1、摘要：小四輪拖拉機中變速箱齒輪是關鍵件，齒輪材料的選用及熱處理工藝參數的確定一直是我們探究的主題。原來采用20CrMnTi材料，熱處理工藝為氣體滲碳，其滲碳溫度高、時間長，易造成晶粒粗大、表面沉積碳黑等缺陷。由20Cr代替20CrMnTi，熱處理工藝采用中溫氣體碳氮共滲直接淬火的方法。設備為RJJ-75-9T井式爐,滴柱式可控氣氛控制爐壓，滲劑為煤油加液態稀土共滲劑。此工藝共滲溫度降至880，共滲時間縮至3小時。節約能耗33.6%，因縮孔造成的返修率降低到2.87%，齒輪本身也得到了更好的耐磨性、表面硬度和心部綜合機械性能。 關鍵詞：齒輪；氣體碳氮共滲；工藝參數；耐磨性 Study On Th

2、e 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 previous

3、ly 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

4、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 mixtur

5、e 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

6、hardness and comprehensive mechanical properties of the core section are greatly improved. Key Words: gear；gas carbonitriding；process parameters；wear resistance 小四輪拖拉機變速箱齒輪工作時要承受強烈的摩擦磨損和高的交變彎曲應力和接觸疲勞應力的作用，同時承受著強烈的沖擊載荷作用。相應的這些齒輪常見的失效形式有過量磨損、表面剝落，甚至斷齒等。因此，齒輪的技術要求是表面具有高硬度、高耐磨性、高接觸疲勞強度，而心部應具有良好的綜合力學性能。采

7、用20CrMnTi材料氣體滲碳工藝（熱處理工藝曲線 圖1）滲碳溫度高930±10，滲碳時間長5小時。雖然按圖紙技術要求：表面硬度、心部硬度、滲碳層厚度等都能達到。但齒輪內花鍵縮孔現象明顯，返修率高，晶粒粗大，綜合機械性能下降，材料本身經濟性差，熱處理生產周期長。本文齒輪以20Cr材料代替20CrMnTi材料，采用中溫氣體碳氮共滲工藝。對熱處理參數進行全面的實驗、分析研究,證明小四輪拖拉機變速箱中的小齒輪采用20Cr材料中溫氣體碳氮共滲工藝后，在滿足各種性能的同時，材料成本降低、生產周期縮短、熱處理后返修率下降。 圖1 20CrMnTi齒輪氣體滲碳工藝曲線1 理論分析： 20Cr材料屬

8、于低淬透性合金鋼，采用滲碳工藝時晶粒容易長大，而中溫氣體碳氮共滲工藝，是在工件的表面同時滲入碳和氮，由于氮的加入使相區擴大，Ac3點下降因而能使鋼在更低的溫度增碳。其過程是將鋼件放入密封爐罐內加熱到820880 ，并向爐內滴入煤油或其它滲劑，然后加入共滲劑。共滲劑的分解，使活性的碳原子和氮原子在一定壓力下被吸附在工件表面并向內擴散，從而形成一定深度的碳氮共滲層。碳氮共滲過程可分為兩個階段，第一階段即強滲階段，碳和氮在工件表面的滲入情同；隨著時間的延長，出現第二階段，這時碳繼續滲入而氮不僅不滲入工件表面，反而滲層表面部分的氮原子進入到氣體介質中，表面脫氮。所以應嚴格控制共滲溫度與共滲時間。 2

9、熱處理參數確定 2.1 所用設備、試塊 首先確定共滲劑：通過市場調研決定購進現成的液態碳氮共滲劑，這樣能保證原來氣體滲碳時的設備、工裝無需改動。 試塊采用自制的10×20（mm）的20Cr鋼棒（圖2）。 圖2 試塊共滲設備為RJJ-75-9T井式爐滴柱式碳氮共滲。 方法是：分別在井式爐的上區、下區特征位置每爐放置3塊試塊，分別在不同的共滲時間、共滲溫度、滲濟滴量下取出試塊做成金相試樣，隨時觀察其滲層厚度、滲層組織、晶粒大小、表面硬度，并做好記錄。 2.2 熱處理的工藝參數及工藝曲線 實驗發現一定溫度范圍內，共滲溫度越高則共滲層越厚，當溫度高于880時滲層厚度的增加趨于緩慢(圖3)，但

10、卻由于溫度的增加而使晶粒變的粗大。所以共滲溫度確定為上區880、下區860。 圖3 共滲溫度對共滲層的影響 （共滲時間3小時）試驗得出共滲時間超過3小時后，共滲劑對滲層厚度的影響明顯下降，共滲3小時與共滲4小時的滲層厚度相差不大(圖4)，反而因為在高溫下時間的延長而使晶粒長大。 圖4 共滲時間對共滲層的影響 （共滲溫度上區880±10，下區860±10）于是我們把共滲階段分為兩段，即120分鐘的強滲階段和60分鐘的擴散階段，同時擴散階段的滴量和爐內壓力要適當降低（表1）。分析原因在共滲初期試樣表面還沒有形成一定厚度的滲層，其共滲過程的控制因子主要是產生活性原子的界面反應和吸

11、收活性原子的過程。 表1 20Cr齒輪中溫氣體碳氮共滲工藝參數 因此，催滲的效果明顯。共滲120分鐘后，表面的碳氮原子已基本飽和，吸附碳氮原子的速度減慢。這時，應該預防的是高溫下工件表面的脫氮，即已經滲入工件表面的部分氮原子又回到氣體介質中。所以在擴散階段和降溫階段仍然要保持一定的爐內氣氛的壓力。通過對實驗數據分析得出最終的20Cr齒輪中溫氣體碳氮共滲工藝的各個參數（表1）及熱處理工藝曲線（圖5） 圖5 20Cr齒輪熱處理工藝曲線對采用以上熱處理工藝處理的20Cr齒輪進行理化檢驗，結果如下： 1) 共滲層組織為：針片狀馬氏體、少量的彌散分布的粒狀碳氮化合物和少量的殘余奧氏體。 2) 共滲厚度為

12、0.71.0mm，符合產品技術要求合格率100%。 3) 表面硬度為5864HRC，心部硬度3042HRC。合格率100%。 4) 花鍵孔檢驗，合格率97.13%。 3 結束語： 20Cr齒輪中溫氣體碳氮共滲比20CrMnTi高溫氣體滲碳在較低的溫度下獲得同樣滲層厚度并且共滲速度快；處理后的工件表面、爐壁、料筐體上不會析出碳黑；工件具有更高的表面硬度、耐磨性、抗蝕性、彎曲強度和表面疲勞強度；工件變形小等優點。共滲后直接淬火、低溫回火，熱處理能耗降低了33.6%，生產周期縮短了2小時。由于共滲溫度的降低因內花鍵縮孔導致的返修率由原來的13.7% 降為2.87%。因此小四輪拖拉機變速箱齒輪采用20Cr材料中溫氣體碳氮