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第 卷 第 期 年 月 f畅 r畅 渗碳齿轮盐浴分级淬火工艺研究及应用 张 峦， 王爱香， 李宝奎， 顾 敏 （郑州机械研究所， 河南 郑州 ） 摘要：介绍了渗碳齿轮盐浴分级淬火的机理及其优缺点，阐述和分析了盐浴温度、含水量、搅拌 种主要因素对盐浴介质冷却能力、 渗碳齿轮畸变和组织性能的影响。 并指出通过优化盐浴淬火工艺参数，结合渗碳齿轮具有的层状特性，采用盐浴分级淬火技术能 有效控制齿轮畸变，获得较好的表面组织、较高的硬度及心部韧性。 根据该工艺的研究现状，指出相关数据的匮乏和有待进一步研 究的问题。 关键词：渗碳齿轮；硝盐浴；分级淬火；冷却特性 中图分类号：TG156 32 文献标志码：A 文章编号：0254- 6051（2015）03- 0173- 06 Research and application of interrupted quenching in nitrate bath of carburized gear ， ， ， （ ， ， ） Abstract： ， ， ， ， ， ， ， ， Key words： ； ； ； 收稿日期：- - 作者简介：张 峦（），男，硕士研究生，主要从事齿轮材料及热处 理工艺 研 究 工 作， 联 系 电 话： - ， - ： doi：10 13251 j issn 0254- 6051 2015 03 040 齿轮作为机械传动中重要的零部件，一般要求其 具有良好的耐磨性、抗弯曲疲劳性能和抗接触疲劳性 能，以期保证齿轮在传动中啮合齿面能承受畸变弯曲 应力或脉动所产生的冲击损伤。 为了获得优良的综合 性能，渗碳淬火热处理在强化齿轮质量方面得到了越 来越广泛的应用，尤其针对大部分高精密齿轮。 经过 渗碳淬火处理后的齿轮，不仅可以获得较高的表面硬 度，也保留了材料良好的心部韧性。 但是，齿轮经渗碳 淬火后常常出现较为严重的畸变。 由于齿轮的渗碳属 于高温扩散性处理，使得渗碳层本身具有梯度特性，而 且使工件由表至里形成了不同的渗层、心部及过渡区， 这就使得该工艺具有复杂的工艺特性，从而造成畸变 的因素较为复杂多样 - 。 齿轮的渗碳过程所造成的 畸变主要与渗碳时间、渗碳温度及工件在工装中所处 位置有关，通过协调三者之间的关系，在获得所需渗碳 层深度的同时也可使畸变量降至最低。 因此，渗碳齿 轮的淬火工艺对齿轮畸变问题的改善显得尤为重要。 渗碳齿轮通过采用盐浴分级淬火可以起到有效控制齿 轮畸变的作用，相对于普通淬火油，在其他参数一致的 情况下，可以降低的淬火畸变 。 渗碳齿轮钢的 盐浴分级淬火由于能够显著降低齿轮畸变，而且盐浴 介质具有较宽的温度调整范围，以及在淬火过程中无 蒸汽膜阶段等优势得到了广泛的应用。 除此之外，盐 浴分级淬火在国内外热处理行业的适用范围也越来越 宽，包括钢和铸铁，如轴承的贝氏体等温淬火处理， 球铁的淬火处理等。 本文就渗碳齿轮钢的盐浴分 级淬火工艺的特性、优缺点等进行了系统阐述介绍，对 其中关键问题进行了分析探讨。 盐浴分级淬火工艺介绍 简单来说，盐浴分级淬火工艺是以熔融的硝盐作 为淬火介质的马氏体分级淬火工艺。 所谓的马氏体分 级淬火（即分级淬火）是将钢或铸铁进行奥氏体化，然 后在接近马氏体转变的温度下等温保持适当时间，以空 冷的速度进入马氏体转变区，进行马氏体转变的方法。 一般来说，渗碳齿轮的盐浴温度设定在 之 间，该温度稍高于马氏体转变开始温度（ 点），此处 l 第 卷 温度指齿轮渗碳后表层材料的 点 。 由于齿轮材 料的 点随着含碳量的提高具有下降的趋势，齿轮 在加热奥氏体化后，先在盐浴中冷却保温，随着温度降 低， 点高的心部将首先发生马氏体转变，而后渗碳 层表层材料将在空气中进行马氏体转变，与此同时，在 盐浴中未转变完全的心部材料也将进行马氏体转变。 如图 为渗碳齿轮典型的盐浴分级淬火工艺示意图。 图 渗碳齿轮盐浴分级淬火工艺 盐浴分级淬火的应用 由于盐浴分级淬火所具有的工艺特性，可以用来 有效地控制渗碳齿轮的畸变，并通过调整相关工艺参 数控制工件的组织和性能。 盐浴分级淬火对畸变的控 制已经得到了大量的实践证明。 尽管已有相关资料提 出对组织的控制，尤其是对马氏体 下贝氏体混合组织 的控制，但还有待于做进一步的研究，在渗碳齿轮强化 中得到推广应用。 2 1 对畸变的控制 渗碳齿轮产生畸变的原因非常复杂，使得畸变控 制也十分困难。 造成畸变的因素主要有：热应力、组织 应力、工件自重引起的应力和外加的约束力。 齿轮经 渗碳后若在水、普通淬火油等介质中进行淬火，非常容 易产生硬度不均、畸变甚至开裂等缺陷，尤其对于淬透 性 比 较 大 的 典 型 渗 碳 齿 轮 材 料 、 、，经渗碳后产生缺陷 的趋势更大 - 。 已有研究表明，与油淬相比，渗碳齿 轮经盐浴分级淬火后可明显降低零件的畸变程度 。 盐浴分级淬火之所以能有效控制渗碳齿轮淬火过 程中的畸变，究其原因，在渗碳齿轮进行盐浴分级淬火 时，先在盐浴中冷却保温一定时间，使得齿轮表面和心 部温度近似相等，在此阶段的冷却过程中，心部首先进 行马氏体转变，随后工件出盐槽进行空冷，因空气是缓 和的冷却介质，工件冷却较均匀，有效降低了淬火热应 力；而且由于首先进行马氏体转变的是心部，与含碳量 较高的表层渗碳层相比，发生相变后的体积变化小，随 之表层温度降低到 点才开始进行马氏体转变，最 终在齿轮表面形成残余压应力，从而在一定程度上避 免了渗碳齿轮淬火产生的畸变及开裂。 由于冷却过程 中盐浴介质不存在蒸汽膜阶段，使得工件在较为单一 的对流阶段进行淬火冷却，因此可以减小畸变量。 2 2 对组织和性能的控制 盐浴分级淬火除了可以有效控制渗碳齿轮的畸变 外，还可以对其组织和性能起到较好的控制作用。 近 年来有关对低合金高强钢的研究表明，马氏体 下贝氏 体混合组织的强韧性及耐磨性优于单一调质状态组 织 - 。 文献表明，通过对低碳 - 系低合金钢 进行空冷处理，在未经回火状态下，可获得马氏体 贝 氏体混合组织，经过处理后的钢材具有较高的冲击韧 性。 文献表明，通过将研制的一种新型贝氏体钢 齿轮进行渗碳直接空冷后，就可获得渗碳表层为高碳 马氏体 下贝氏体组织、心部为低碳马氏体 贝氏体组 织，从而可以获得畸变量小、抗冲击性能好、抗接触疲 劳性能较高的渗碳齿轮。 在渗碳齿轮的盐浴分级淬火 过程中，通过在 点以上适当提高盐浴温度就可以 获得马氏体 下贝氏体混合组织，从而使工件获得适当 的表面硬度和较好的心部韧性。 可见，渗碳齿轮钢的 盐浴分级淬火在获得马氏体 下贝氏体混合组织方面 具有广阔的应用前景。 文献将模数相同、材料分别为 、 的齿轮渗碳后分别在盐浴和油浴中进行淬 火，经过处理解剖后，检测其组织和性能发现，盐浴分 级淬火后渗碳齿轮的组织和性能均能满足要求，而且 盐浴齿轮的心部强度优于油浴渗碳齿轮。 由于表面硬 度及硬化层影响齿轮的耐磨性和抗点蚀性，因此可以 优化相关参数使齿轮具有较好的耐磨性和抗点蚀性， 同时心部较好的韧性也可以使齿轮具有较好的抗接触 疲劳性能。 在很多情况下，残留奥氏体的存在引起 - 钢耐磨性和抗接触疲劳强度的恶化，因此，可以通 过调节盐浴淬火相关因素控制渗碳齿轮钢中残留奥氏 体的量，从而获得优良的组织和综合性能 - 。 盐浴分级淬火的优缺点 3 1 盐浴分级淬火的优点 与油或水基溶液淬火相比，盐浴分级淬火具有以 下优点 ： ） 在降低齿轮明显畸变和残余应力的基础上，还 可提高齿轮表面硬度均匀性。 ） 搅拌速度、盐浴温度、含水量的可调范围较宽， 第 期张 峦，等：渗碳齿轮盐浴分级淬火工艺研究及应用 l 并且盐浴介质不具有大的粘度变化，冷却过程无蒸汽 膜阶段。 ） 在不需要改变基本淬火介质浓度（水基）的情 况下，通过调节淬冷参数（含水量、搅拌速度、盐浴温 度）使介质具有较宽的淬火烈度选择范围。 ） 具有良好的化学稳定性和热稳定性。 ） 附着在齿轮上的盐易溶于水，可通过清洗装置 进行回收循环利用，一般用约 的清水进行清洗。 ） 齿轮在盐浴中冷却可以迅速获得一致的温度， 冷却效果均匀，生产效率较高。 ） 通过调节相关参数，可以使渗碳齿轮获得马氏 体 下贝氏体混合组织。 3 2 盐浴分级淬火的不足 16- 17 ） 硝酸钾和亚硝酸钠混合后的熔点在 附 近，不适用于低温淬火。 ） 由于盐浴温度较高，熔盐处于高温状态，尤其 高温工件进入盐中瞬间，会产生大量烟雾废气，对人健 康造成危害，需设置顶部抽风罩或侧抽风罩降低危害。 ） 硝酸盐具有强的还原性，应避免带入氧化性物 质，如油、碳以及其他不兼容的物质，以免引起剧烈反 映，引起爆炸。 ） 工件出盐槽空冷时，不可避免会带出少量盐， 因此需要后续清洗工作及相关清洗设备。 盐浴分级淬火介质 淬火介质是影响工件淬火畸变产生、组织及力学性 能的重要因素，因此对淬火介质特性的研究对工件淬火 后获得优良的综合性能具有十分重要的意义 - 。 4 1 盐浴分级淬火介质的成分配比 常用盐浴介质配比及对应熔点、工作温度如表 所示 。 由于渗碳齿轮表层的含碳量高， 点低，所 以其盐浴分级淬火属低温盐浴，因此适合渗碳齿轮盐 表1 常用盐浴熔点及工作温度 20 Table 1 Melting point and working temperature of common salt bath 20 盐浴介质熔点 工作温度 K ? ; n ? ; n ? ; ? ; ? ; ? ; ? ; 浴分级淬火的盐浴配比是 和 两种。 4 2 盐浴介质的冷却特性 淬火的理想效果是为了获得较高且均匀的表面硬 度及足够深的淬硬层深度，并且淬火畸变小，不产生淬 火裂纹。 上文已经提到，盐浴分级淬火介质属于无物 态变化介质，与有物态淬火介质特性相比，这种类型的 淬火介质在冷却过程中不产生蒸汽膜，主要依靠对流 的方式将工件本身的热量带走，而且符合高温阶段冷 速快，低温阶段冷速慢的特点 。 尽管评价淬火介质 冷却特性的方法较多，但是最为常用的是冷却曲线法， 它能够直观地反应其冷却过程，能够给出很多相关的 有用信息，因此可以更好地认识盐浴介质的冷却特性 及分析各种因素对淬火过程的影响。 由于该方法反映 图 硝盐浴与快速淬火油的冷却速度曲线 的仅是探头心部或某一固定位置热电偶的冷却情况， 在同种冷却介质下淬火，不同材料工件的冷却效果还 与其 曲线（过冷奥氏体等温转变曲线）的鼻尖温度 有关。 因此，该方法只适用于冷却特性相互间的定性 对比，不能真实反映出工件实际冷却情况，有关定量测 量介质冷却曲线还未有一致认可的方法。 另外，在应 用冷却曲线相应信息时，应特别注意相关测试条件，否则 会导致错误结论 - 。 图 是根据国际标准 制 成的冷却性能检测仪器所测得的 硝盐和 快速淬火油两种淬火介质冷却速度曲线的对比 。 从图 可以看出，在约 以上，硝盐浴的冷却速度 比快速淬火油要快；在约 以下，硝盐浴的冷却速 度比快速淬火油的慢，说明其具有理想介质高温阶段 冷速快，低温阶段冷速慢的特点。 而且，可以明显看 出，与快速淬火油相比，硝盐浴无蒸汽膜阶段，特性温 度高于快速淬火油。 该图较好地反映了硝盐浴介质的 冷却情况，通过定性对比，可以看到硝盐介质的冷却特 l 第 卷 性优于一般快速淬火油。 4 3 淬火介质冷却能力影响因素 淬火介质冷却能力的强弱，主要取决于介质的组 成及其物理化学性能。 影响盐浴分级淬火介质冷却能 力的因素主要有：盐中含水量、搅拌、盐浴温度。 盐中含水量 众所周知，普通淬火油的冷却能力较低，但是如果 硝盐中不含水，那么它的冷却能力比普通淬火油的还 低。 在硝盐中加入少量水可显著提高其冷却能力，特 别是高温区的冷却能力，这也正是理想化淬火介质所 需要的。 随着盐浴中含水量的不同，冷却速度也不同， 在不改变介质配比的情况下，通过添加适量的水，可以 改变淬火最大冷速，使其应用范围扩大。 在 时不同含水量与最大冷速的关系 如图 。 由图 可知，盐浴的冷却能力随着含水量 的增加而提高，其原因是水不仅能促使盐的流动性增 强，还可使混合物的汽化热值明显提高，换热系数增 加，从而增强了介质的冷却能力。 因此可以通过调节 盐中含水量来控制盐浴介质的冷却特性，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畸变 等。 尽管添加一定量的水可以使硝盐浴的冷却能力提 高，但是也要控制盐中含水量。 经大量实践表明，水含 量在 内便可使渗碳齿轮淬火达到要求，如果含水 量过高使其达到饱和形成蒸汽泡反而会降低其冷却能 力，因此一般应将盐中含水量控制在 内，具体含量 还应根据相应工艺要求进行设定，以此保证渗碳齿轮 的质量。 图 为淬火油、无水盐浴和含水量 盐浴 的冷却特性曲线 。 可见，在 以上，含水量 的硝盐浴的冷却情况与淬火油的非常相近，这说明，当 硝盐浴中添加的水时，其冷却能力已有所下降。 图 时 盐含 水量与最大冷速的关系 工件在盐浴淬火过程中，尤其在高温工件刚入盐 图 无水硝盐浴、加水硝盐浴与 淬火油的冷却特性 槽时，会有少量的水分蒸发，为保证介质冷却特性的稳 定性，在实际生产中应定期检查并调整盐中含水量，一 般在淬火前 检测其中含水量，并根据检查结果结 合工艺要求以确定加水量，需要格外注意的是在加水 过程中，应保持适当搅拌。 另外，某公司研制的含水量 控制器可自动调节硝盐中水量，使其保持在设定范围 内，从而在提高效率的同时也提高了机械自动化程度。 搅拌 搅拌包括两方面内容，一是搅拌速度（介质流速） 对介质冷却能力的影响，二是搅拌方式对淬火效果的 影响。 搅拌对盐浴分级淬火的影响尽管没有含水量的 大，但是通过适当的搅拌也能促进盐浴介质的对流，改 善介质的淬火烈度，提高工件的淬火质量。 具体来说， 适当的搅拌可促进工件周围热介质与淬火槽内冷介质 的交换，改善介质温度的均匀程度。 盐浴介质的冷却 阶段只具有单一的对流冷却阶段，在实际生产中，搅拌 往往配合工件的上下窜动，这样不仅可以起到有效的 冷却作用，也可使盐浴介质更加均匀，从而使淬火质量 更加均匀。 此外，搅拌的机械冲击作用还可以冲掉工 件表面附着的盐颗粒，使工件冷却更加均匀。 适当的搅拌速度也可使钢件淬火后的淬硬性、硬 度均匀性得到改善，而使淬火畸变量基本不变。 从 图 可以看出，盐液流动速度增大一倍时，冷却速度提 高了左右 。 同时也要注意搅拌速度不能过高， 否则会使液体在工件厚度不均、形状复杂的部位（如 凹穴、凸轮、内孔等）形成涡流，从而使淬火介质局部 温度较高，这些部位的冷却速度反而减小，使工件淬火 后硬度偏低，甚至出现软点缺陷。 另外，搅拌速度的另 一个限制原则是不要因过激的搅拌而带入空气形成气 泡，否则会造成更加不利的后果。 不同的搅拌方式也会影响介质流量分布的均匀 第 期张 峦，等：渗碳齿轮盐浴分级淬火工艺研究及应用 l 图 搅拌对盐浴冷却速度的影响 性，理想的搅拌能形成均匀的紊流，紊流中的大量漩涡 能使形状不规则的工件表面获得适当的冷却。 目前， 较为理想的搅拌方式是螺旋桨搅拌，它的最大特点是 能够产生很大的流量，在淬火槽中形成均匀的宏观流 场，使淬火冷却达到较好的效果。 淬火槽中淬火区域 不均匀的介质流动会导致工件硬度不均匀、形成裂纹 及畸变。 文献表明，通过在淬火槽中合适位置设 置一定结构的流动挡板，用叶轮螺旋机进行搅拌，就可 以在淬火介质中形成一个有效的淬火区域，该区域的 大小与流动挡板的位置和结构有关，在该区域内淬火 可以有效地解决工件畸变问题。 关于搅拌条件下介质冷却特性曲线的检测标准已 在基于 标准（介质静止）的基础上制订了 和 两种标准。 这两种标 准均可以用于检测搅拌条件下介质的冷却曲线，二者 的区别是搅拌方式不同。 的 法采 用的是螺旋桨方式进行搅拌的设备，而 的 法采用泵促使介质流动的设备。 目前还未 有人做过关于硝盐介质搅拌条件下检测其冷却特性曲 线的试验，因此相关方面的数据比较匮乏，这就使得相 关研究工作具有非常重要的意义。 而且，根据笔者最 近在实际工况条件下，进行检测螺旋桨搅拌硝盐介质 （此条件符合 标准），发现效果并不好。 主要表现为搅拌速度和介质含水量的均匀性两者之间 存在的矛盾。 当搅拌速度较小（ ）时，熔盐 介质上层含水量较高，此时检测点恰好在该范围内；在 同等条件下，当搅拌速度较高（接近 ）时，检 测点的含水量因介质混合均匀而有所下降，因此这就 造成了搅拌速度升高，最大冷却速度“不增反降”的现 象。 文献检测了有关淬火油在两种标准所规定 的方法下的冷却特性曲线，表明两种方法都能够较好 地表现淬火油的冷却特性，但是采用 法检测 出的冷却特性曲线的重复性高于采用 法。 是否 在硝盐介质中也具有类似规律还有待于做进一步的研 究。 同时，这对实际工况条件下检测硝盐介质冷却特 性曲线及优化相关淬火工艺具有重要的借鉴意义。 盐浴温度 在盐浴分级淬火过程中，尽管盐浴温度对淬火质 量的影响很小，但是仍可以进行优化。 推荐的做法是 从最低温度开始试验，逐步增加温度，直到能够获得硬 度和畸变的最佳温度点。 对于渗碳齿轮，盐浴温度主 要是根据钢中的 点结合介质的冷却特性曲线和材 料的 曲线来设定的。 文献表明了水的冷却特性对温度非常敏感， 随着温度升高其冷却能力下降，而且温度变化对其冷 却特性的影响强于流动速度变化对其的影响。 针对渗 碳齿轮的分级淬火的硝盐介质，盐浴温度对介质的冷 却特性的影响较含水量、搅拌速度都小。 这说明硝盐 中添加少量水，一些因素对其冷却特性的影响强度将 会发生变化。 针对具体的影响规律，还需做进一步的 研究。 一方面，随着盐浴温度的升高，其冷却能力有所 下降；另一方面，熔盐的流动性因盐浴温度的升高而剧 烈提高，从而使其冷却能力加快。 因此，需要综合考虑 这两方面的因素，结合工艺质量、经济效益等方面的因 素，以此设定最佳盐浴温度点。 结语 作为渗碳齿轮的一种淬火方式，盐浴分级淬火不 仅可以使渗碳齿轮获得较好的表面硬度和较韧的心部 性能，也可使齿轮获得较小的畸变、裂纹倾向及残余应 力，这样在实际生产中就减少了相应的后续加工量，节 约生产成本的同时还可获得较好的齿轮表面质量、尺 寸精度。 另外，相比其他淬火介质，硝盐介质也具有其 独特的优势。 对渗碳齿轮盐浴分级淬火的影响主要是 影响盐浴介质相关方面的因素，结合渗碳齿轮所具有 的渗碳层从表面到内部含碳量由高到底的层状冶金特 性，通过优化相关主要因素，就可以相应改善盐浴介质 的冷却能力，从而可以获得综合性能较好、经济效益较 高的产品质量。 这说明该工艺在渗碳齿轮的热处理方 面还是具有很好的市场应用前景的。 但是，针对 种 不同因素（盐中含水量、搅拌、盐浴温度）对硝盐介质 冷却特性的影响规律方面的数据还比较匮乏，尤其是 在搅拌条件下对硝盐介质的冷却特性的检测问题。 而 且，对于不同材料、不同尺寸（模数、齿根下截面厚度） 的渗碳齿轮，还需要做进一步的研究才能制订出适宜 的工艺。 此外，在对马氏体 下贝氏体复相组织的控制 l 第 卷 研究应用方面，由于该混合组织所具有的优良性能使 得该项工作的研究更需进一步的推进。 因此，无论是 在数据的积累还在工艺生产应用方面，相关方面的研 究工作均具有非常重要的意义。 参考文献： 阎承沛我国齿轮热处理技术概况及发展趋势（一）国外金属 热处理， ， （）： - 陈国民对我国齿轮渗碳淬火技术的评述金属热处理， ， （）： - ， ， （）： - 华公平， 刘荣燊， 陈德义， 等渗碳齿轮的盐浴淬火热处理 技术与装备， ， （）： - ， ， ， ， ， （）： - 李宝奎， 王爱香， 顾 敏渗碳淬火齿轮畸变控制技术的研究现状 金属热处理， ， （）： - ， ， ， ， （）： - 王爱香， 高金柱， 顾 敏新型高合金齿轮渗碳钢 的热 处理金属热处理， ， （）： - ， ， ， ， （