汽车齿轮常用材料热处理方法及性能分析.doc

黄淮学院学士学位论文编号： 本科毕业论文论文题目：汽车齿轮常用材料热处理方法及性能分析系 （院）：电子科学与工程系姓 名：李向楠学 号：0732130153专 业：汽车服务工程年 级：0701指导教师：白文峰职 称：副教授完成日期：2011-5摘 要本文通过分析采用传统热处理工艺的汽车齿轮容易出现的失效形式，对选取齿轮材料提出合理要求。通过对常用齿轮材料的讨论，性能较好的20CrMo、20CrNi2Mo和17CrNiMo6三种渗碳钢成为首选。针对传统的热处理工艺中部分不符合技术发展要求的过程进行改进，其中对预备热处理中正火与等温退火的比较，证明等温退火工艺是合理的预备热处理方案。同时在参考日本等国的高温渗碳技术、渗碳新技术及催渗技术的基础上，重点讨论了真空渗碳的优缺点及应用实例。最后，给出了作者认为比较好的热处理工艺路线。关键词：渗碳齿轮；热处理工艺；性能分析格式请严格按照新上传的模板修订，表格格式要求做成三线表（表4.3和4.4已经调好，其他能做成三线表的请做成三线表，个别表格做不成的按原格式），其余修改见文中标记。改完后全文多通读几遍，不要再留下一些低级错误。AbstractThis paper through analyzing the car with traditional heat treatment technology of the failure forms of gear is easy to appear in the selection of gear materials, put forward reasonable requirement. Through the discussion to commonly used gear material, performance is good 20CrMo, 20CrNi2Mo and 17CrNiMo6 three carburizing steels become preferred. In traditional heat treatment process part does not meet the technical requirements for the development process, including heat to prepare improvement of zhongzheng fire and the isothermal annealing, it is demonstrated that the isothermal annealing process is reasonable prepare heat treatment plan. In reference to Japan and other countries of the high temperature carburizing technology, carburizing new technologies and urge permeability technology foundation, mainly discussed the advantages and disadvantages of the vacuum carburizing. Keywords: carburized gear；Heat treatment process；Performance analysis目 录1 汽车齿轮及其失效形式51.1 齿轮作用简述51.2 齿轮的主要失效形式的讨论51.3 齿轮应满足的性能要求61.4 齿轮材料选取61.4.1 齿轮类零件的选材61.4.2汽车齿轮选材应满足的条件及需要考虑的因素72 齿轮渗碳钢简介82.1 渗碳钢的分类82.2 合金渗碳钢淬透性的讨论82.3 合金渗碳钢应具有的性能及常用热处理工艺93 国内汽车齿轮用钢现状113.1 通用齿轮用钢113.2 商用车齿轮用钢113.3 对轮齿材料的讨论123.3.1 传统汽车用钢123.3.2 优质齿轮用钢134 汽车齿轮材料的热处理工艺分析144.1 传统的汽车齿轮热处理工艺144.2 对预处理工艺的改进讨论144.2.1预备热处理综述144.2.2 对通用齿轮的改进讨论154.2.3 重载齿轮改进讨论164.3渗碳淬火工艺的改进194.3.1日本等国公司对传统渗碳工艺的改进194.3.2部分新的渗碳技术简述204.3.3 BH催渗技术简介214.3.4 对真空渗碳工艺的讨论224.3.5 真空高压气淬技术的发展255 总结26251 汽车齿轮及其失效形式1.1 汽车齿轮作用简述汽车中的各种齿轮，主要用于传递动力和运动，并通过它们来改变发动机、曲轴和主轴齿轮的速比1。汽车齿轮主要装配在汽车变速箱和差速器中。在变速器中，齿轮可改变传动比，扩大驱动轮转矩和转速的变化范围，以适应经常变化的行驶条件，同时使发动机在有利的工况下工作。差速器中，通过车桥齿轮增加扭矩，并调节左右轮的转速。全部发动机的动力均通过齿轮传给车轴，推动汽车运动。所以汽车齿轮的受力较大，受冲击频繁，其耐磨性、疲劳强度、冲击韧性等均要求比机床齿轮高。同时由于汽车行驶状况随路况随机变化，因而汽车齿轮的工作状况非常复杂2。1.2 汽车齿轮的主要失效形式的讨论汽车齿轮工作时，啮合齿面间既有滚动，又有滑动，轮齿根部还受到脉动或交变弯曲的作用。在由此而引起的各种应力的作用下，齿轮经常发生失效的情况3。根据工作条件的不同，汽车齿轮的失效形式主要是齿面磨损和断齿。图1.1是四种主要的失效形式2。 a 轮齿根部弯曲疲劳断裂 b 齿面严重磨损、齿厚变小 c 齿面剥落 d 轮齿冲击断裂图1.1 汽车齿轮的主要失效形式表1.1是美国的一个关于齿轮失效形式及原因的统计资料。结果表明，疲劳断裂占失效齿轮总数的三分之一以上，居首位；其次是表面损伤。总的来说，断裂是齿轮失效的主要形式2。表1.1 美国931个齿轮失效方式及原因统计结果失效方式统计结果/%失效形式统计结果/%断裂总计 疲劳断裂，轮齿 轮 过载断裂，轮齿 轮61.232.84.023.80.6使用不当，总计润滑不良安装不良过载其它74.711.021.238.93.6表面疲劳，总计 麻点 剥落 麻点剥落混合20.37.26.86.8设计总计设计不合理选材不当舍处理条件规定不当6.92.81.62.5磨损，总计 磨粒磨损 粘着磨损13.210.32.9热处理，总计淬火不良硬化层浅16.25.94.8塑性变形，总计5.3心部硬度低硬化层太深其它，总计2.01.81.41.3 齿轮应满足的性能要求根据1.2中对齿轮的受力情况和失效形式的分析 , 对齿轮材料的性能要求是3：(1) 高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度(抗疲劳点蚀) 。(2) 齿面具有较高的硬度和耐磨性。(3) 齿轮心部具有足够的强度和韧性。此外，还要求有较好的热处理工艺性能，例如热处理变形小，或变形有一定规律等。1.4 齿轮材料选取1.4.1 齿轮类零件的选材齿轮材料要求的性能主要是疲劳强度，尤其是弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。疲劳强度与齿面硬度之间大致有以下关系2：SB = k(HV)m （1-1）式中，SB为疲劳强度；HV为齿面硬度；k、m是与材料有关的常数。显然，表面硬度越高，疲劳强度也越高。另外齿心应有足够的冲击韧性，目的是防止轮齿受冲击过载断裂。从以上两方面考虑，选取低、中碳碳钢或低、中碳合金钢。他们经表面强化处理后，表面有高的强度和硬度，心部有好的韧性，能满足使用要求。此外，这类钢的工艺性能好，经济上也算合理，是比较理想的材料。1.4.2汽车齿轮选材应满足的条件及需要考虑的因素对于汽车来说，由于其使用条件复杂，采用调质钢高频淬火不能保证要求，所以选用渗碳钢来作重要齿轮较为合适。影响汽车渗碳齿轮失效和齿轮疲劳强度的因素主要有心部硬度、有效层深度、渗层和心部的金相组织、表面硬度和表层残余应力分布5等。根据汽车齿轮渗碳要求，选用低碳合金钢作为汽车齿轮材料最为理想。在选用渗碳齿轮钢时主要考虑以下因素：(1) 钢材的淬透性能要保证齿轮渗碳淬火后齿面和心部得到所规定的硬度，满足齿轮的使用要求，同时也希望钢材的淬透性能较窄，以保证齿轮热处理后的变形范围小6；(2) 钢材应是本质细晶粒钢7，以保证在高温渗碳时奥氏体晶粒不长大，可以在采用渗碳后直接淬火。对淬火来说，应注意淬火工艺和淬火油温对齿轮形状和尺寸的影响8。2 齿轮渗碳钢简介2.1 渗碳钢的分类渗碳钢可分为碳素渗碳钢和合金渗碳钢。渗碳钢的含碳量一般都较低，介于0.10.25之间9-10，属于低碳钢范畴。低的含碳量可保证渗碳零件心部具有足够的韧性和塑性。碳素渗碳钢的淬透性低，对大模数齿轮心部淬火得不到低碳马氏体，热处理后不能使碳钢渗碳零件的心部获得明显的强化效果。合金渗碳钢则不然，具有良好的淬透性，零件心部可以得到低碳马氏体，即热处理能使合金渗碳钢零件的心部获得较显著的强化效果11-12。2.2 合金渗碳钢的淬透性化学成分是影响淬透性最主要的因素，合金渗碳钢的成分特点：(1) 低碳，碳质量分数一般在0.10%0.25%之间，以保证零件心部有足够的塑性和韧性；(2) 常加入提高淬透性的合金元素，常加入Cr、Ni、Mn等，以提高热处理后心部的强度和韧性。Cr还能细化碳化物、提高渗碳层的耐磨性，Ni则对渗碳层和心部的韧性非常有利。另外，微量硼也能提高淬透性；(3) 加入阻碍奥氏体晶粒长大的元素，主要加入少量强碳化物形成元素Ti、V、W、Mo等，形成稳定的合金碳化物。除了能阻止渗碳时奥氏体晶粒长大外，还能增加渗碳层硬度，提高耐磨性。合金渗碳钢按淬透性或强度的大小可为以下三类：淬透性一般的有：15Cr、20Cr、20MnV；淬透性较好的有：20MnVB、20CrMo、20CrMnTi；淬透性好的有：12CrNiA、12Cr2NiA、20CrNi2Mo13。工业常用的合金渗碳钢如表2.1所示。表2.1 常用合金渗碳钢的牌号、成分类别钢号CMnSiCrNiV其它低淬透性20Mn220Cr20MnV0.17 0.240.17 0.240.17 0.241.40 1.800.50 0.801.30 1.600.17 0.370.20 0.400.17 0.370.70 1.000.070.12中淬透性20CrMn20CrMnTi20CrTiB0.17 0.230.17 0.230.17 0.240.90 1.200.80 1.101.30 1.600.17 0.370.17 0.370.17 0.370.90 1.201.00 1.30Ti0.040.10Ti0.040.10B0.00050.0035高淬透性18Cr2Ni4WA20Cr2Ni40.13 0.190.17 0.230.30 0.600.30 0.600.17 0.370.17 0.371.35 1.651.25 1.654.004.503.253.65W0.801.202.3 合金渗碳钢应具有的性能及常用热处理工艺根据使用要求，渗碳钢应具有的性能是：(1) 表面渗碳层硬度高，具有优良的耐磨性和接触疲劳抗力，同时又有适当的塑性和韧性；(2) 心部则必须有高的韧性和足够高的强度：当心部韧性不足时，在冲击载荷或过载荷作用下容易断裂；强度不足时，则硬脆的渗碳层缺乏足够的支撑，而容易破裂、剥落。(3) 具有良好的热处理工艺性能，即要求在渗碳温度900一950下奥氏体晶粒不易长大，具有良好的淬透性11。表2.2为常用合金渗碳钢的热处理性能。表2.2 常用合金渗碳钢的热处理、性能及主要用途类别钢号渗碳预备处理淬火回火b/MPasMPa/%/%AKU2/J毛坯尺寸/mm低淬透性20Mn220Cr20MnV930930930850870880水、油880油780820水、油880水、油200200200785835785590540590101010404040474755151515中淬透性20CrMn20CrMnTi20CrTiB930930930880油850油870油860油20020020093010801130735850930101010454545475555151515高淬透性18Cr2Ni4WA20Cr2Ni4930930950空880油850空780油2002001180118083510801010454578631515渗碳钢的热处理一般都要先通过渗碳，使工件表层碳含量增加到0.81.05，成为表层高碳钢材料。工件加工前应予以正火或等温退火来提高表面硬度，改善钢的切削加工性能和随后的热处理工艺性能；渗碳后则应淬火并低温回火，使零件表层获得高硬度高耐磨性的回火马氏体及少量的残余奥氏体，硬度为6062HRC。其心部组织与钢的淬透性与零件截面尺寸有关，完全淬透回火后为低碳回火马氏体组织，硬度为4048HRC；未淬透回火后为少量低碳回火马氏体、屈氏体与少量的铁素体，硬度为2540HRC6，工件的心部具有良好的塑性和韧性。冲击韧性一般高于700Jcm22，从而使零件满足“表硬里韧”的要求。3 国内汽车齿轮用钢现状3.1 通用齿轮用钢我国汽车行业使用的齿轮材料，多年来主要沿用前苏联用钢系列。到了二十世纪六、七十年代，为了节省Cr、Ni资源，我国研究了B钢以及Si-Mn、Cr-Mo、Cr-Mn系列钢。进入八十年代，为了适应汽车齿轮国产化的需要，在消化吸收国外先进技术的基础上，参照国外技术标准和引进产品的实际水平，我国汽车齿轮钢又相继增加类似于美国、日本、德国等国齿轮钢的钢种，开发出了20MnCr5、16MnCr5、SCM415H、SCM420H、 21NiCrMo5H等新钢种。我国目前汽车行业用得最多的仍是20CrMnTi，其次是20Cr，20CrMo，20CrMnMo钢，部分工厂直接引进国外钢材制造齿轮，但价格昂贵。国内汽车渗碳齿轮钢成分见表3.1所示2。表3.1 国内渗碳齿轮钢化学成分（%）钢号CSiMnCrNiMoV其他20MnVB0. 170. 230. 170. 371. 201. 600. 300. 370. 070. 12B 0. 0050. 003520Cr0. 180. 240. 170. 370. 500. 800. 701. 000. 3020CrMo0. 170. 240. 170. 370. 400. 700. 801. 100. 300. 150. 2520CrMnMo0. 170. 230. 170. 370. 901. 201. 101. 400. 300. 200. 3020CrMnTi0. 170. 230. 170. 370. 801. 101. 001. 300. 30Ti 0. 040. 103.2 商用车齿轮用钢我国载货汽车齿轮长期以来使用最普遍的钢种是20CrMnTi。不仅品种单一，而且钢材成分波动范围大，淬透性带宽，夹杂物多，造成齿轮热处理变形大，寿命低。随着国外先进车型的引进，各种齿轮钢的国产化使我国的齿轮钢水平上了一新的台阶。目前，对于德国的Cr2Mn系钢，日本的Cr2Mo系钢和美国的 SAE86系列钢已逐步实现国产化，基本上满足了国内中小模数汽车齿轮钢的需求。目前国内重型汽车的使用存在超载使用和路况较差这两个较为严重的问题，而且短期内无法克服，这就使齿轮经常承受较大的过载冲击载荷，造成齿轮早期失效。同时，Cr2Mn和Cr2Mo(SCM420H、SCM822H钢)的强韧性已不能满足大模数重负荷汽车齿轮性能要求。因此，应重新选择和开发新的齿轮钢种及推广应用Cr2Ni或 Cr2Ni2Mo系钢。参照国内牌号分析，选择美国的20CrNi2Mo和德国的17CrNiMo6钢作为大模数重负荷汽车齿轮新材料更为有效14。3.3 对轮齿材料的讨论3.3.1 传统汽车用钢20CrMnTi钢晶粒细，渗碳时晶粒长大倾向小，具有良好的渗碳淬火性能，渗碳后可直接淬火。但其淬透性波动大，对齿轮的机械性能、热处理工艺和产品性能寿命都有很大的影响。同时一般认为20CrMnTi等渗碳钢是本质细晶粒钢，渗碳后晶粒不会粗化，可直接淬火。但实际上由于钢材冶炼质量的影响，常常在正常条件下发生晶粒粗化现象。对多批材料的实际晶粒度试验，发现相当部分实际晶粒度只有23级(930oC保温3h条件下)。资料表明，20CrMnTi由于Ti含量较高，钢中TiN夹杂物多，尤其是大块的TiN夹杂是齿轮疲劳时的疲劳源，它的存在会降低齿轮的接触疲劳性能。这种夹杂物呈立方结构，受力时易发生解理开裂，导致齿轮早期失效。另一个问题是该钢的淬透性能有限，不能满足大直径大模数齿轮的要求，渗碳有效硬化层深度和心部硬度均不能满足重型齿轮的要求。此外，在热处理过程中20CrMnTi钢易产生内氧化和非马氏体组织而降低齿轮的疲劳寿命。但目前在我国齿轮渗碳钢中还没有哪一种钢在渗碳工艺上有20CrMnTi钢这样成熟和可靠。所以，它仍是目前国内使用最普遍的渗碳钢种。我国汽车工业还大力发展硼钢，如20MnVB和20Mn2TiB钢。这是因为在结构钢中加入微量硼(0.0001%-0.0035%)可以显著地提高钢材的淬透性能，因此钢中加入微量硼可以代替一定数量的锰、镍、铬、钼等贵重合金元素，因而硼钢得到广泛的应用。但20MnVB也存在一些缺点，如在冶炼时由于脱氧去氮不好而使硼不能起到增加淬透性能的作用，因此，使硼钢的性能不稳定，渗碳淬火后的齿轮畸变增大而影响产品的质量。同时由于混晶和晶粒易于粗大，致变形不易控制和韧性较差，且硼钢齿轮根部易产生托氏体组织和碳氮共渗齿轮的黑网、黑带。因此，很多工厂中止使用该钢种。然而，决不能就此得出硼钢不适宜作齿轮渗碳钢，因为含硼的渗碳钢在国外还有使用。如德国的保留钢种ZF7，就是一种含硼的低碳铬锰钢。只要冶炼技术进步，硼钢出现的问题就能够解决。目前我国各齿轮厂通过对外国技术的消化，国内的热处理设备分布态势已有多种炉型并存，包括真空加热炉、连续加热炉、箱式多用炉、井式炉以及强化和清理、清洗等辅助设备。同时通过可靠精密的电子电气控制元件实现精确控制（控制元件包括碳控仪、氧探头、热电偶和温控仪表等），并由硬度计、金相显微镜、红外测温仪、炉温追踪仪等携带方便、速度快及精度高的热处理检测仪器对过程进行监督检测，使产品质量有保障14。3.3.2 优质齿轮用钢随着国外车型的引进和国产化，国内目前供应的齿轮钢已不能满足性能要求，优质汽车齿轮钢的开发与应用势在必行。通过多年研究，制出相当日本的20CrMoH(SCM420H)、22CrMoH(SCM822H)的齿轮钢。20CrMnMoH和20CrMoH钢由于有着较高淬透性，可采用渗碳后直接淬火工艺。由于铬锰钼钢和铬钼钢中含有铬和钼等形成碳化物的元素，在渗碳过程中将促使轮齿表面碳含量增加，容易在渗碳层组织中出现大量碳化物，使渗碳层性能恶化。因此，齿轮采用铬锰钼钢和铬钼钢渗碳时，宜采用弱渗碳气氛，以防止形成过量碳化物。20CrMo钢冶炼工艺稳定，淬透性带较窄且易于控制，与20CrMnTi钢齿轮比较，具有如下特点：热处理畸变小；渗层有良好、稳定的淬透性；金相组织、渗碳淬火后的表面和心部硬度，均能较好地满足技术要求；疲劳性能好，比较适合汽车中小模数齿轮14。 4 汽车齿轮材料的热处理工艺分析4.1 传统的汽车齿轮热处理工艺传统的齿轮材料的工艺路线：下料锻造正火切削加工渗碳、淬火及低温回火喷丸磨削加工2。虽然传统工艺已经比较完善，但部分中间过程已不再适合现代化的大批量生产要求。当前的技术要求齿坯在热处理后能获得均匀的组织和硬度，以保证获得良好的切削加工性能及稳定的淬火变形规律。因此有必要对传统工艺进行改进，以获得质量良好的产品。4.2 对预处理工艺的改进讨论4.2.1预备热处理综述对汽车齿轮锻造毛坯进行预先热处理，主要是为了获得适宜的锻件表面硬度并为第二热处理作好金相组织准备主要是为了获得适宜的锻件表面硬度并为最终热处理作好组织准备。传统的预先热处理方法大多采用常规正火处理。该工艺设备简单、能耗少、工艺要求不高，因此应用较为广泛。随着我国汽车工业朝高质量、大批量方向发展，各汽车制造厂家也越来越重视汽车齿轮锻坯的预先热处理。由于普通正火时钢的组织转变是在一定温度范围内进行，因此得到的组织并不均匀；而且批量正火冷却时，锻坯往往成堆在空气中冷却或吹风冷却，其冷却速度易受其在堆中的位置及周围环境的影响，造成同批零件的硬度波动较大，同时又会增大渗碳淬火时的变形量，而对于淬透性较高的钢，甚至会产生贝氏体组织。因此，国内逐步采用等温退火工艺进行预先热处理，通常等温温度在560650oC范围内，以保证现代化大批量生产时，齿坯在预先热处理后能获得均匀的组织和硬度，这对于减少齿轮的渗碳淬火变形，降低运行时的噪音具有重要意义。当然，采用等温退火仍需将锻坯重新室温加热至900oC以上，加热温度较高，这将消耗大量能源。但是由于汽车齿轮锻造的终锻温度一般在900oC以上，此时工件仍处于奥氏体状态，如迅速将其均匀冷却到Ar1以下珠光体相变区进行等温转变，可获得与常规等温退火相似的显微组织和硬度，从而大大节约能源和提高劳动生产率并改善锻坯质量14。实验表明，等温退火后的齿坯能获得较均匀的片状珠光体铁素体组织及较均匀的硬度。经等温退火后的齿坯，具有良好的切削加工性能，减少了刀具的损耗，延长了刀具的寿命。另外也不同程度地稳定了零件最终热处理的淬火变形规律。4.2.2 对通用齿轮的改进讨论4.2.2.1 22CrMo正火与等温退火的实验对比表4.1为22CrMo正火与等温退火的金相组织和硬度对比13。表4.1 22CrMo正火与等温退火的金相组织和硬度对比工艺材料正火等温退火金相组织硬度金相组织硬度22CrMoF+P+BHBHRCF+PHBHRC28230.018927829.019327228.5187其中，正火组织为：铁素体+珠光体+贝氏体，布氏硬度为HB270290；等温退火组织为：铁素体+珠光体(带状)，布氏硬度为HB180200。由此可知，正火组织硬度比等温退火组织硬度要高。 下图为图4.1和图4.2为22CrMo正火和等温退火后的金相组织对比13。图4.1 22CrMo正火后的金相组织 图4.2 22CrMo等温退火后的组织由图中看出：(1) 22CrMo的正火组织为：铁素体+珠光体+贝氏体。显然，由于贝氏体的存在，故硬度较高，不利于切削加工和随后的渗碳、淬火处理。(2) 22CrMo的等温退火组织为：铁素体+珠光体，由于没有贝氏体的存在，故硬度较低，对于切削加工和后续热处理有利。4.2.2.2 22CrMo正火时硬度较高的原因分析22CrMo正火处理时，产生贝氏体，使硬度较高的原因：22CrMo除低碳和含有Cr外，还添加了一定量的Mo合金元素，而Mn含量则比20CrMnTi等传统钢种降低了一半。正火时，C、Mn、Cr、Mo不仅形成固溶体，还有形成合金碳化物的倾向，并能促进残余奥氏体向贝氏体的转变，特别是Mo使正火组织中的珠光体向贝氏体的转化最强烈，由于钢中有Ni、Mo、Cr等合金元素的存在，使珠光体量增加，晶粒细化，加上贝氏体的出现，所以，22CrMo正火后硬度高，且有具贝氏体组织，不利于后续的切削加工和渗碳热处理13。4.2.2.3 22CrMo等温退火工艺对工业生产的影响工业生产中，在大量生产条件下，改善切削加工性能具有很大的经济意义。其中硬度是衡量切削性能的重要指标。当HB1.5mm的深层渗碳浅层至深层局部渗碳简单；机械遮挡和屏蔽昂贵：用防渗膏剂防保护渗碳速度浅层渗碳大于真空和气体浅层渗碳大于气体渗碳内氧化无无工件几何形状特别适应于复杂形状简单装料形式有序装载有序装载淬火介质高压气体大于1000000Pa高压气体大于1000000Pa由表4.3可知：真空渗碳与离子渗碳工艺，一般压力在200060000Pa之间。渗碳气体是甲烷和丙烷。在真空热处理中一般选择丙烷，因为在相同的渗碳温度下它更容易分解。真空渗碳一般用于形状简单的零件，而离子渗碳用于有需要渗碳的内孔或盲孔的形状复杂的零件。等离子渗碳作为新型渗碳工艺，具有渗碳速度快，渗层容易控制，渗层均匀性好，不产生脱碳层，被处理表面清洁光亮及渗碳效率高等特点。在对材料进行等离子渗碳处理后，可获得分布均匀的组织物，显著提高耐磨性；真空渗碳具有节能、 渗碳速度快、 控制简便及安全环保等特点得到很大的发展。但长期以来，真空渗碳后产生的炭黑破坏绝缘问题、 渗碳均匀性问题一直没有得到有效的解决，影响了真空渗碳技术的推广应用。因为真空渗碳由于使用丙烷作为渗碳气，导致装炉量增加，渗碳气流量增加，压力加大，炭黑也越严重；由于炭黑严重，维修频率加快；为了减轻维修量、频率，不得不减少装炉量，导致生产率低下等问题15., 18。低压渗碳是在真空条件下的渗碳，具有时间短、无污染和无热辐射等特点，自20世纪70年代起在国内得到推广。由德国IPSEN开发的Avac低压渗碳新技术，以乙炔为渗碳介质，通过实时调节真空度的大小来调节碳势，具有炉内气氛碳势均匀性好、不积碳、清洁和成本低等特点，能够确保形状复杂件（如柴油机喷嘴）的各个部分充分均匀渗碳，也特别适用于装炉零件密集的场合。经过国内外研究单位的长期努力，控制压力范围在6001000Pa 的低压真空渗碳技术使得真空渗碳遇到的问题得到有效解决,特别是采用高压惰性气体冷却淬火也可大大减小齿轮畸变14。该工艺最近几年来经历了很大的发展，现已达到工业化的成熟阶段。低压渗碳的另一个引人注目的优点是无氧处理介质使得渗碳零件不会产生内氧化。4.3.3 BH催渗技术简介目前，高质量、高效率、节能环保成为技术追求。对于汽车齿轮，大部分材料都属于低、中淬透性。于是在进行热处理时，淬透性需要给予关注。催渗可提高渗碳或碳氮共渗速度、降低工艺温度，可带来节能降耗、减小工件变形、减小材料晶粒粗化倾向、细化组织等好处16。BH催渗技术是目前工业化应用最成功的一项催渗技术，一汽热处理厂、 二汽东风精工齿轮厂已有应用。BH（什么单词的简写？）实际是淬渗剂的一种，通常少量添加在渗碳或碳氮共渗介质（如甲醇、丙酮、煤油、RX气体或天然气）中，可提高渗速20%以上，或降低工艺温度40oC以上，保持原工艺渗速不变20。BH系列催渗技术在生产中的应用十分广泛，使用BH催渗技术的设备也几乎含盖了所有的气体渗碳和碳氮共渗设备，如连续炉、多用炉、井式炉、滚筒炉、网带炉等。目前国内已有60多家企业在300多台井氏炉上采用了BH催渗技术，他们大多采用自动碳势控制系统。其中渗碳层最浅的只有0.200.30mm，最深的深达6.00mm。在渗剂上，大多以煤油或丙酮为主，有的还同时使用甲醇、乙醇。文献20介绍了二汽精工齿轮厂应用BH技术对20CrMo材料进行处理，情况如下：(1) 使用方法：按0.5%的比例，将BH催渗剂添加到煤油、甲醇中调整工艺即可。(2) 设备：105KW井式渗碳炉；产品：2402NJ-335半轴齿轮；材料：20CrMo图4.7采用催渗技术前的工艺 图4.8采用催渗技术后的工艺表4.4 20CrMo钢采用渗碳工艺后50炉次对比检验结果碳化物M、A 表面硬度硬化层(mm)平均周期炉均耗电原工艺1-2级1-5级58-62HRC1.0-1.210.2h360度BH工艺1-2级1-4级58-62HRC1.05-1.158.1h270度结论：采用BH技术后生产效率提高20%以上，每炉次节电90度，产品质量提高，且工艺稳定。4.3.4 对真空渗碳工艺的讨论传统的渗碳工艺使用的是齿轮气氛渗碳，但产品并不令人满意，如何降低单个齿轮的渗碳成本是当今齿轮制造行业最为关心的问题之一。真空渗碳已经被广泛认识到是一种比较好的渗碳方法，国外的一些公司已经发现，用真空渗碳+高压气淬技术替代气氛渗碳+油淬或真空渗碳+油淬技术有很大的益处17。4.3.4.1 真空渗碳的特点(1)在产品质量方面,该工艺对工件细孔内表面的可渗碳性良好,可实施高质量密度渗碳,也可对不锈钢材料实施渗碳。气体渗碳难以进行的处理,也可以较容易地采用真空渗碳处理。(2)环保方面,无需保持气体渗碳那样的长时间处理状态,只要根据需要操作设备即可,因此也可节能。(3)在成本方面,处理温度可高于气体渗碳,所以在渗碳深度较大时,可缩短处理时间,提高生产率。(4)可操作性方面,也不需要像气体渗碳那样的炉内气氛管理之类的专业性管理,如能确定渗碳时间与扩散时间,基本上即可获得所需的质量。表4.5为真空渗碳的特点。表4.5 真空渗碳的特点特点质量 细孔内渗碳性良好 可进行高质量密度渗碳 不锈钢、高合金钢也可渗碳 基本上无晶界氧化 处理表面良好 可加压冷却环境 可间歇性运行(节能) CO2排放少成本 可高温下短时间处理 无需转化炉 不需时效处理可操作性 气氛管理,比气体渗碳容易4.3.4.2 真空渗碳的优缺点分析真空渗碳是一种所谓纯渗碳和纯扩散的方法，即在真空渗碳时，碳渗入钢表面的过程没有一些外部因素（例如气体的化学反应和零件表面污染等）的影响19。它的主要优点为：(1) 没有晶间氧化；(2) 由于真空渗碳设备和工艺的特点，能够采取更高的渗碳温度；(3) 由于真空渗碳工艺的灵活性，可以允许很多种材料进行真空渗碳处理；(4) 真空渗碳工艺能够产生比较均匀的渗碳层和在整个齿轮（齿顶-节径-齿根）上产生比较均匀的碳分布(5) 真空渗碳设备可与冷加工设备连成一条生产线，渗碳过程洁净、安全、操作简单、维修容易。工作条件优越（无明火、热和污染）；(6) 能够实现热处理过程和零件批量生产的全自动化；(7) 采用计算机模拟实现精确工艺控制，并可以调整现有热处理工艺；(8) 真空炉的特点决定了只有在有需要进行零件渗碳时才耗能，而如果不需要进行零件渗碳，就可以停炉，不耗能；(9) 对真空渗碳处理后的零件进行测量，发现变形较小。真空渗碳缺点包括：(1)比气氛渗碳设备更高的初始固定设备投资；(2)为达到理想的渗碳结果零件需要更加严格的清洁；(3)要根据经验来控制工艺，因此需要在处理各种零件前确定炉内装料的最佳方式和调整优化模拟工艺。4.3.4.3 真空渗碳实例分析传统工艺使用气氛渗碳工艺，而真空渗碳有其显著的优点。下面通过试验，评估气氛渗碳和真空渗碳工艺对试件渗碳结果的影响。在易利公司的试验中，选择用于重型传动齿轮制造的AISI8620钢进行气氛渗碳和真空渗碳的对比试验。从同样状态的AISI8620钢上切下两组试件并打上标记，其中一组试件进行气氛渗碳，另一组进行真空渗碳17。渗碳工艺参数如表9所示。表4.6 渗碳工艺参数渗碳方法渗碳温度渗碳时间扩散时间淬火温度淬火方法回火气氛渗碳940oC300min120min845oC油淬60oC175oC2h真空渗碳940oC32min314min845oC气淬20bar氮气175oC2h渗碳后，将试片从无标记面打磨，打磨量不超过0.006(0.15mm)。测出试件不同渗层深度的硬度，并采用X射线衍射分析方法测出试件表面的残余压应力。表4.7 试件气氛渗碳和真空渗碳结果的比较渗碳方法表面硬度（打磨前）表面硬度（打磨后）高硬度（58HRC)渗层深度表面残余压应力真空渗碳60HRC62HRC0.023”(0.58mm)135MPa气氛渗碳59HRC58HRC0.008”(0.20mm)98MPa可以发现，真空渗碳试件比气氛渗碳试件具有更高的表面硬度，更大的高硬度渗层深度和表面残余压应力。因此，通过上述对比试验可以得出真空渗碳优于气氛渗碳的结论。4.3.5 真空高压气淬技术的发展真空高压气淬技术在发展中相继出现了负压(1l05Pa)高流率气冷、加压(11054105Pa)气冷、高压(510510l05Pa)气冷 、超高压(1010520105Pa)气冷等新技术，不但大幅度提 高了真空气淬能力，而