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BH催渗技术对减少工件畸变的意义

（发表于西安会2005-5齿轮热处理论文集）

ReducingDistortionofComponentsintheCarburizing

andQuenchingbyBHCarburizingTechnology

何鹏刘新继安峻歧林建生

关键词：

快速渗碳；中温渗碳；热处理畸变；催渗剂

摘　要

简要介绍BH催渗技术在生产中的应用概况，着重叙述了BH催渗技术对减少工件渗碳淬火畸变的影响及原理，并进一步讨论了一些减少畸变的原因和进一步减少畸变的途径。

1前言

BH催渗技术是通过在渗碳或碳氮共渗介质（如甲醇、丙酮、煤油、RX气体或天然气）中添加少量催渗剂，从而达到提高渗速20%以上；或降低工艺温度40℃以上，保持原工艺渗速不降低的技术。

BH技术可以减小工件热处理畸变；改善渗层显微组织及碳浓度（硬度）分布；工艺稳定，工件渗碳均匀性好；提高工件力学性能和可靠性。

同时，还具有简单易行；适用性强，在连续炉、多用箱式炉、井式炉等等都得到成功应用，适合于浅层（0.3－0.7mm）、中层（0.8－1.5mm）和厚层（2.0－6.0mm）的硬化层；及碳黑少，延长停炉烧碳黑周期等等优点。

[1-15]

包括一汽底盘、二汽，洛阳、瓦房店轴承，法士特齿轮等百余家企业，采用BH技术后都明显地提高了产品质量，取得了显著的经济效益。

催渗技术现已被列为我国热处理行业“十五”期间重点推广的热处理新技术和质量控制技术。

近年来也已引起了国外同行专家的广泛关注，如：

国际热处理及表面工程联合会（IFHTSE）前主席Totten评价：

“BHCarburigingAcceleratingTechnologyisScientificbreakthroughinthehistoryofheat-treatingdevelopment”。

好富顿国际公司在自愿放弃在催渗领域的独立发展权、使用共同商标的基础上，已经初步取得了中国以外多数工业化国家的BH代理权。

相信随着工作的进一步展开，BH必将对中国热处理技术水平，在国际上的影响发挥积极作用。

本文将着重介绍BH技术对降温，减少工件畸变的影响，讨论减少畸变的原因和进一步减少和控制畸变的途径。

减少和控制工件热处理畸变，可显著节约后处理和机加工费用，减少噪音和振动，提高运行精度和设备使用寿命。

文中许多论述，评价和数据引自相关企业应用本技术后的应用报告和总结，反映了生产实际。

在此，仅向他们表示崇高的敬意。

2BH催渗技术减少工件畸变

在热处理过程中，工件出现形状和尺寸上的某种改变称为热处理畸变。

通常热处理畸变是不可避免的。

采取合适措施可控制和减少畸变，从而显著节约后处理和机加工的费用。

例如，在细长轴类，在热处理后为了保持其直线度，需要矫直工序，增加20－25%成本［20］。

齿轮畸变直接影响其精度，强度、运转时噪音、振动和使用寿命等。

目前，一致认为减少和控制齿轮热处理畸变是贯彻齿轮精度标准（尤其齿形和齿向精度）的关键所在。

减少工件热处理畸变是热处理工作者最关注，并时常碰到的技术难题，大家在这方面都进行了大量的研究。

BH催渗技术又为我们提供了一种减少渗碳淬火工件畸变的新途径。

下面以生产实例说明之。

2.1　在中间常啮合齿轮上的应用效果［9］。

该齿轮是东风变速箱有限公司生产的148中心距变速箱中的零件。

以下数据出自2002年全国热处理行业厂长经理会议暨第三次质量工作会议资料汇编《BH-2催渗剂在推杆式连续无罐渗碳炉上的应用》，是该厂段宗瑞，郭修锋，李林，李会军对应用BH催渗技术处理8647吨产品的检测和分析的结论。

2.1.1　实验条件

实验产品：

中间常啮合齿轮（见图1）。

材料为20CrMnTi钢。

图1中间轴常啮合齿轮

技术要求：

有效硬化层深0.7-1.1mm；表面硬度58－63HRC；心部硬度35－45HRC；

金相组织符合EQY－125－2001标准。

工艺流程：

下料－锻造－正火－粗车－精车－滚剃齿－渗碳淬火－清洗—

回火－喷丸－磨内孔－磨端面

渗碳设备：

推杆式连续无罐渗碳炉。

渗碳工艺流程：

预氧化－渗碳－淬火－清洗、回火。

渗碳工艺参数：

表1和2分别是原来渗碳工艺和降温BH催渗工艺的参数。

（1）应用BH－2之前的工艺参数（见表1）

表1应用BH－2之前的工艺参数

预氧化

预热区

透烧区

渗碳区

扩散区

预冷区

清洗

回火

温度℃

480

880

920

940

920

850

180

RX气m3/h

碳势%

1.05

1.20

1.10

1.00

时间分钟

125

100

150

100

150

（2）应用BH－2之后的工艺参数（见表2）

表2应用BH—2之后的工艺参数

氧化

预热

透烧

渗碳

扩散

预冷

清洗

回火

温度℃

480

890

900

890

820

180

RX气m3/h

碳势%

1.25

1.0

0.90

时间分钟

温度℃

125

100

150

100

150

齿轮采用芯棒挂装方式进行热处理，每料盘三串，每串五件，合计每盘十五件。

2.1.2　实验结果和分析

渗碳结果比较：

表3比较了经表1和2工艺处理后渗碳淬火效果。

表3应用BH催渗前、后的渗碳淬火效果

Hardencase（mm）

Carbideclass

M+A

表面硬度

心部硬度

应用前

0.95－1.10

60～62

35～40

应用后

1.00－1.05

60～62

34～38

热处理畸变比较：

见表4和图2：

表4.应用BH催渗前、后齿轮热处理畸变比较

序号

内孔变形㎜

齿形变化㎜

齿向变化㎜

中心距变化㎜

应用前

应用后

应用前

应用后

应用前

应用后

应用前

应用后

1＃

0.15

0.10

0.009

0.005

0.007

0.005

0.030

0.020

2＃

0.14

0.11

0.008

0.005

0.008

0.005

0.029

0.021

3＃

0.16

0.09

0.009

0.007

0.008

0.004

0.031

0.024

4＃

0.15

0.08

0.007

0.005

0.007

0.006

0.026

0.021

5＃

0.12

0.05

0.010

0.006

0.007

0.005

0.028

0.019

6＃

0.15

0.07

0.009

0.004

0.008

0.005

0.029

0.025

7＃

0.18

0.11

0.007

0.005

0.007

0.004

0.025

0.023

8＃

0.13

0.08

0.011

0.006

0.007

0.006

0.026

0.025

9＃

0.15

0.11

0.008

0.005

0.006

0.023

0.020

10＃

0.12

0.07

0.009

0.006

0.008

0.006

0.024

0.017

11＃

0.14

0.10

0.009

0.006

0.007

0.005

0.022

0.020

12＃

0.16

0.09

0.012

0.007

0.008

0.005

0.025

0.024

13＃

0.11

0.07

0.013

0.007

0.006

0.005

0.020

14＃

0.16

0.11

0.009

0.007

0.004

0.024

0.018

15＃

0.14

0.08

0.010

0.006

0.008

0.004

0.028

0.021

标准

热前尺寸Φ61.775热后尺寸Φ62允许变形量0.225㎜

热后精度允许降低一级即0.008㎜，齿形精度8FG，GB10095-88

热后精度允许降低一级即0.007㎜，齿形精度8FG，GB10095-88

中心距148±0.0315

图2应用BH催渗前、后齿轮内孔、齿形、齿向和中心距变化的比较

由表1和2可知，采用降温BH催渗后，虽然温度降低了40℃，但经相同时间处理后两者的渗层深度相当，即保持原来（940℃）的渗速和生产效率，同时渗层波动范围减小了，即渗层均匀性得到改善；渗层中碳化物呈细小均匀分布，马氏体、残余奥氏体级别减小一级；渗层内碳浓度梯度分布平缓，可明显改善齿轮品质。

由表4和图1可见，应用降温BH催渗前、后，齿轮内孔变形量虽然都低于允许值（0.225mm），但是，应用前变形量及其波动范围较大（0.11－0.18mm）；而应用前后比较小（0.07－0.11mm），一致性有所改善。

齿形变化值两者相差更大，应用前被测试的齿轮中有2/3超过精度降低一级的允许值（0.008mm）；而应用后都低于允许值。

应用前有1/3齿轮的齿向变化值超过精度降低一级的允许值（0.007mm）；而应用后全部低于允许值。

应用前、后中心距都低于允许值，但应用后变化较小，波动范围较小。

应用降温BH催渗后还能有效地节约RX气体和电能；由于降低炉温，使炉内工件，随炉工装夹具及砌砖体的使用寿命都有大幅度提高。

综上所述，应用本技术后不仅能保证齿轮渗碳淬火后达到技术要求，而且能实现渗层内无碳化物的特殊要求；能有效地减少齿轮热处理畸变，尤其在减少齿形变形上效果更为明显，生产者认为可使齿轮精度等级提高0.5级。

2.2从动螺旋锥齿轮的应用效果［2］［10］

2.2.1从动螺旋锥齿轮降温BH催渗

以下数据出自《金属热处理》1998.第六期《BH-2催渗剂在汽车后桥齿轮渗碳中的应用》湖北车桥集团钟贤荣等。

2.2.1.1实验条件

实验产品：

HT1090、HT6471、HT1020和HT130等，其中HT1090从动螺旋锥齿轮简图如图3所示。

材料为20CrMnTi钢。

图3HT1090从动螺旋锥齿轮简图

产品技术要求：

显微组织：

按ZBT04001－88《汽车渗碳齿轮金相检验》标准进行评定，其中M.A1－5级和K1－6级为合格。

硬化层深度：

1.0－1.3mm

硬度：

表面硬度为58－63HRC；心部硬度为33－45HRC。

变形要求：

内孔变形≤0.08mm；内端面变形≤0.15mm；外端面≤0.08mm。

渗碳设备：

VKES4/2-70/85/130、爱协林多用箱式炉。

渗碳工艺：

原工艺和降温BH催渗工艺分别见图4和5。

920±10℃820±10℃

均温

强渗

扩散

碳势

1．10

0．85

丙酮

自动调节

甲醇

1．6L/h

氮气

2.8立方米/小时

时间

8小时/炉

图4从动螺旋锥齿轮原渗碳工艺

880±10℃820±10℃

均温

强渗

扩散

碳势

1．15

0．8

BH丙酮

自动调节

BH甲醇

1．2/L

氮气

2．8立方米/小时

时间

7小时/炉

图5从动螺旋锥齿轮降温BH催渗工艺

2.2.1.2实验结果和分析

应用降温BH催渗前、后工艺参数的比较见表5。

可见BH催渗温度比原工艺低40℃，而渗碳周期却减少一小时，渗速快了12.5%。

表5原工艺和降温BH催渗工艺参数的比较

用前、后

均温

强渗

扩散

淬火

温度

用前

920

830

用后

880

820

碳势%

用前

1.10

0.85

用BH

1.15

0.8

时间

用前

每炉周期为8小时

用BH

每炉周期为7小时

表6原工艺和降温BH催渗后质量检验结果*

原工艺

BH工艺

硬化层深度mm

1.15

1.2

1.05

1.1

1.15

1.1

1.2

1.15

1.16

碳化物级别

4.5

3.5

1.5

2.5

马氏体、残奥

4.5

2.5

表面硬度HRC

58.5

59.5

61.5

心部硬度HRC

35.5

36.5

﹡表中第5行为平均值

渗碳后质量检测结果见表6。

可见BH催渗后硬化层深度变化范围窄，均在1.15±0.05mm；而原工艺为1.15±0.10mm；碳化物细小均匀，平均为2级，原工艺平均超过3级；马氏体、残余奥氏体比原工艺降低1级多；BH催渗后表面硬度均在59－63HRC范围内，原工艺硬度偏低问题得到彻底纠正；心部硬度在36－40HRC，变化不大。

表7表示了原工艺和降温BH催渗后对从动螺旋锥齿轮内孔、内、外端面测量值。

可见原工艺处理后内孔有2件（共4件，占50%）超差，外端面不平度全部超过允许值（≤0.008mm），内端面都没有超差；降温BH催渗后，其内孔，内、外端面变化值全部低于允许值。

由于畸变程度大为减少，所以主、从螺旋锥齿轮的接触区较好，一次配对合格率达90%以上。

齿轮噪音下降至75－78分贝。

采用降温BH催渗后，多次由国家汽车质量监督检验中心对驱动桥总成齿轮进行齿轮疲劳台架试验，均得到较理想的结论。

表7原工艺和降温BH催渗淬火后从动螺旋锥齿轮内孔、内、外端面测量值*

检测项目

原工艺

BH工艺

硬化层深度mm

1.2

1.1

1.3

1.25

1.2

1.15

1.1

1.15

碳化物级别

5.5

4.5

1.5

2.5

马氏体、残奥

4.5

3.5

2.5

3.5

表面硬度HRC

62.5

心部硬度HRC

38.5

变形

内孔

0.06

0.07

0.09

0.10

0.08

0.06

0.05

0.06

内端面

0.12

0.15

0.12

0.13

0.10

0.11

0.09

0.08

0.09

外端面

0.09

0.10

0.11

0.09

0.10

0.08

0.07

0.08

0.06

0.07

﹡第5行为平均值

2.2.2从动螺旋锥齿轮快速BH催渗［10］

以下数据出自南阳威克达齿轮股份有限公司李国勇朱永强《催渗技术在连续炉上的应用》2002.3。

2.2.2.1实验条件

实验产品：

EQ145、2402和6B5后桥从动螺旋锥齿轮。

其中6B5－026齿轮简图见图6。

图66B5－26从动螺旋锥齿轮简图

钢材：

20CrMoH钢。

产品技术要求：

显微组织：

按《ZBT04001－88》标准评定。

渗层深度：

1.5－1.9mm。

硬度：

表面硬度58－64HRC；心部（齿根处）硬度30－40HRC。

变形要求：

见图1标注。

渗碳设备：

LSX15型连续式渗碳淬火自动线。

渗碳工艺：

原渗碳工艺和快速BH催渗工艺分别列在表8和9中。

2.2.2.2实验结果和分析

表10表示了两种渗碳工艺处理后渗碳层深度、表面和心部的硬度及渗层显微组织的级别。

可见两者渗层深度相同，但是采用快速BH催渗后推料周期从原工艺的50-52min减至37-38min，工艺周期缩短4.4小时，提高渗速达25%以上；碳化物和马氏体，残余奥氏体级别都降低一级，渗层显微组织得到改善。

表8从螺旋锥齿轮原渗碳工艺﹡

区域

预处理

一区

二区

三区

四区

五区

温度（℃）

480

860

900

930

910

820

碳势（%C）

1.05

1.30

1.05

0.95

甲醇（ml/min）

丙酮（ml/min）

0-10

空气流量m3/h

0/0.35

0/0.30

0/0.25

推料周期

50-52min

﹡装载方法：

齿面朝上平放。

每盘两摞，每摞6件，每盘12件。

下同。

表9从动螺旋锥齿轮快速BH催渗工艺

区段

预处理

一区

二区

三区

四区

五区

温度（℃）

480

860

900

930

910

820

碳势（%C）

——

1.20

1.30

1.00

0.85

甲醇ml/min

——

丙酮ml/min

——

空气m3/h

——

0/0.6

0/0.25

推料周期

37-38min

表10两种渗碳工艺处理后渗层的深度、显微组织和硬度检验结果

比较项目

渗碳层

深度mm

表面硬度HRC

心部硬

度HRC

K级别

M、AR级别

原工艺

1.75-1.85

61-62

33-35

≤4

4-5

催渗工艺

1.75-1.85

61-62

33-35

≤3

表11列出该齿轮在热处理前和快速BH催渗后大端面平面度变化情况。

可见内端面平面度变化大于外端面，数月检测表明，采用快速BH催渗淬火后从动螺旋锥齿轮的一次合格率达91%，比原工艺处理的合格率提高10%。

以上表明，采用快速BH催渗技术可提高渗速25%；改善齿轮渗层显微组织；减少从动螺旋锥齿轮的渗碳淬火所引起的畸变，提高齿轮精度。

2.3TS半轴齿轮应用效果[4]

数据出自江苏飞船齿轮股份有限公司，陆小兵、李厚宏等《BH催渗剂在LSX-15连续渗碳线上的应用》2001.3

2.3.1实验条件表11BH催渗淬火齿轮大端面平面度变化

序号

端面外圈（mm）

端面内圈（mm）

热前

热后

热前

热后

0.02

0.07

0.02

0.10

0.03

0.08

0.03

0.12

0.03

0.08

0.03

0.11

0.02

0.06

0.03

0.10

0.03

0.07

0.03

0.13

0.03

0.08

0.03

0.13

0.03

0.07

0.03

0.12

0.02

0.08

0.02

0.13

0.03

0.07

0.03

0.12

0.02

0.08

0.02

0.09

0.03

0.08

0.03

0.11

0.03

0.08

0.03

0.12

实验产品：

TS半轴齿轮，材料20CrMnTi钢

技术要求：

见表12

实验炉子：

LSX-15型连续式自动渗碳淬火线。

渗碳工艺：

原工艺及快速和降温BH催渗工艺分别见表13、14和15

表面硬度HRC

心部硬度HRC

渗层深度mm

金相

花键孔变形量mm

58-64

33-48

1.0-1.4

汽车标准

≤0.05

表12TS半轴齿轮技术要求

表13TS半轴齿轮原渗碳工艺*

区段

一区

二区

三区

四区

五区

温度℃

860

900

930

900

830

碳势C%

1.0

1.2

0.95

0.85

甲醇量L/h

0.5

0.25

1.0

1.2

丙酮量L/h

0.8

1.2-1.5

0.5

空气

自动调节

*装炉量180只、节拍36min、渗碳周期13.2小时

表14TS半轴齿轮快速BH催渗工艺*

区段

一区

二区

三区

四区

五区

温度℃

860

900

930

900

830

碳势C%

1.0

1.2

0.95

0.85

甲醇量L/h

0.5

0.25

1.0

1.2

丙酮量L/h

1.0

1.5-2.0

空气

自动调节

*装炉量180只、节拍28分钟、渗碳周期10.26小时。

表15TS半轴齿轮降温BH催渗工艺*

区段

一区

二区

三区

四区

五区

温度℃

860

890

900

890

810

碳势C%

1.0

1.2

0.95

0.85

甲醇L/h

0.5

0.25

0.6

1.0

丙酮L/h

0.8

1.2-2.0

*装炉量180只、节拍32分钟、渗碳周期11.7小时。

2.3.2实验结果和分析

经表13、14和15的渗碳淬火后齿轮九点抽检结果分别见表16、17和18。

碳浓度剥层分析结果见图7。

由表13和14可知，采用快速BH催渗后推料周期由36min减至28min，渗碳周期由13.2h缩短至10.26h，而渗层深度基本相同，即提高渗速达22%；渗层均匀、显微组织和花键孔变形都有改善。

表16原工艺处理后质量检查统计的结果

金相组织（范围≤）

渗层mm

表面硬度HRC

花键变形范围mm

A′

5级

1级

1.05-1.2

58-64

0.03-0.12

表17快速BH催渗后质量检查统计的结果

金相组织（范围≤）

渗层mm

表面硬度HRC

花键变形范围mm

A′

4级

3级

1级

1.05-1.15

59-63

0.05-0.11

表18降温BH催渗后质量检查统计的结果

金相组织（范围≤）

渗层mm

表面硬度HRC

花键变形范围mm

A′

4级

3级

1级

1.05-1.15

59-63

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