Cr-Ni系滲碳鋼具有較高的強韌性，用于傳遞功率大、齒輪表面載荷高、有沖擊、形狀復雜的重要齒輪，如重載汽車、坦克車、鐵路機車、風力發電、汽輪機、冶金與軋鋼機械、船舶與航空發動機等裝備上的齒輪。常用Cr-Ni系滲碳鋼有12CrNi3、20CrNi、12Cr2Ni4、20CrNi3、20Cr4Ni4、17Cr2Ni2（德國ZF1鋼）、18Cr2Ni4WA等。
1.齒輪鍛坯預備熱處理工藝
表1為常用Cr-Ni系滲碳鋼齒輪鍛坯預備熱處理工藝。
表1 常用Cr-Ni系滲碳鋼齒輪鍛坯預備熱處理工藝
牌號 | 工藝 | 硬度與組織 |
12Cr2Ni4 | 余熱正火900~950℃；高溫回火630~680℃ | 硬度207~260HBW |
20CrNi | 余熱等溫退火：鍛坯終鍛切邊后，以40~50℃/min的冷卻速度冷卻到珠光體轉變溫度650~680℃，并保溫至完全轉變為珠光體 | 硬度157~207HBW，珠光體＋貝氏體 |
17Cr2Ni2（ZF1） | 正火940℃×2h，空冷；高溫回火650℃×3h，空冷 | 硬度170~217HBW，鐵素體＋回火索氏體 |
20Cr2Ni4 | 正火920℃，空冷；高溫回火620~630℃，空冷 | 硬度180HBW左右，珠光體＋少量鐵素體 |
20CrNi3、18Cr2Ni4WA | 正火880~940℃，空冷；高溫回火650~700℃ | 硬度207~269HBW，粒狀或細片狀珠光體＋少量鐵素體 |
20CrNi3 | 等溫正火：加熱（930±10）℃，風冷；等溫溫度（670±10）℃ | 硬度170~260HBW，鐵素體＋珠光體＋貝氏體 |
2.齒輪滲碳淬火及回火熱處理工藝
常用Cr-Ni系滲碳鋼齒輪滲碳淬火、回火熱處理規范及硬度見表2。
表2 常用Cr-Ni系滲碳鋼齒輪滲碳淬火、回火熱處理規范及硬度
滲碳溫度 /℃ | 淬火 | 回火 | 表面硬度 HRC | |||
溫度/℃ | 介質 | 溫度/℃ | 介質 | |||
20CrNi | 900~930 | 800~820 | 油 | 180~200 | — | 58~63 |
12CrNi3 | 900~920 | 810~830 | 油 | 150~200 | 空氣 | — |
12Cr2Ni4 | 900~930 | 770~880 | 油 | 160~200 | 空氣 | ≥60 |
20Cr2Ni4 | 900~930 900~950 | 780~820 810~830 | 油 | 160~200 150~180 | 空氣 | ≥58 |
18Cr2Ni4WA | 900~940 | 840~860 | 油 | 150~200 | 空氣 | ≥56 |
3.齒輪二次加熱淬火溫度
（1）二次（重新）加熱淬火 Cr-Ni系滲碳鋼齒輪在滲碳結束后緩冷至室溫，重新加熱至輪齒心部Ac3以上溫度進行淬火，以細化奧氏體晶粒，改善心部組織，消除滲碳層的網狀碳化物，可以提高抗彎曲疲勞強度20%左右。常用Cr-Ni系滲碳鋼齒輪二次加熱淬火的加熱溫度見表3。
表3 常用Cr-Ni系滲碳鋼齒輪二次加熱淬火的加熱溫度
鋼號 | 加熱溫度/℃ | 冷卻介質 |
20CrNi | 810~830 | 水或油 |
12CrNi3 | 760~800 | 油 |
12Cr2Ni4、20Cr2Ni4 | 840~860 | 油或空氣 |
（2）滲碳齒輪的兩次淬火 Cr-Ni系滲碳齒輪滲碳結束緩冷至室溫，先進行一次高于心部Ac3以上溫度的淬火，以細化心部晶粒并消除滲碳層網狀碳化物。這一溫度對于滲碳層來說是太高了，因而必須再進行一次高于滲碳層Ac1溫度，但低于Acm溫度的淬火以改善滲碳層組織。常用Cr-Ni系滲碳鋼齒輪兩次淬火的加熱溫度見表4。
表4 常用Cr-Ni系滲碳鋼齒輪兩次淬火的加熱溫度
鋼號 | 一次淬火 | 二次淬火 | ||
加熱溫度/℃ | 淬火冷卻介質 | 加熱溫度/℃ | 淬火冷卻介質 | |
20CrNi | 860 | 油 | 760~810 | 油 |
12Cr2Ni4 20Cr2Ni2 | 840~880 | 油或空氣 | 760~800 | 油或空氣 |
4.齒輪滲碳后的熱處理方式
（1）熱處理工藝的選擇 不同鋼材的齒輪經滲碳（碳氮共滲）后，根據要求進行不同的淬火及回火處理，其工藝見表5。
（2）冷卻方式的選擇 滲碳（碳氮共滲）后不直接淬火的Cr-Ni系滲碳鋼齒輪的各種冷卻方式參見表6。
表5 常用Cr-Ni系滲碳鋼齒輪滲碳后的各種熱處理方式
鋼號 | 齒輪類型 | 熱處理工藝 |
12CrNi3 20CrNi3 12Cr2Ni4 20Cr2Ni4 18Cr2Ni4WA | 滲碳齒輪 | 滲碳900~920℃→冷卻（冷卻方式選擇見表6）→再加熱（12CrNi3、20CrNi3、12Cr2Ni4、20Cr2Ni4：［（800±10）℃①；18Cr2Ni4WA：（850±10）℃］）→淬火（油或堿槽（200℃±30）℃×5~10min后，空冷）→冷處理（－70~－80℃×1.5~2h）→回火 |
滲碳后需要進行機械加工的齒輪 | 滲碳→冷卻→高溫回火（650±10）℃×5.5~7.5h，空冷（18Cr2Ni4WA則應隨爐冷至350℃以下出爐空冷②）→再加熱→淬火→回火 | |
一般滲碳后，心部硬度過高的齒輪 | 淬火可按以下規范進行：18Cr2Ni4WA：（850±10）℃保溫后，快速放入280~300℃堿槽中，保持12~20min，轉入560~580℃硝鹽浴中保持30~50min油冷 | |
碳氮共滲齒輪 | 碳氮共滲830~850℃→直接淬火（油或堿槽，馬氏體分級淬火，18Cr2Ni4WA可在空氣中淬火）→冷處理→回火 | |
碳氮共滲后還需進行切削加工的齒輪 | 碳氮共滲→冷卻（冷卻方式的選擇參考表6）→高溫回火→淬火→回火 |
注：①滲層殘留奧氏體過多或心部硬度過高，可降低淬火溫度至760℃。如果心部硬度偏低、鐵素體量過多，
可提高淬火溫度至850℃。
②回火硬度應不高于35HRC。個別零件硬度偏高，可再進行一次680~700℃高溫回火。
表6 滲碳、碳氮共滲后冷卻方式（直淬除外）的選擇
鋼號 | 冷卻方式 | 操作要求 |
12CrNi3、 12Cr2Ni4、 18Cr2Ni4WA | 空冷 | 氣體或鹽浴滲碳、碳氮共滲后采用空冷時，表面易形成一定的貧碳層，影響齒輪的使用性能，為此適當降溫后出爐并單獨擺開，以增加冷速，減少脫碳 |
在冷卻井中冷卻 | 冷卻井為四周盤有蛇形管通水的帶蓋容器。齒輪自井式滲碳爐中移入冷卻井內冷卻后，應向其中通入保護氣或滴入煤油以保護齒面不脫碳、氧化（可先在冷卻井中倒入適量甲醇） | |
在700℃等溫鹽浴中保持一段時間后空冷 | 鹽浴滲碳或碳氮共滲后此冷卻方式。齒輪出爐空冷時溫度較低，可減少齒面脫碳 | |
20CrNi3、 20Cr2Ni4 | 在緩冷坑中冷卻或油冷 | 20CrMnMo等這類鋼的齒輪如滲碳后空冷，易產生表面裂紋，需要慢冷至550~650℃等溫回火 |
全文請查看《金屬加工（熱加工）》雜志19期
