目前，滲碳淬火仍是摩托車變速齒輪的主要表面強(qiáng)化手段之一，隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程的迅速發(fā)展，對(duì)摩托車變速部件的要求越來越高，傳動(dòng)系統(tǒng)的核心部件齒輪的質(zhì)量對(duì)摩托車運(yùn)行壽命的影響至關(guān)重要。其主要失效形式有磨損、齒面疲勞、塑性變形、斷齒等，這些失效與齒輪的表面硬度、心部硬度有很大關(guān)系。如何選擇合適的材料及熱處理工藝，對(duì)齒輪的壽命影響非常重要。

　　在我國汽車、摩托車齒輪鋼是同一類別鋼，它是在通用的低碳滲碳結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上開發(fā)的，各種高、低合金滲碳淬火齒輪鋼，基本上能滿足摩托車等車輛高參數(shù)齒輪生產(chǎn)的要求。隨著近年來齒輪產(chǎn)品生產(chǎn)的國際化，新引進(jìn)的鋼種越來越廣泛，并已經(jīng)納入國標(biāo)。因此，本文重點(diǎn)介紹我國廣泛應(yīng)用的摩托車滲碳齒輪鋼，且從滲碳的冶金工藝特性出發(fā)闡述滲碳熱處理工藝細(xì)節(jié)問題。

　　01 滲碳齒輪鋼的概述

　　對(duì)摩托車滲碳齒輪鋼的冶金質(zhì)量要求，除一般的強(qiáng)度、塑韌性外，還特別要求其具有特定的淬透性及淬透性帶、高的純凈度和細(xì)小晶粒度。國內(nèi)常用滲碳齒輪鋼及化學(xué)成分如表1所示。滲碳齒輪鋼的碳含量一般在0.10%～0.25%之間， 為了提高淬透性，保證心部強(qiáng)度，在滲碳鋼中加入各種合金元素，如Ni、Cr、Mn、Mo 、B等，同時(shí)還加入一 定量的Ti、AL等合金元素以細(xì)化晶粒，防止零件在滲碳過程中發(fā)生過熱。由于不同的鋼種合金元素特別是Cr、 Ni、Mo含量不同，材料的強(qiáng)韌性也不相同。通過不同熱處理方式得到不同的組織和性能，從而滿足不同的服役條件，當(dāng)采用低碳合金滲碳鋼，如20CrNiMoH滲碳后，其滲層自表面至內(nèi)部實(shí)際上變成90CrNiMo、80CrNiMo…… 20CrNiMoH、27CrNiMoH鋼呈階梯分布，以此使?jié)B碳齒輪表面具有高硬度和心部具有足夠的韌塑性。

　　02 滲碳齒輪鋼的冶金工藝特性

　　滲碳齒輪鋼的淬透性:淬透性是齒輪鋼的重要特性，它主要取決于過冷奧氏體穩(wěn)定性的大小，鋼材淬透性的穩(wěn)定與否對(duì)齒輪熱處理后變形影響很大。因此，齒輪鋼對(duì)于淬透性帶寬有非常高的要求，淬透性帶越窄、離散度越小越有利于齒輪加工和提高嚙合精度。大部分摩托車齒輪用戶對(duì)淬透性的要求不大于6HRC，嚴(yán)格的要求不大于5HRC，而淬透性的穩(wěn)定性主要與圓鋼的成分均勻性有關(guān)，成分均勻性越差，淬透性波動(dòng)越大。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，鋼的末端淬透性可以采用實(shí)測或按公式計(jì)算淬透性兩種供貨方式;公稱直徑小于30mm鋼材允許在毛坯中段上取樣進(jìn)行實(shí)測，淬透性訂貨方法分H帶(基準(zhǔn)帶)、HH帶(上2/3帶)和HL帶(下2/3 帶)三個(gè)帶別， 具體帶別應(yīng)在合同中注明，未注明時(shí)按H帶供貨。淬透性訂貨方法有A法、B法、C法和D法任一種方法訂貨， 并應(yīng)在合同中注明。

　　A法 ：距淬火端某一距離的最大和最小硬度值，如表示。

　　表1　國內(nèi)常用滲碳齒輪鋼及化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)

　　B法：距淬火端某一距離的最大和最小硬度值及另一距離的一個(gè)最大硬度值或最小硬度值，如(或)表示。

　　C法：距淬火端兩個(gè)距離的最大和最小硬度值，如用表示，也可以用(或)表示。

　　D法：按淬透性帶訂貨。

       “B”法是基本訂貨方法，以其成本低、工藝性能好、 檢測水平高的優(yōu)點(diǎn)且可以滿足國內(nèi)大多數(shù)齒輪材質(zhì)的要求，摩托車變速齒輪具有自身的特殊鋼種特性，因而其淬透性帶寬的控制相對(duì)于其它齒輪鋼難度更大。

　　滲碳齒輪鋼心部硬度控制: 摩托車變速齒輪心部硬度高，能夠支撐滲碳硬化層，從而提高其接觸疲勞強(qiáng)度;心部韌性高，能夠提高其彎曲疲勞強(qiáng)度，因此，齒輪的強(qiáng)韌性問題備受關(guān)注。材料的淬透性能夠保證不同大小齒輪的心部硬度,如Cr～Ni～Mo系鋼22CrNiMoH、27CrNiMoH、18Cr2Ni2MoH等含有大量的合金元素Cr.Mo.Ni等，使鋼的淬透性很高。淬透性足夠時(shí)，淬火后心部能得到全部低碳馬氏體;淬透性不足時(shí)，除低碳馬氏體外還會(huì)出現(xiàn)不同數(shù)量的非馬氏體組織(如鐵素體和珠光體)，它們會(huì)大大降低變速齒輪的彎曲疲勞和接觸疲勞性能。國內(nèi)外大量典型試驗(yàn)表明，只要表面殘余壓應(yīng)力不過多地降低，接觸疲勞強(qiáng)度隨心部硬度的提高而提高。而對(duì)彎曲疲勞強(qiáng)度，心部硬度存在一最佳值，最典型試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為一般最佳硬度范圍在40HRC左右。由此可看出，若要提高滲碳齒輪的疲勞強(qiáng)度，首先要保證齒輪心部具有足夠的強(qiáng)度，即具有一定的硬度，但硬度過高會(huì)對(duì)表面殘余壓應(yīng)力產(chǎn)生不利影響，使其下降。

　　表面含碳量的控制: 變速齒輪滲碳的表面含碳量是影響齒輪冶金質(zhì)量和疲勞特征的重要參量，實(shí)質(zhì)上它并不是一個(gè)獨(dú)立的參量， 因?yàn)樗⒉皇且詥为?dú)的形態(tài)出現(xiàn)，而是固溶于馬氏體、殘余奧氏體和碳化物組織中。此外，表面含碳量必須與合金成分、淬火特性、回火條件以及許多其他熱處理過程參數(shù)綜合考慮對(duì)淬硬齒輪的作用。應(yīng)當(dāng)指出的是，隨著表面碳濃度的提高表面硬度上升，當(dāng)表面碳濃度超過某一數(shù)值時(shí)， 硬度不再升高，甚至有下降的趨勢，這是由于表層較高的碳含量降低了Ms點(diǎn)，淬火后形成更多的殘余奧氏體而降低了表面硬度。殘余奧氏體存在于大多數(shù)滲碳齒輪滲層的組織中，理論上滲碳層中的碳原子超過共析碳濃度時(shí)，馬氏體轉(zhuǎn)變反應(yīng)不可能完全徹底，在室溫下仍會(huì)留下一定量的殘余奧氏體。硬而脆的馬氏體組織中殘余奧氏體總的來說會(huì)降低的總體硬度，然而在載荷作用下殘余奧氏體會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，并且會(huì)增強(qiáng)齒輪表面，提高其疲勞特性。實(shí)際生產(chǎn)中殘余奧氏體的最大值約為25%，適量的殘余奧氏體有鈍化裂紋尖端、減小應(yīng)力集中的作用，對(duì)提高疲勞性能有利，但過多的殘余奧氏體會(huì)降低表面殘余壓應(yīng)力，從而使齒輪的疲勞強(qiáng)度和耐磨性降低。一般含碳量控制在0.75%左右，硬度及殘余奧氏體指標(biāo)均為適宜。

　　03 滲碳工藝細(xì)節(jié)

　　滲碳工藝趨勢: 目前摩托車變速齒輪滲碳仍然是主流的表面強(qiáng)化手段，目前的工藝控制水平也很高，高溫?cái)U(kuò)散型的滲碳工藝自表及里形成了具有梯度特性的冶金工藝特性，要想使?jié)B碳熱處理變得更“低碳經(jīng)濟(jì)”，需深入開發(fā)有關(guān)計(jì)算機(jī)控制軟件，如參考含碳量的計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，能夠自動(dòng)控制滲碳過程中的升溫、排氣、強(qiáng)滲、擴(kuò)散和降溫過程中的碳勢變化對(duì)工件的碳濃度及性能的影響。滲碳工件的變形仍是主流研究的問題，通過計(jì)算機(jī)不僅可以對(duì)滲碳層的深度和表面硬度進(jìn)行精確模擬，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)表面含碳量、組織中的碳化物形態(tài)及分布、殘留奧氏體量的多少和形態(tài)分布，以及表層的硬度梯度分布進(jìn)行精確控制，這樣可以得到最小的工件變形，大大提高產(chǎn)品質(zhì)量。

　　變速齒輪含碳量: 變速齒輪含碳量，即原材料的原始含碳量和齒輪滲碳以后表層的含碳量。

　　a)原材料的原始含碳量滲碳鋼的原始含碳量除了對(duì)滲碳件的原始組織和性能有較大的影響外，還對(duì)滲層的形成和組織、性能也有顯著影響，原始含碳量越高，滲碳時(shí)的表面層濃度梯度越小。根據(jù)菲克第一定律可知，濃度梯度值變小，碳在鋼中的擴(kuò)散深度減薄，同時(shí)，滲入的速度也會(huì)降低，在其他條件都相同的情況下，原始含碳量越高，滲層的碳濃度梯度越平緩;原始含碳量越低，滲層的碳濃度梯度也越大。由此可見，從提高滲碳層滲速出發(fā)，希望原始含碳量低些，滲速快些，但是原始含碳量太低，心部組織和性能往往達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，即使采取低碳馬氏體強(qiáng)化處理，也不能使心部組織有較大的改變;過高的含碳量又會(huì)出現(xiàn)韌性不足的問題，特別是抗拉強(qiáng)度低。國外的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒， 美國Wc=0.10%～0.30%，日本W(wǎng)c<0.20% ;國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)建議的經(jīng)驗(yàn)為Wc=0.15%～0.25%。

　　b)表層含碳量低碳鋼經(jīng)滲碳后，表層的含碳量可以達(dá)到過共析成分，由表向里碳濃度逐步降低，直至鋼的原始成分。滲碳鋼滲碳后在緩冷條件下，得到平衡狀態(tài)的組織，由表及里， 金相組織可分為四個(gè)層次。第一層為過共析層，Wc>0.80%，在500倍顯微鏡下觀察到在層片狀珠光體基體并夾有呈白色網(wǎng)狀的二次滲碳體(碳化物)分布在原奧氏體的晶界上。第二層為共析層，第三層為亞共析層，第四層為心部的基體組織。第一層至關(guān)重要，雖是過共析，但含碳量也不能過高， 宜為Wc=0.75%～0.95%。

　　變速齒輪硬度: 變速齒輪硬度是指滲碳淬火、回火后的硬度，涉及到用什么硬度計(jì)、載荷、硬度設(shè)置、檢測技術(shù)一系列問題， 按標(biāo)準(zhǔn)測定“有效硬化層深度”。GB/T25744—2010《鋼件滲碳淬火回火金相檢驗(yàn)》規(guī)定：經(jīng)淬火、回火后，從表面到硬度為550HV的垂直距離。需注意的是，這里維氏硬度計(jì)所用的載荷用9.807N，而不是工廠自行規(guī)定的其他標(biāo)準(zhǔn)。按照國際慣例，滲碳淬火、回火后的表面硬度應(yīng)為58～62HRC，但有不少客戶盲目追求62～66HRC的高硬度，也有要求52～58HRC的低硬度，這些要求是否合理，值得商榷。如果是要求高硬度，只要材料選對(duì)、工藝正確，還能行，如果是后者，要求就不太科學(xué)了，完全不符合變速齒輪使用和節(jié)能減排大方向。

　　齒輪回火溫度: 滲碳淬火后通常要進(jìn)行150℃～200℃的低溫回火， 在此區(qū)間回火，對(duì)于心部組織幾乎沒有影響，但表面層經(jīng)淬火、回火后，淬火馬氏體的過飽和碳以ε碳化物形態(tài)沿馬氏體孿晶面析出，使馬氏體在光學(xué)顯微鏡下明顯變暗， 同時(shí)由于馬氏體的膨脹壓應(yīng)力減小，又有一部分殘余奧氏體變成了回火馬氏體，使?jié)B層中的殘余奧氏體減少。馬氏體和殘余奧氏體的這些變化對(duì)鋼的力學(xué)性能都會(huì)產(chǎn)生一定影響。試驗(yàn)表明，回火溫度超過180℃，硬度開始下降、耐磨性降低，一般建議不要超過180℃回火，但現(xiàn)實(shí)中發(fā)現(xiàn)不少單位回火溫度大大超過180℃，最高者竟然有280℃。文獻(xiàn)記載，在100℃～200℃范圍內(nèi)，隨著回火溫度的提高，疲勞強(qiáng)度明顯下降，下降率為20%左右。滲碳淬火后的低溫回火，在某些方面不一定有明顯的效果，而在另一方面又是必不可少的工序。從有益于彎曲疲勞強(qiáng)度和提高表面硬度考慮，在熱油(100℃～ 120℃)淬火可以省去回火工序，然而，由于缺乏有力的技術(shù)數(shù)據(jù)支撐(需要進(jìn)行大量試驗(yàn))，還是需要老老實(shí)實(shí)地執(zhí)行傳統(tǒng)的回火工藝。實(shí)際表明，滲碳淬火后最佳的回火溫度為180℃，通常最適宜的保溫時(shí)間為1.5～2h。

　　總結(jié)近10年來摩托車滲碳齒輪鋼的發(fā)展，可以看到齒輪產(chǎn)品生產(chǎn)的國際化，新引進(jìn)的鋼種越來越廣泛，已經(jīng)納入國標(biāo)，但是在滲碳齒輪鋼特性及滲碳工藝還須繼續(xù)發(fā)展完善，概括起來主要有滲碳齒輪鋼的淬透性、齒輪心部硬度控制、表面含碳量的控制、齒輪表面硬度、滲碳工藝細(xì)節(jié)和回火溫度的設(shè)定等，本文對(duì)此進(jìn)行簡要分析，以對(duì)指導(dǎo)和幫助企業(yè)對(duì)摩托車變速齒輪熱處理質(zhì)量管控具有重要的指導(dǎo)意義。