目前國內(nèi)重載齒輪制造領(lǐng)域，由于齒輪模數(shù)大，對材料的淬透性能有著嚴(yán)格要求，淬透性能差的材料無法保證齒輪的心部組織及力學(xué)性能滿足要求。當(dāng)前重載滲碳鋼齒輪的材質(zhì)主要有20CrMnMo、18CrNiMo7-6、17CrNiMo6、20Cr2Ni4、20CrNi2Mo等，其中20CrMnMo在重載齒輪制造領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。20CrMnMo的主要特點(diǎn)為Cr與Mn含量較高，對淬透性提高有著積極作用，滲碳后表面淬硬性好，齒輪滲碳淬火后表面硬度可以達(dá)到59～63HRC，同時(shí)滲碳層抗回火性能優(yōu)良，由于不含Ni元素，所以該材質(zhì)的韌性相對于18CrNiMo7-6類偏低。
淬火冷卻介質(zhì)是實(shí)現(xiàn)齒輪滲碳后性能的必要手段，通過淬火方可使擴(kuò)散入的碳原子產(chǎn)生硬化作用，使齒輪的表面、心部實(shí)現(xiàn)預(yù)期硬化性能。重載齒輪熱處理淬火冷卻介質(zhì)，目前主要有鹽浴以及油，本文主要涉及低溫鹽浴（50%硝酸鉀+50%亞硝酸鈉）與快速淬火油（K油）的對比。鹽浴與快速淬火油的冷卻機(jī)理明顯不同，鹽浴淬火為馬氏體分級淬火，采取的是“鹽浴-空氣”冷卻，在鹽浴內(nèi)完成心部組織轉(zhuǎn)變，隨后在空氣中完成表面組織轉(zhuǎn)變，鹽浴淬火變形相對較小，由于鹽比熱容大，其淬火冷卻介質(zhì)溫升較小，有利于淬火裝爐量提高。快速淬火油介質(zhì)冷卻時(shí)，齒輪的心部以及表面在油中完成轉(zhuǎn)變，對于分級淬火油，。由于兩種淬火冷卻介質(zhì)的特性差異，滲碳淬火后的性能必然存在差異，本文研究了鹽浴與油介質(zhì)對20CrMnMo重載滲碳齒輪淬火性能到影響，對合理選擇淬火冷卻介質(zhì)有著重要的指導(dǎo)意義。
一、試驗(yàn)材料與熱處理工藝
1.試驗(yàn)材料
試驗(yàn)試樣取材于20CrMnMo材質(zhì)實(shí)體齒輪，模數(shù)12，通過線切割獲得4件齒形樣坯，滲碳前在齒形樣坯上制取力學(xué)性能試樣，試驗(yàn)每組試樣包括齒形樣坯1件、力學(xué)性能試棒2件，獲得4組滲碳淬火試樣；滲碳淬火后再從齒形樣坯齒寬中部法向截面上取得試驗(yàn)用齒形試樣；最終每組檢測樣品包括齒形樣1件、偽滲碳力學(xué)性能試棒2件。試樣取樣位置如圖1、圖2所示。
2.熱處理工藝
每組試樣由齒形樣坯1件、力學(xué)性能試棒2件組成。4組試樣同爐滲碳，滲碳工藝時(shí)間45h（強(qiáng)滲碳勢1.15%時(shí)間30h、擴(kuò)散碳勢0.75%時(shí)間15h），760℃保溫2h出爐緩冷至300℃空冷；后采取4種淬火回火工藝進(jìn)行對比性試驗(yàn)。試樣熱處理工藝見表1。
二、淬火性能檢測
1.力學(xué)性能檢測
通過4種淬火回火工藝研究不同淬火冷卻介質(zhì)、不同淬回火溫度對試樣力學(xué)性能的影響，利用WAW-600KN萬能材料試驗(yàn)機(jī)以及JB-300B沖擊機(jī)對4組偽滲碳試樣進(jìn)行力學(xué)性能測試，結(jié)果如表2所示。
結(jié)果分析：
（1）相同材質(zhì)及淬火溫度工藝，油淬的強(qiáng)度指標(biāo)高于鹽淬，但塑韌性低于鹽淬。如表2所示，強(qiáng)度指標(biāo)提高10%左右，但沖擊功降低40%左右。
（2）相同材質(zhì)及淬火冷卻介質(zhì)，與常規(guī)840℃淬火比較，采用860℃快冷至840℃淬火將提高材料熱處理后的強(qiáng)度性能，但同時(shí)降低塑韌性指標(biāo)。
2.組織檢測
樣品經(jīng)4%硝酸酒精溶液腐蝕后，按JB/T6141.2—1992《重載齒輪滲碳質(zhì)量檢驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)，對齒形樣進(jìn)行組織觀察與分析。
（1）表面組織檢測
齒形樣表層組織檢測結(jié)果如表3所示。金相圖如圖4～圖11所示。
結(jié)果分析：
①對于12模數(shù)20CrMnMo齒形樣而言，滲碳后采用硝鹽或油淬后，齒根處非馬組織深度均約為節(jié)圓處的1倍。相同淬火奧氏體化加熱工藝，鹽浴與K油淬火的非馬組織深度無明顯差別。
②860℃快冷至840℃淬火，通過對鹽淬與油淬試樣結(jié)果比較，20CrMnMo材質(zhì)若在860℃進(jìn)行長時(shí)間保溫（2h），淬火后馬氏體針尺寸略大于840℃淬火工藝，但馬氏體級別≤3級。相同淬火奧氏體化加熱工藝，鹽浴與K油淬火的馬氏體針長一致，原因在于表層馬氏體的針長由淬火前的奧氏體晶粒度決定，與冷卻方式無關(guān)系。
③相同淬火奧氏體化加熱工藝，鹽浴淬火的殘留奧氏體數(shù)量大于K油淬火，鹽浴殘留奧氏體相對高度原因在于表層過冷奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變階段，在空氣中轉(zhuǎn)變的速率慢，導(dǎo)致奧氏體穩(wěn)定化；相同淬火冷卻介質(zhì)，無論鹽浴還是K油淬火，均表現(xiàn)出860℃降840℃淬火工藝的殘奧數(shù)量大于840℃淬火工藝，860℃降840℃淬火工藝殘奧數(shù)量相對高的原因在于860℃保溫階段，碳化物溶解入奧氏體中的數(shù)量增加，致使馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度Ms點(diǎn)下降，在冷卻轉(zhuǎn)變階段，奧氏體的轉(zhuǎn)變量將降低。
④碳化物指標(biāo)由滲碳階段的表層碳含量決定，4組試樣均為同爐滲碳，因此碳化物指標(biāo)不存在差異。
（2）心部組織及硬度檢測
運(yùn)用維氏硬度計(jì)與奧林巴斯GX51金相顯微鏡對樣品進(jìn)行硬度及組織檢測，結(jié)果如表4所示。金相如圖12、圖13所示。
表4 心部組織及硬度檢測結(jié)果
試樣編號 | 熱處理工藝 | 檢測部位 | 檢測項(xiàng)目 | ||
心部硬度/HRC | 心部組織 | 心部晶粒度（級） | |||
SY-001A | 860℃/840℃ 硝鹽 | 部位1 | 28.0；28.2；30.6 | B+少量M | 6 |
部位2 | 26.0；25.5；26.2 | B+少量M | 6 | ||
部位3 | 25.6；26.5；26.2 | B+少量M | 6 | ||
SY-001B | 840℃ 硝鹽 | 部位1 | 26.5；26.3；26.5 | B+少量M | 6 |
部位2 | 26.0；26.0；27.0 | B+少量M | 6 | ||
部位3 | 26.0；25.6；26.2 | B+少量M | 6 | ||
SY-002A | 860℃/840℃ K油 | 部位1 | 29.4；30.6；29.6 | B+少量M | 6 |
部位2 | 23.7；25.0；25.2 | B+少量M | 6 | ||
部位3 | 25.5；26.2；25.2 | B+少量M | 6 | ||
SY-002B | 840℃ K油 | 部位1 | 29.0；29.9；29.9 | B+少量M | 6 |
部位2 | 25.0；25.6；25.0 | B+少量M | 6 | ||
部位3 | 25.3；25.3；26.5 | B+少量M | 6 | ||
解釋：
①心部硬度檢測部位1：法向截面上，輪齒中心線與節(jié)圓相交處。
②心部硬度檢測部位2：法向截面上，輪齒中心線與齒根圓相交處。
③心部硬度檢測部位3：法向截面上，齒根30°切線方向，深度為1倍模數(shù)處。
結(jié)果分析：
①12模數(shù)20CrMnMo齒形樣，采用不同溫度工藝，油淬或鹽淬后，其心部檢測點(diǎn)1、2、3的硬度均≤30HRC；同一檢測位置，不同溫度工藝，油淬與鹽淬心部硬度值基本一致。
②鹽淬與油淬，同一個齒形樣，檢測點(diǎn)2、3心部硬度值基本相同；檢測點(diǎn)1硬度值略高于點(diǎn)2、3；且組織與硬度呈對于關(guān)系，檢測點(diǎn)1、2、3均為B+少量M。
③對實(shí)體心部組織及硬度分析，鹽與K油淬火，對心部性能影響無明顯差別，說明兩種介質(zhì)在試驗(yàn)中的高溫冷卻速度基本相同。
3.硬化層檢測
利用顯微維氏硬度計(jì)對樣品進(jìn)行硬化層檢測，按GB/T 9450—2005《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定和校核》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，檢測結(jié)果如表5所示；硬化層檢測處見圖3；圖14、圖15為樣品硬化層曲線。
結(jié)果分析：
（1）12模數(shù)20CrMnMo齒形樣，鹽淬后齒根硬化層為節(jié)圓硬化層的60.78%～65.0%，油淬后齒根硬化層為節(jié)圓硬化層的60.7%～62.0 %，兩種介質(zhì)并無明顯差別；相同材質(zhì)及淬火冷卻介質(zhì)，采用860℃降840℃淬火不能有效提高齒根/節(jié)圓硬化層比值。
（2）鹽淬或油淬，齒形樣840℃淬火后節(jié)圓及齒根處硬化層均略高于860℃降840℃淬火后數(shù)據(jù)。
（3）相同奧氏體化淬火工藝，節(jié)圓部位，K油淬火的硬度值大于鹽浴淬火，這與油淬殘留奧氏體數(shù)量相對少有關(guān)。
（4）從表面硬度曲線分析，發(fā)現(xiàn)采用兩種熱處理溫度工藝，齒形樣油淬后齒根部位離表面0.2mm范圍內(nèi)硬度值均低于569HV，齒根表面軟面層約0.2mm，而鹽淬無此現(xiàn)象。
三、結(jié)語
（1）相同材質(zhì)及淬火溫度工藝，油淬的強(qiáng)度指標(biāo)高于鹽淬，但塑韌性低于鹽淬；相同材質(zhì)及淬火冷卻介質(zhì)，與常規(guī)840℃淬火比較，采用860℃快冷至840℃淬火將提高材料熱處理后的強(qiáng)度性能，同時(shí)降低塑韌性指標(biāo)。
（2）鹽淬或油淬對馬氏體形態(tài)影響很小，主要影響因素為淬火溫度及保溫時(shí)間。相同熱處理加熱制度，鹽浴淬火殘留奧氏體量比油介質(zhì)高。
（3）12模數(shù)20CrMnMo齒形樣，采用不同溫度工藝，油淬或鹽淬后，其心部硬度均≤30HRC；且組織與硬度呈對于關(guān)系，均為B及少量M組織。兩種介質(zhì)高溫區(qū)冷卻速率相近，所以齒形樣心部性能無明顯差異。
（4）12模數(shù)20CrMnMo齒形樣，鹽淬后齒根硬化層為節(jié)圓硬化層的60.78%～65.0%；油淬后齒根硬化層為節(jié)圓硬化層的60.7%～62.0%；采用860℃降840℃淬火不能有效提高齒根/節(jié)圓硬化層比值。
（5）齒形樣油淬后齒根部位離表面0.2mm范圍內(nèi)硬度值均低于569HV，齒根表面軟面層約0.2mm，相同材質(zhì)及熱處理溫度，鹽淬則此現(xiàn)象。
作者：顧曉明
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