热处理：平衡的艺术

来源：《金属加工（热加工）》杂志

热处理的定义就是通过温度的变化改变工件内部显微组织，进而获得理想性能的工艺，而工件的性能往往多种多样，有些性能还存在彼此之间的矛盾关系。例如我们经常遇到的强度和韧性，在一定范围内存在此消彼长的关系。因此，我们从教科书中得到的专业启蒙教育就是，如何借助于热处理工艺获得良好的强韧性搭配。

一、齿轮类零件的平衡关系

就齿轮类零件而言，基于其复杂的受力状态，强度和韧性无疑是最基本、最重要的性能，我们在要求轮齿表面具有高硬度、高疲劳强度的同时，还应该具备良好的冲击韧性，尤其是对于承受冲击载荷的越野车辆、工程机械齿轮，以及自然条件和载荷多变的风电齿轮等。因此，我们将“刚柔并济、内外兼修”作为齿轮热处理的最高境界。

要接近或趋向于上述目标，需要斟酌的因素，或者说要处理的平衡关系很多，其中包括：

（1）表面硬度的确定

根据表面耐磨性、脆性甚至磨削性能的要求，大部分齿轮的表面硬度控制在58~62HRC的范围。

（2）心部硬度的选择

有研究表明，齿轮心部硬度处于38HRC附近时，具有最好的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度，在确定心部硬度范围时，还需平衡齿轮模数、材料淬透性以及变性倾向的关系。

（3）硬化层深度的确定

目前一般取15%~25%Mn作为有效硬化层深度，这里需要掌握的一个平衡关系，就是节圆位置与齿根位置的硬化层匹配关系。为了避免两处的硬化层深度相差悬殊，有些企业标准中明确规定，齿根拐角处硬化层深度不得低于节圆初深度的70%。如美国EATON公司就明确规定，有效硬化层以轮齿节圆为准，允许齿根比节圆处最多浅30%。

（4）表层中残留奥氏体数量的问题

残留奥氏体作为亚稳组织不仅影响表面硬度，也存在着由于后续转变而影响工件尺寸和形状变化的问题，因此，某些精密零件就有通过深冷处理而减少或消除残留奥氏体的要求。但是残留奥氏体组织并非一无是处，它在吸收内应力能量，阻滞微裂纹扩展，提高断裂韧性方面的积极作用也是明确的，因此，有专家建议，将齿轮表层的残留奥氏体量控制在16%~19%的水平。

国外残留奥氏体与马氏体组织是分别要求的，而且往往只有残留奥氏体的要求，并无马氏体的要求。残留奥氏体级别用百分比来表示，对于汽车、工程机械齿轮来说，残留奥氏体量应低于20%，相当于国内标准的3级，也有要求低于10%的情况，相当于国内标准的2级。

（5）低温回火处理

渗碳淬火后低温回火处理非常重要，稍有不慎，就会前功尽弃。常规回火温度为180~200℃，但是由于担心表面硬度等不达标，国内齿轮厂家普遍采用较低的回火温度，有的已经低于160℃。

较低的温度如果再加上保温时间不够，就难以消除硬化层内的残留应力，这样的齿轮往往是硬度有余，而韧性不足，在以后服役条件下容易出现断齿、崩角等严重质量事故，有的齿轮轴在校直时就出现裂纹。

事实上，回火时虽然马氏体中析出的碳化物造成硬度下降，但与此同时残留奥氏体会转变成新的马氏体或贝氏体，同时增加表面压应力，表面硬度未必有明显降低。有人统计，200℃和230℃回火，无论是在表面硬度、硬化层强度，还是表面压应力方面都不会是质的变化。相反，在硬度相近的情况下，经过略高温度回火的零件，冲击韧性更佳，这与调质时所谓高淬高回能得到更佳综合力学性能的道理是一样的。

二、齿轮平衡关系实例

下面是最近遇到的几个实例，从中可以体会到热处理行业内比比皆是的平衡关系。

1.复杂结构齿轮的热处理

齿轮如图1所示，其结构特点是内有两段花键，外有轮齿，沿轴向截面对称性差，在普通气氛渗碳炉（多用炉、连续炉）渗碳淬火处理，其变形量基本全部超标。

图1 复杂结构齿轮

该齿轮的热处理难点就集中于控制内孔的椭圆与锥度变形，因此，减缓淬火烈度，降低齿轮内应力就成为一个选项。而热处理具备的两个有利条件是：该齿轮材料为19CrNi5，淬透性较好；公司具备可以气体淬火的真空渗碳炉。

因此，工艺改为960℃×2h渗碳，然后N2淬火，最后低温回火，既获得了合格的金相组织，又确保变形量满足要求。

2.某齿轮热处理工艺改进

齿轮结构如图2所示，其特点是齿顶较尖，而且螺旋角β较大，变性倾向大，用常规工艺试验多次，变形量超差。另外，客户对金相组织要求较高，其中次表层ITP组织深度≥0.1mm。

众所周知，ITP组织（中间转变产物）是由于次表层淬透性降低而形成贝氏体或托氏体等非马组织，有时被称为次贝组织。国外齿轮产品金相组织经常有ITP深度的技术要求，有的标准中规定ITP深度须大于对应硬化层深度的一定比例，是衡量硬化层质量的重要指标。其主要影响因素包括材料淬透性、淬火冷却速度、工件尺寸以及表面碳浓度等。

如果从控制ITP深度角度考虑，提高齿轮淬火烈度也是一个方向，但这又加大了齿轮的变形倾向。本项目采取的措施是适当提高渗碳后期的碳势，在淬火前的保温阶段通入适量的NH3，彻底解决了ITP组织深度问题。

图2 齿轮图片

ITP问题的解决，为控制齿轮变形预留了足够的空间，再通过调整淬火冷却工艺参数（介质类型、搅拌速度及淬火温度），减缓淬火烈度，减小齿轮变形量，使得内在质量（金相组织）和外在质量（齿轮精度）本来相互冲突和矛盾的两个方面得到了很好的兼顾。

3.调质处理

作为氮化、感应淬火预备处理的调质工艺，也存在着平衡关系，例如如何确定调质硬度，选择高温回火温度。大量数据表明，调质硬度确实会影响到氮化速度以及表面硬度，将42CrMo调质硬度由20～25HRC提高到28～32HRC后，可使氮化后表面硬度由500HV左右提高到≥600HV。某厂刚开始做一种出口的氮化齿轮时，考虑到是剃齿加工，担心前面的调质硬度太高，造成剃齿困难，结果氮化硬度总是达不到要求，后来将调质硬度提高，才解决了问题。

从基体强度和承载能力方面，氮化件调质硬度应在300HV以上，美国某些公司要求达到340HV水平，但是目前国内加工刀具还普遍达不到这个水平，因此，常规的调质硬度控制在260~290HV范围。

这里也反映出冷加工与热加工之间经常出现的平衡关系。很多场合下，热处理不能画地为牢、闭门造车，必须兼顾热前、热后的冷加工工序。

4.关于渗碳工艺和碳氮共渗工艺

常规渗碳温度为920~930℃，某些场合下可以采用更高的温度，在这种高温下，碳元素扩散速度很快，用较短的时间即可达到深层深度，对于小模数齿轮，往往几个小时即可。

但是，高温也加大了渗碳件的变性倾向，尤其是对于某些形状复杂、截面较小的内花键齿轮、轴齿轮等，变形问题非常突出，在这种情况下，可以考虑选择碳氮共渗工艺。

事实上，碳氮共渗正是基于权衡考虑而诞生的一种嫁接工艺，碳氮共渗齿轮同样具有良好的耐磨性和疲劳强度。由于降低了热处理温度，使得控制变形的压力大大缓解，对于模数较小，硬化层深度1.0mm以下的齿轮类零件，相对于变形量的减小，由于温度降低、工艺时间延长而增加的成本甚至是可以忽略不计的。

以下归纳出渗碳和碳氮共渗的共性与个性，可供参考。

（1）氮氮共渗不出现缺陷的前提下耐磨性、表面硬度要高于渗碳，接触疲劳强度高于渗碳齿轮。

（2）碳氮共渗容易出现“三黑”缺陷，工艺过程对设备要求很严格。国内碳氮共渗与渗碳在井式炉、箱式多用炉中应用非常普遍，齿轮行业应该高度重视“三黑”问题。

（3）浅硬化层（0.2～0.8mm）的零件，应优先采用C-N共渗工艺。

（4）对于连续推盘线，不推荐采用碳氮共渗工艺。

（5）同样的服役条件下，碳氮共渗层深应浅于渗碳层深，这也进一步消化了温度降低、时间延长造成的成本增加。

（6）对于大模数齿轮，渗碳淬火仍然作为首选工艺。

三、结语

同高空走钢丝一样，热处理过程充满变数、风险和挑战，经常是多因一果，把握平衡非常重要，如果顾此失彼，避重就轻，往往会因为失衡而导致不理想的结果，甚至满盘皆输。

热处理技术人员经常遇到的难题就是处理各种复杂的关系，如原材料与工艺，工艺与设备，内在质量与外在质量，热加工与冷加工等，分析主要矛盾，利用现有条件，达到理想结果，体现着热处理技术人员的智慧与经验。

材料热处理作为一项工程技术，既有科学的一面，又有艺术的属性，也许这正是这个专业的魅力所在。

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