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拖拉机变速箱齿轮20Cr材料热处理工艺研究
潍坊学院 孙爱玲 管文
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摘要：小四轮拖拉机中变速箱齿轮是关键件，齿轮材料的选用及热处理工艺参数的确定一直是我们探究的主题。原来采用20CrMnTi材料，热处理工艺为气体渗碳，其渗碳温度高、时间长，易造成晶粒粗大、表面沉积碳黑等缺陷。由20Cr代替20CrMnTi，热处理工艺采用中温气体碳氮共渗直接淬火的方法。设备为RJJ-75-9T井式炉,滴柱式可控气氛控制炉压，渗剂为煤油加液态稀土共渗剂。此工艺共渗温度降至880℃，共渗时间缩至3小时。节约能耗33.6%，因缩孔造成的返修率降低到2.87%，齿轮本身也得到了更好的耐磨性、表面硬度和心部综合机械性能。
关键词：齿轮；气体碳氮共渗；工艺参数；耐磨性
Study On The Heat-treatment Process of 20Cr Gear in The Tractor Gear-box
Abstract: The shift gear-box is the key component in a four-weel tractor. The choice for the raw materials for the gear component and determination for the heat-treatment processing paprameters have been the main subject. For the previously used 20CrMnTi materials, the heat treatment process is a gas carbonization process, the carbonizing temperature is high, and the heat-treatment time is long. This always results in grain coarsing and carbon black depostion on the surface. If the the 20Cr material is selected as the gear material instead 20CrMnTi, the heat treatment process is a direct quenching carried out via gas carbonitriding at a middle temperature. The equipment for the heat treatment is RJJ-75-9T type well furnace, the gas pressure in the furnace is controlled by instilled vapor, the permeating chemicals is the mixture of kerosene and liquid rare earths. The heat treatment temeprature is reduced to 880 degrees, and the treatment time is about 3 h. About 33.6% energy can be saved, and the repair rate of unpacked goods caused by the draw back of shrinkage hole can be reduced to 2.87%, the wear resistance, surface hardness and comprehensive mechanical properties of the core section are greatly improved.
Key Words: gear；gas carbonitriding；process parameters；wear resistance
小四轮拖拉机变速箱齿轮工作时要承受强烈的摩擦磨损和高的交变弯曲应力和接触疲劳应力的作用，同时承受着强烈的冲击载荷作用。相应的这些齿轮常见的失效形式有过量磨损、表面剥落，甚至断齿等。因此，齿轮的技术要求是表面具有高硬度、高耐磨性、高接触疲劳强度，而心部应具有良好的综合力学性能。采用20CrMnTi材料气体渗碳工艺（热处理工艺曲线 图1）渗碳温度高930±10℃，渗碳时间长5小时。虽然按图纸技术要求：表面硬度、心部硬度、渗碳层厚度等都能达到。但齿轮内花键缩孔现象明显，返修率高，晶粒粗大，综合机械性能下降，材料本身经济性差，热处理生产周期长。本文齿轮以20Cr材料代替20CrMnTi材料，采用中温气体碳氮共渗工艺。对热处理参数进行全面的实验、分析研究,证明小四轮拖拉机变速箱中的小齿轮采用20Cr材料中温气体碳氮共渗工艺后，在满足各种性能的同时，材料成本降低、生产周期缩短、热处理后返修率下降。

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图1 20CrMnTi齿轮气体渗碳工艺曲线

1 理论分析：
20Cr材料属于低淬透性合金钢，采用渗碳工艺时晶粒容易长大，而中温气体碳氮共渗工艺，是在工件的表面同时渗入碳和氮，由于氮的加入使γ相区扩大，Ac3点下降因而能使钢在更低的温度增碳。其过程是将钢件放入密封炉罐内加热到820℃～880℃ ，并向炉内滴入煤油或其它渗剂，然后加入共渗剂。共渗剂的分解，使活性的碳原子和氮原子在一定压力下被吸附在工件表面并向内扩散，从而形成一定深度的碳氮共渗层。碳氮共渗过程可分为两个阶段，第一阶段即强渗阶段，碳和氮在工件表面的渗入情同；随着时间的延长，出现第二阶段，这时碳继续渗入而氮不仅不渗入工件表面，反而渗层表面部分的氮原子进入到气体介质中，表面脱氮。所以应严格控制共渗温度与共渗时间。
2 热处理参数确定
2.1 所用设备、试块
首先确定共渗剂：通过市场调研决定购进现成的液态碳氮共渗剂，这样能保证原来气体渗碳时的设备、工装无需改动。
试块采用自制的φ10×20（mm）的20Cr钢棒（图2）。

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图2 试块

共渗设备为RJJ-75-9T井式炉滴柱式碳氮共渗。
方法是：分别在井式炉的上区、下区特征位置每炉放置3块试块，分别在不同的共渗时间、共渗温度、渗济滴量下取出试块做成金相试样，随时观察其渗层厚度、渗层组织、晶粒大小、表面硬度，并做好记录。
2.2 热处理的工艺参数及工艺曲线
实验发现一定温度范围内，共渗温度越高则共渗层越厚，当温度高于880℃时渗层厚度的增加趋于缓慢(图3)，但却由于温度的增加而使晶粒变的粗大。所以共渗温度确定为上区880℃、下区860℃。

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图3 共渗温度对共渗层的影响
（共渗时间3小时）

试验得出共渗时间超过3小时后，共渗剂对渗层厚度的影响明显下降，共渗3小时与共渗4小时的渗层厚度相差不大(图4)，反而因为在高温下时间的延长而使晶粒长大。

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图4 共渗时间对共渗层的影响
（共渗温度上区880±10℃，下区860±10℃）

于是我们把共渗阶段分为两段，即120分钟的强渗阶段和60分钟的扩散阶段，同时扩散阶段的滴量和炉内压力要适当降低（表1）。分析原因在共渗初期试样表面还没有形成一定厚度的渗层，其共渗过程的控制因子主要是产生活性原子的界面反应和吸收活性原子的过程。

表1 20Cr齿轮中温气体碳氮共渗工艺参数

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因此，催渗的效果明显。共渗120分钟后，表面的碳氮原子已基本饱和，吸附碳氮原子的速度减慢。这时，应该预防的是高温下工件表面的脱氮，即已经渗入工件表面的部分氮原子又回到气体介质中。所以在扩散阶段和降温阶段仍然要保持一定的炉内气氛的压力。通过对实验数据分析得出最终的20Cr齿轮中温气体碳氮共渗工艺的各个参数（表1）及热处理工艺曲线（图5）

（图片）

图5 20Cr齿轮热处理工艺曲线

对采用以上热处理工艺处理的20Cr齿轮进行理化检验，结果如下：
1) 共渗层组织为：针片状马氏体、少量的弥散分布的粒状碳氮化合物和少量的残余奥氏体。
2) 共渗厚度为0.7～1.0mm，符合产品技术要求合格率100%。
3) 表面硬度为58～64HRC，心部硬度30～42HRC。合格率100%。
4) 花键孔检验，合格率97.13%。
3 结束语：
20Cr齿轮中温气体碳氮共渗比20CrMnTi高温气体渗碳在较低的温度下获得同样渗层厚度并且共渗速度快；处理后的工件表面、炉壁、料筐体上不会析出碳黑；工件具有更高的表面硬度、耐磨性、抗蚀性、弯曲强度和表面疲劳强度；工件变形小等优点。共渗后直接淬火、低温回火，热处理能耗降低了33.6%，生产周期缩短了2小时。由于共渗温度的降低因内花键缩孔导致的返修率由原来的13.7% 降为2.87%。因此小四轮拖拉机变速箱齿轮采用20Cr材料中温气体碳氮共渗热处理工艺，其工艺过程简单成本显著降低，如加以推广将带来巨大的经济效益。
本文是潍坊拖拉机厂的获奖课题，目前该工艺在潍坊拖拉机厂被应用（20Cr代替20CrMnTi）
作者简介：
孙爱玲——山东潍坊拖拉机厂高级工程师，现潍坊学院机电学院从事机械教学与科研。
管文——从事高校机械教学与科研15年，现为杂志《农业机械》地方编委。本文由管文老师修改并推荐到《农业机械》2008年6期。 9/6/2008

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