空渗碳炉结构

图57 推杆式气体渗碳+高压气淬生产线构成及布置示意图 （5）常规渗碳+高压气淬 图57 推杆式气体渗碳+高压气淬生产线构成及布置示意图

3.6 齿轮的渗氮 3.6.1 齿轮渗氮的性能及技术参数 表84 影响渗氮齿轮力学和物理性能的主要因素 力学和物理性能 3.6 齿轮的渗氮 3.6.1 齿轮渗氮的性能及技术参数 表84 影响渗氮齿轮力学和物理性能的主要因素 力学和物理性能 影 响 因 素 及 影 响 倾 向 性 接触疲劳强度 1．渗氮层厚度。一般厚度增加，强度提高 2．心部强度。心部强度提高，接触强度提高 3．表面硬度。表面硬度提高，接触强度高 弯曲疲劳强度 光滑试样 1．扩散层厚度增加，强度提高 2．氮的固溶量增加，强度提高 缺口试样 1．化合物层越厚，强度下降 2．晶间化合物严重，强度下降 3．γ′相越多，强度越高 耐 磨 性 有润滑条件 ε最高，ε+γ′单相次之，γ′较差 干摩擦条件 γ′最耐磨(γ′的韧性起主导作用) 抗胶合性能 　ε相具有最高的抗胶合极限，其次是ε+γ′；γ′相和纯扩散层的抗胶合极限最低 渗氮层脆性 　以ε相为主的渗层脆性最高；具有γ′单相的渗层韧性最高；下表是45钢渗氮试样扭转声发射试验数据： 化合层组织 化合层厚度/μm 出现第一条裂纹扭转角/（°） γ′ γ′+ε（少） ε+γ′ ε 6 10 20① 20 61.5 50.0 28.5 14.5 ①化合层与扩散层交界处有须状氮化物

1．经渗氮后试样冲击韧性下降 2．预先热处理为正火，其冲击值比调质更低 下表是不同材料渗氮后的试验结果   冲击韧度 1．经渗氮后试样冲击韧性下降 2．预先热处理为正火，其冲击值比调质更低 　 下表是不同材料渗氮后的试验结果 钢　号 预先热处理 离子渗氮工艺 冲击韧度α/(J/cm2) 38CrMoAlA 930℃正火 － 91 530℃×12h 27 930℃油淬，670℃回火 162 85 40Cr 880℃正火 78 3.8 860℃油淬，600℃回火 159 71 20CrMnTi 245 25 930℃油淬，620℃回火 249 67 30CrMoAl 930℃，900℃两次正火 134 28 900℃油淬，620℃回火 180 92 30CrMnAl 111 15 880℃油淬，620℃回火 181 99

齿轮的渗氮层深度可以根据模数按表85中所推荐的数值选用。 (2)渗氮齿轮的技术参数 1)渗氮层深度 齿轮的渗氮层深度可以根据模数按表85中所推荐的数值选用。 工业齿轮的渗氮层深度，除参考上表选择外，建议采用大于0.6mm的渗层深度，这时齿轮的承载能力、抗磨损、抗疲劳性及抗胶合等综合性能均较好，具有较宽的工况适用性。 2)渗氮层表面硬度 常用齿轮材料渗氮后的硬度可参考表86中所列数值。 表85 齿轮渗氮层深度的选择 ① 对某些重载齿轮，其渗层深度要求达0.8～1.2mm 模　数 公称深度/mm 深度范围/mm ≤1.25 1.5～2.5 3～4 4.5～6 >6① 0.15 0.30 0.40 0.50 0.60 0.10～0.25 0.25～0.40 0.35～0.50 0.45～0.55 >0.50

针对渗氮齿轮机械性能和使用工况的不同要求，表87提供了一些参考原则。 表87 渗氮齿轮渗层组织及心部组织的考虑原则 3)渗氮层组织及心部组织 针对渗氮齿轮机械性能和使用工况的不同要求，表87提供了一些参考原则。 表87 渗氮齿轮渗层组织及心部组织的考虑原则 （3）渗氮齿轮的制造工艺流程 表88是根据齿轮制造精度要求而采用的工艺流程。 表88 渗氮齿轮的制造工艺流程 组织因素   性能要求 渗氮层组织 心部组织 ε相 γ′相 扩散层 调质态 耐　磨　性 有润滑 为主 干摩擦 弯曲疲劳强度 应力集中轻微 应力集中严重 接触疲劳强度 要求 抗胶合性能 抗冲击性能 渗层韧性 单相 一般精度要求的齿轮 　锻造→粗车→调质（正火）→精车→滚齿→（剃齿）→渗氮 精度要求高的齿轮 　锻造→正火或退火→粗车→调质→半精滚齿→去应力退火→精滚齿→剃齿→渗氮→珩齿

图59 8620钢渗碳和4140、38CrMoAl钢渗氮后的弯曲疲劳强度与有效渗层深度的关系 3.6.2 渗氮齿轮的强度性能 （1）渗氮齿轮的耐磨性 （2）渗氮齿轮的弯曲疲劳强度 图59 8620钢渗碳和4140、38CrMoAl钢渗氮后的弯曲疲劳强度与有效渗层深度的关系

表89 齿轮的弯曲疲劳极限（R=99%） 图60 单齿脉冲试验的S-N曲线 齿轮材料 热处理工艺 有效硬化层深度/mm σF/N·mm-2 42CrMo 25Cr2MoV 20Cr2Ni4 20CrNi2Mo 中硬调质+离子渗氮 常规渗碳淬火 0.7 1.2～1.3 280 335 325 226

（3）渗氮齿轮的抗胶合能力 表90 渗氮齿轮的胶合性能 （4）齿轮的接触疲劳强度 表90 渗氮齿轮的胶合性能 （4）齿轮的接触疲劳强度 在渗氮齿轮强度方面，接触疲劳强度是最关键的，也是人们关心的焦点。因为齿轮受接触负荷产生的最大赫兹应力是在表面以下一定的深度，因而严峻考验着由于较浅渗氮层的承载能力。 表91齿轮接触疲劳极限（R=99%） * 选自德国M.Wock等人发表的数据 齿轮材料 热处理工艺 渗层深度及相结构 胶合等级 25Cr2MoV 20Cr2Ni4 20CrNi2Mo 调质+离子渗氮 渗碳淬火 0.5mm，α相 0.5mm，γ′相 0.5mm，γ′+ε 1.2～1.3mm 8 9 12 5 7 齿轮材料 热处理工艺 有效硬化层深度/mm σF/N·mm～2 42CrMo 25Cr2MoV *31CrMoV9 20Cr2Ni4 20CrNi2Mo 中硬调质+离子渗氮 常规渗碳淬火 0.7 0.55～0.6 0.54 1.2～1.3 1533 1648 1560 1415

为了研究渗氮齿轮的接触疲劳性能，我国对渗氮齿轮的承载能力进行了系统的试验研究工作，表91是按ISO标准进行的齿轮台架试验结果。从表中数据可以看到，渗氮齿轮与渗碳齿轮的接触疲劳极限在相同等级范围，而且与ISO和AGMA齿轮设计数据基本相同，都在1400～1500Mpa。 英国自70年代开始就由国防部资助的一个组织NAVGRA在从事军舰用齿轮的研究中对渗氮齿轮的承载能力进行了大量系统的工作，最后根据试验结果将渗氮层深度与试样（或齿轮）的相对曲率半径联系在一起绘制成图61。从图中曲线看到，对渗氮和渗碳试样接触疲劳强度都是随着有效硬化层深/相对曲率半径的增加而提高。渗碳层深度减小，相对曲率半径增大，或渗氮层深度增加，相对曲率半径减小，便会从曲经的外延趋势看到 两者不存在多大差别。也就是说，在论及渗氮齿轮与渗碳齿轮的承载能力时，要综合考虑渗层深度及轮齿的曲率半径（齿轮模数）。 有效层深（HV0.5）/相对曲率半径 图61 渗层深度、曲率半径和耐久应力间的关系

3.6.3 提高渗氮齿轮强度的途径 从前面的渗氮齿轮与渗碳齿轮的力学性能对比分析看到，在耐磨性、抗胶合能力方面渗氮齿轮表现出明显的优势；在弯曲疲劳性能方面，如果是高应力低周疲劳，渗氮齿轮有明显的不足，然而从工程应用的角度，硬齿面齿轮的设计寿命都在107以上，所以弯曲疲劳也不应当是渗氮齿轮的弱项。 提高渗氮齿轮的强度和寿命关键在于如何提高接触疲劳强度。影响渗氮齿轮接触疲劳强度的主要因素有以下几个：（1）渗层深度，尤其是有效硬化层深度；（2）心部强度（硬度）；（3）表层组织。 其中，渗氮层深度和心部硬度紧密相关，由图62可从赫兹应力的角度分析两者的作用和相互关系。曲线1为由最大剪切应力换算成的硬度梯度，曲线2为渗氮的硬度梯度，显然，两曲线的交点A为危险点。为克服强度的薄弱点，可采用两种途径：（1）增加层深，使硬度分布变成曲线2′；（2）提高心部硬度，从原来的H1提高到H2。因而，提高渗氮齿轮接触疲劳强度的途径也就比较清楚。 图62 提高接触疲劳强度途径示意图

表92 预氧化与未氧化两段渗氮速度的比较 图63 25Cr2MoVA钢的硬度梯度曲线 图64 工艺方式示意图 材料 渗氮时间/h 是否氧化 表92 预氧化与未氧化两段渗氮速度的比较 材料 渗氮时间/h 是否氧化 渗层深度/mm 表面硬度 HV0.01 38CrMoAl 40Cr 24 未氧化 氧化 0.28 0.24 0.46 0.60 986～991 510～515 1018～1064 575～595 1-快速渗氮 2-常规渗氮 图63 25Cr2MoVA钢的硬度梯度曲线 1-低真空脉冲工艺曲线 2-恒压工艺曲线 3-加压脉中工艺曲线 图64 工艺方式示意图

（2）提高心部硬度 心部硬度直接影响渗氮层的支承能力。文献报导，由于心部硬度偏低连续出现轮齿的破断。试验表明，当齿轮心部硬度由240～260HB提高到310～330HB时，接触疲劳强度可提高30%。 不仅如此，心部硬度的高低还通过影响渗氮层的表面硬度来影响齿轮的承载能力，因此美国的有关技术文件规定，作为渗氮钢，如4140和4340，为了获得足够的渗氮层表面硬度，其心部硬度不能低于300HB。根据对4340钢的试验结果，当心部硬度低于300HB时，其渗层最高硬度只能达到50HRC左右。 图68 Mo和冷却速度对正火硬度的影响

（3）改善表面显微组织 试验表明，对于受力不大，主要要求表面耐磨、抗胶合的齿轮，渗氮表层以ε相为好。然而，大多数齿轮还是以传递动力为主，轮齿承受较高接触应力，如果齿面存在以ε相为主的白亮层，则会由于脆裂而成为疲劳裂纹源，这一点已成为大家的共识。 然而，齿轮长周期深层渗氮常常伴随着白亮层的生成，如何控制白亮层厚度就成为工艺的难点。远在1940年，以美国Floe博士为首开发的双程渗氮工艺极大地减少了脆性的白亮层，如AMS6470钢用520℃、氨分解率28%的单程渗氮60h，其白亮层0.033mm；经改用520℃氨分解率28%保温9.5h，再升至550℃，氨分解率80%保温50.5h，白亮层减少到0.020mm。文献对4140和4340钢采用双程渗氮工艺，经60h渗氮后，在层深0.6mm时其控制到0.018mm。 随着离子渗氮、真空渗氮及现代计算机控制技术在热处理工艺中的应用，使得渗氮层的成分控制变得容易。德国Clöckner-离子公司在离子渗氮、加拿大NITREX金属公司和德国IVA公司在气体渗氮方面都有卓越的成绩，而且已形成商业的硬软件系统。由于真空渗氮能使金属表面活化和洁净化，在加热、保温、冷却整个工艺过程中不纯的微量气体被排出，含活性物质的纯净复合气体被送入，使表面层相结构得以控制和调整。我国的离子渗氮及计算机渗氮控制技术在国际上属先进水平。图69是上海交通大学开发的计算机可控渗氮工艺示意图，这种工艺彻底改变 了传统的以氨分解率为控制参数的模式而直接控制氮势，并且提供了形成白亮层的门槛值曲线。郑州机械研究所的深层渗氮单相控制技术已成为专利。

氮势门槛值曲线 无白亮层最优扩散条件氮势控制曲线 实际控制曲线 图69 可控渗氮新工艺示意图

3.6.4 渗氮齿轮的工业应用 表93 离子渗氮与C-N共渗工序比较 表94 英国的渗氮齿轮工业应用举例 3.6.4 渗氮齿轮的工业应用 表93 离子渗氮与C-N共渗工序比较 表94 英国的渗氮齿轮工业应用举例 机加工→加工车间内转送→清洗→装炉→渗氮→最终检验→装配 喷丸→转送到磨加工工部→磨齿→涂油→转送到工厂（Ⅱ）→清洗→终检→装配 热处理工艺 工 序 离子渗氮 探伤件返修 C-N共渗 机加工→包装→转送到工厂（I）→清洗→装炉→C-N共渗→清洗→回火 齿轮 参数 高速工业用 低速工业用 船 用 发动机 军舰发动机 非同心 轴传动 蒸气透平 H/D 压缩机 碎煤机 水泥磨 柴油机 燃气 透平 燃气透平 功率/kW 6570 4588 336 2237(功率分支) 8056 5787 11190 18550 14000 小齿轮节圆直径/mm 228 158 234 212 560 202 262 365 283 大齿轮节圆直径/mm 838 972 1065 1620 1436 652 1318 1273 1165 模数/mm 4.4 4.23 8.47 12 6.47 8 运行年限 15 6 9 1(1/2) 4

表95 我国渗氮（离子）齿轮工业应用举例 齿轮名称 主要参数 钢材 离子渗氮结果 350马力涡轮发电机减速器齿轮 模数：2.5 齿数：256 表95 我国渗氮（离子）齿轮工业应用举例 齿轮名称 主要参数 钢材 离子渗氮结果 350马力涡轮发电机减速器齿轮 模数：2.5 齿数：256 精度：6级 线速度：105.8m/s 40CrNiMo 表面硬度：HV5 590～600 渗层深度：0.75～0.8mm 表面相结构：γ′单相 脆性：1级 炼油厂 3000kW双圆弧齿轮（对） 模数：4.5 齿数：44/64 精度：5～5～6 线速度：118m/s 34CrNi3Mo 表面硬度：HV5 620～610 渗层深度：0.5mm 水 坝 200t启闭机1150减速器齿轮 模数：6 齿数：20 25Cr2MoV 表面硬度：HV5 720～750 渗层深度：0.7～0.75mm 344t牵引强力采煤机行星减速器内齿圈 模数：8 齿数：66 精度：7级 42CrMo 表面硬度：HV5 640～660 渗怪深度：0.73mm 高速线材轧机齿轮 表面硬度：HV5 660～730 渗层深度：0.5～0.55mm 卷扬机输入轴齿轮 模数：9 齿数：22 表面硬度：HV5 730～760 渗层深度：0.8mm 轧钢机减速器传动齿轮 模数：10 齿数：67 表面硬度：HV5 670～680 渗层深度：0.83mm

根据国内外研究试验及应用表明，渗氮齿轮的心部硬度对承载能力作用很大，所以尽可能提高心部硬度，至少不应低于300HB。 （3）表面组织 3.6.5 渗氮齿轮应用的技术要点 （1）齿轮钢材的选择 以Cr-Mo钢为基础的齿轮渗氮钢，是当前国际上应用较为成熟的钢种，其中SAE4140、SAE4340、Nitralloy135M、DIN42CrMo4、DIN31CrMoV9等，我国的38CrMoAl、30CrMnAl、42CrMo、25Cr2MoV是推荐的较好齿轮渗氮钢。 （2）心部硬度 根据国内外研究试验及应用表明，渗氮齿轮的心部硬度对承载能力作用很大，所以尽可能提高心部硬度，至少不应低于300HB。 （3）表面组织 除了少数以传递运动为主仅要求耐磨性的齿轮之外，表面组织应以γ′相为主，尽量减少ε相。为了有效地控制相组份，采用离子、真空渗氮及计算机氮势控制和双程渗氮工艺可以获得良好的效果。 （4）渗层深度 目前所进行的试验研究及工业实践表明，用于传递运动的齿轮其层深大多在0.2～0.4mm，而用于传递动力的工业齿轮要求层深在0.5mm以上。美国费城齿轮公司规定，模数m=2～6，深度0.64～0.76mm；模数m＞6～9，深度0.89～1.02mm。 表96 工业渗氮齿轮的应用范围 参数 燃气 透平 蒸气透平 压缩机 H/D 碎煤机 水泥磨 军舰蒸 气透平 功率（kW） 模数（mm） 接触应力（MPa） 最大剪切应力峰值深度（mm） 6570 4.4 904 0.39 4588 4.23 905 0.29 336 8.47 835 2237 1014 0.45 5787 6.47 996 0.44 11190 1065 0.61

4 齿轮热处理质量检验及控制 4.1 齿轮热处理质量检验 4.1.1 质量检验方法 表97 性能及随炉试样的使用和要求 试 样 种 类 4 齿轮热处理质量检验及控制 4.1 齿轮热处理质量检验 4.1.1 质量检验方法 表97 性能及随炉试样的使用和要求 试 样 种 类 用 途 技 术 要 求 数 量 力学性能试样 齿轮力学性能检查 轴齿轮：试样留在轴的冒口端，长度180mm 齿轮或齿圈：试样留在端面，厚度40mm 按力学性能试验要求 工艺试样 中间试样 （过程试样） 检查控制热处理工艺过程、调整工艺参数、决定停降温时间等 试样材料与齿轮相同   最终试样 圆棒或方块试样 质量评定，如表面及心部硬度、组织、表面C、N的含量，渗层（表面淬火层）深度，硬度梯度等 1．与齿轮同批材料，并在相同条件下预处理 2．圆棒或方块试样的结果用来说明同炉齿轮的结果必须另有试验依据 　3．齿块试样不得少于3个齿 　1．周期炉：1~2个试样/炉 　2．大批量生产连续炉：定期检查，1~2件齿轮/批 　3．表面淬火：2个齿块/批检查首末工艺 齿块试样

4.1.2 质量检验内容 4.2 齿轮的热处理质量控制 表98 调质齿轮的常见缺陷及防止措施 序号 缺陷名称 产 生 原 因 防 止 措 施 4.1.2 质量检验内容 4.2 齿轮的热处理质量控制 表98 调质齿轮的常见缺陷及防止措施 序号 缺陷名称 产 生 原 因 防 止 措 施 1 调质硬度偏低 齿轮钢材含碳量偏低；淬火加热规范不当；表面脱碳；淬火冷却不足；回火温度偏高；材料选择不当 检查钢材化学成分；调整加热淬火规范；降低回火温度；更换钢材 2 调质层深不足 选材不当，钢材碳量或合金含量偏低；淬火规范不当 根据齿轮模数和尺寸选用合适淬透性钢材；检查钢材化学成分；调整加热冷却规范；大模数齿轮采用开齿调质 3 硬度不均匀 钢材原始组织不良；淬火冷却不均匀；淬火回火加热温度不均匀 检查钢材质量；重新进行一次正火或退火；加强冷却液的循环；改善淬火回火温度均匀性 4 塑性韧性偏低 材料夹杂等内部缺陷超标；调质工艺规范不当；材料选择不当；取样位置不当 重新检查材料；调整调质工艺；更换材料；正确选取试样 5 变 形 加热不均匀；装炉不合理；冷却规范不当 适当加大加工余量，改善加热条件；正确选用冷却方法；校直并时效

表99 表面淬火齿轮的常见缺陷及防止措施 序号 缺陷名称 产 生 原 因 防 止 措 施 1 表面硬度过高或过低 表99 表面淬火齿轮的常见缺陷及防止措施 序号 缺陷名称 产 生 原 因 防 止 措 施 1 表面硬度过高或过低 钢材含碳量偏高或偏低；预处理组织不良；表面脱碳；淬火加热温度不当，冷却不合理；回火温度和保温时间选择不合适 检查钢材含碳量及原始组织；采用首件检查硬度并调整工艺参数；合理选用冷却介质；喷液淬火应能调节压力、流量、温度；浸液淬火应具有循环装置；回火规范合理选择 2 表面硬度不均匀 感应器或火焰喷嘴结构不合理，钢材有带状组织、偏析、局部脱碳、加热和冷却不均匀 检查钢材质量；预处理组织要均匀；淬火前表面要清洗干净，不允许有油污和锈斑；淬火介质要清洁；喷水孔分布要均匀，并检查有无堵塞现象；加热面温度要均匀 3 硬化层深度过浅 加热时间不足；加热频率过高；火焰过度激烈；钢材淬透性低；冷却规范选择不恰当 根据深度合理选择加热频率，如无条件，则应调整电参数和机械参数，缓慢加热；调整火焰强度；改变冷却规范；采用预热 4 淬火开裂 淬火温度过高；冷却过度激烈；局部（齿顶、齿端面）过热；钢材含碳量偏高；成分偏析；钢材有缺陷；回火不及时、不充分；齿根圆角过小 严格控制淬火温度；修正感应器或火焰喷嘴；调整电参数（感应淬火）或气体参数（火焰淬火）；检查钢材质量；根据钢材选择合适的淬火介质；采用合理的冷却规范；减轻齿顶及端面的冷却强度；加大齿根圆角；沿齿沟淬火采用隔齿淬火方法，有条件者采用埋油淬火 5 变形 加热规范不恰当；冷却过激；加热冷却不均匀；原始组织不均匀 改善原始组织；调整加热规范；保证加热和冷却均匀；选择合适的冷却介质；预热

表100 渗碳及碳氮共渗淬火齿轮的常见缺陷及防止措施 表100 渗碳及碳氮共渗淬火齿轮的常见缺陷及防止措施 序号 缺陷名称 产 生 原 因 防 止 措 施 1 毛坯硬度偏高 正火温度偏低或保温时间不足，使组织中有魏氏组织存在；加热温度偏高，使晶粒粗大，铁素体量少，珠光体呈细片状；正火冷速过快 均应重新制订正火工艺；检查温控仪表，校准温度；控制正火冷却速度 2 毛坯硬度偏低 正火冷却过缓，铁素体呈块状，珠光体片粗，有球状珠光体存在 重新正火，加强冷却 3 带状偏析 钢材合金元素和杂质偏析，一般正火难于消除 更换材料 4 层深不足 碳势偏低；温度偏低或渗期过短 提高碳势；检查炉温；调整工艺；延长渗碳（共渗）时间 5 渗层过深 碳势过高，渗碳（共渗）温度偏高；渗期过长 降低碳势；缩短周期；调整工艺 6 渗层不均 炉内各部分温度不均、碳势不均；炉气循环不佳；工件相互撞接；齿面有脏物；渗碳时在齿面结焦 齿轮表面清洗干净；合理设计夹具，防止齿轮相互碰接；在齿轮料盘上加导流罩；保证炉内各部温度均匀；严格控制渗碳剂中不饱和碳氢化合物 7 过共析+共析层比例过大（大于总深度的3/4） 炉气碳势过高；强渗和扩散时间的比例选择不当 降低碳势；调整强渗与扩散期的比例；如果渗层深度允许，可返修进行扩散处理 8 过共析+共析层比例过小（小于1/2） 炉气碳势过低 ，强渗时间过短；强渗和扩散时间比例不当 提高炉气碳势；增加强渗时间；可在炉气碳势较高的炉中补渗

9 表面碳含量过高，形成大块、网状碳（氮）化物 炉气碳势过高，强渗时间过长；扩散期炉内碳势过高 降低碳势；缩短强渗时间；如果渗层深度允许，可在较低碳势炉中进行扩散处理；适当提高淬火温度；进行一次渗层的球化退火 10 表面残余奥氏体过多 碳（氮）含量过高；渗后冷却过快，碳（氮）量析出不够；淬火温度偏高 调整渗碳（共渗）工艺，控制碳（氮）含量；从渗碳（共渗）炉或预冷炉中出炉的温度不宜过高；降低淬火温度 11 表面含碳量过低 炉气碳势过低，炉温偏高，扩散时间过长 提高碳势；检查炉温；调整强渗与扩散时间的比例 12 表层马氏体针粗大 淬火温度偏高 降低淬火温度 13 表层出现非马氏体组织 升温排气不充分；炉子密封性差，漏气，使表层合金元素氧化；淬火冷却速度低 从设备和工艺操作上减少空气进入炉内；适当提高淬火冷却速度；在渗碳最后10min左右通入适量氨气 14 表面脱碳 渗后出炉温度过高；炉子出现严重漏气，淬火时产生氧化 防止炉子漏气，降低出炉温度；控制淬火时炉内气氛；盐炉淬火脱氧要充分；补渗碳 15 心部硬度偏低 淬火温度过低；冷却速度不足，心部游离铁素体过多；选材不当 提高淬火温度；加强淬火冷却；采用两次淬火；更换材料 16 变形 淬火温度偏高，冷却方法不当；夹具设计不合理；材料选择不当 调整淬火工艺；合理设计夹具；改善冷却条件；改换钢材

表101 渗氮齿轮的常见缺陷及防止措施 序号 缺陷名称 产 生 原 因 防 止 措 施 1 心部硬度偏低 表101 渗氮齿轮的常见缺陷及防止措施 序号 缺陷名称 产 生 原 因 防 止 措 施 1 心部硬度偏低 预备热处理时淬火温度偏低出现游离铁素体；调质回火温度偏高；调质淬火冷却速度不够 提高淬火温度充分保温；调质回火温度不宜超过渗氮温度过多 2 渗氮层厚度过浅 渗氮温度偏低；氮势不足；保温时间过短 提高渗氮温度；检查漏气；提高氮势；增加保温时间 3 表层高硬度区太薄 第一段渗氮温度过低，时间偏短；或第一段渗氮温度过高 调整第一段渗氮温度，适当延长保温时间 4 硬度梯度过陡 第二段渗氮温度偏低，时间过短 提高第二段渗氮温度，延长保温时间 5 渗层深度不均匀 渗氮温度不均匀；工件之间相互碰接；气流速度过大 正确设计夹具；合理装炉；气体流量控制适中；离子渗氮采用分解氨改善炉内工作温度的均匀性 6 局部软点 工件表面有氧化皮或其它脏物；防渗镀涂污染 渗氮前仔细清洗表面；仔细进行防渗镀涂 7 表面硬度偏低 材料有错；渗氮温度过高或过低；渗氮时间不够；氮势偏低 检查核对材料；调整渗氮温度和时间，降低氨分解率；检查炉子漏气 8 组织中出现网状或鱼骨状氮化物 齿轮表面有脱碳层；渗氮温度过高；氮势过高 控制渗氮温度和氮势；齿轮倒角；留足加工余量 9 表面脆性高，产生剥落 表面含氮量过高；渗氮层太厚；表面脱碳；预备热处理有过热现象，晶粒粗大 预处理保护加热；留足加工余量；降低氮势；采用二段渗氮法；后期采用脱氮方法；细化原始晶粒 10 齿轮表面色泽不良 （1）表面发兰；炉子漏气，气氛含水量高，发生氧化 （2）表面发黑，炉子漏气严重，炉气含氧量过高；齿轮油污多，产生严重氧化 （3）表面发亮；渗氮温度低，时间短，渗氮不足 调整渗氮温度、时间及氨分解率；检查炉子漏气；通入炉中气体要充分干燥；工作要仔细清洗，去除表面油污及脏物 11 变形超差 渗氮前应力消除不良；加热温度不均匀；升温速度过快；防渗部位不对称；调质组织不良 改善调质组织；进行充分去应力退火；适当降低升温速度；保证炉温均匀；工件合理装夹；防渗部位要尽量布置均匀对称。