关于拖拉机齿轮的表面硬化层深度与心部硬度要求问题
齿轮渗碳加工常见缺陷的原因分析及预防措施
齿轮渗碳加工常见缺陷的原因分析及预防措施1 齿轮表层过度渗碳渗碳齿轮由于处理不当过度渗碳后，表层将会出现块状、网状碳化物，使用时齿轮塑性变形能力降低，耐冲击性减弱，齿根部弯曲疲劳性能下降，齿尖角变脆，易于崩裂，淬火后渗碳齿轮在磨削加工时易于开裂。
1.1原因分析1)齿轮在固体介质中渗碳时，渗碳箱内碳势过高，又不能任意调整碳势，因此渗碳温度越高，时间越长，表层过共析程度就越大。
特别对含有强碳化合物形成元素Cr、Mo的渗碳钢，碳的扩散较慢，齿轮渗碳层表面碳浓度更高，达到过共析成分的渗碳层，在冷却时，从奥氏体晶界析出渗碳体形成网状分布。
2)在气体介质中渗碳时，若渗碳炉内碳势过高，强渗时间过长，也会出现齿轮表层渗碳过度。
1.2预防措施1)固体渗碳时，为了防止碳势过高造成过度渗碳，可以采用较低的渗碳温度或使用较弱的渗碳剂。
2)气体渗碳时，为了防止表层过度渗碳，在渗碳后期安排扩散阶段，强渗和扩散阶段的时间可按热处理工艺操作。
3)对已经产生表层过度渗碳的齿轮，应在低碳势渗碳炉中进行扩散处理，或在碳化物球化退火处理后再进行淬火。
2 齿轮硬化层偏浅渗碳齿轮表层硬度偏浅，在导致表面硬化层抗剥落性能降低的同时，也导致使用寿命的降低。
2.1原因分析1)渗碳过程中，渗碳时间太短，渗碳温度偏低，渗碳层偏浅，炉内有效加热区温度分布不均匀，渗碳过程中强渗阶段及扩散阶段的碳势控制不当，装炉前齿轮未清除油污及装炉量过多，所留孔隙太小等因素而造成渗碳齿轮硬化层偏浅。
2)选择的齿轮钢材质及淬透性差，淬火介质冷却性能不足，而造成正常渗碳淬火后硬化层偏浅。
2.2预防措施1)选用淬透性合适的钢材作渗碳齿轮材料，严格控制齿轮钢质量，入厂前必须对钢材进行质量标准检查。
2)严格控制渗碳前齿轮表面质量、装炉量、炉内温度、炉内碳势气氛、强渗和扩散时间、渗碳后淬火温度、冷却介质等。
3)对出现渗碳不足的齿轮要进行补渗碳。
3 渗碳层深度不均匀齿轮表面渗碳层深度不均匀，造成不同部位性能不连续，薄弱区域首先破坏，继而整个齿轮损坏，严重影响齿轮使用寿命。
关于渗氮齿轮硬化层深度的检测问题
一、差别验证从目前齿轮加工水平（包括刀具）来看，基体硬度一般不会超过380HV，因此按照这两项标准，则应以400HV为渗氮层的界限硬度值。
那么，分别以400HV和“基体硬度+50HV”为界限硬度值，所测得的渗氮层深度结果会有多大差别呢？图1是随机抽检的渗氮齿轮的检测结果，统计数据见表1。
该齿轮热处理技术要求为：调质处理，心部硬度23~29HRC（241~277HBW）；有效渗氮层深度：0.32~0.54mm。
图1 某齿轮在两种界限硬度值下的渗氮层深度表1 渗氮层深度检测统计数据由图1可见，同一件齿轮，分别以“基体硬度+50HV”（324HV）和400HV 为界限硬度值时，渗氮层深度分别为205.28μm（圆整为0.21mm）和445.13μm（圆整为0.45mm），两者相差一倍以上。
再设定一种情况，就是当心部硬度分别为379HV和381HV时，按照ISO 6336—2016（GB/T 3480—2008）标准，则界限硬度分别为429HV和400HV，由此得到的渗氮层深度差异也很可观。
只不过呈现出与图1相反的走势，即以“基体硬度+50HV”为界限硬度值所测得的渗氮层较深，以400HV为界限硬度值的渗氮层较浅。
如果把这种差异以图线表示出来，则为图2中的剪刀差形式。
当基体硬度超过380HV时，两条线相重合。
图2 不同界限硬度值对渗氮层深度检测结果的影响由此可以看出，只有当基体硬度为350HV时，两种评判方法才能达到一致的结果；而偏离350HV越远，两种结果的偏差就会越大。
二、结论和建议1）分别以“基体硬度+50HV”和400HV为界限硬度值，所测得的渗氮层深度会有较大差异。
2）一般情况下，以400HV为界限硬度值所测得的渗氮层深度会小于以“基体硬度+50HV”为界限硬度值的结果。
3）建议GB/T 11354—2005和GB/T 18177—2008等标准再次修订时，也采纳ISO 6336—2016（或GB/T 3480—2008）的规定，对于渗氮齿轮产品，当心部硬度低于380HV时，均以400HV为界限硬度值，避免出现标准之间互相冲突、检测人员无所适从的情况。
齿轮硬度要求
齿轮硬度要求 IMB standardization office【IMB 5AB- IMBK 08- IMB 2C】二、典型零部件选材及工艺分析金属材料、高分子材料、陶瓷材料及复合材料是目前的主要工程材料。
高分子材料的强度、刚度较低、易老化，一般不能用于制作承受载荷较大的机械零件。
但其减振性好，耐磨性较好，适于制作受力小、减振、耐磨、密封零件，如轻载齿轮、轮胎等。
陶瓷材料硬而脆，一般也不能用于制作重要的受力零部件。
但其具有高熔点、高硬度、耐蚀性好、红硬性高等特点，可用于制作高温下工作的零部件、耐磨耐蚀零部件及切削刀具等。
复合材料克服了高分子材料和陶瓷材料的不足，具有高比强度、高减振性、高抗疲劳能力、高耐磨性等优异性能，是一种很有发展前途的工程材料。
与以上三类工程材料相比，金属材料具有优良的使用性能和工艺性能，储藏量大，生产成本比较低、广泛用于制作各种重要的机械零件和工程构件，是机械工业中最主要、应用最广泛的一类工程结构材料。
下面介绍几种钢制零部件的选材及热处理工艺分析。
㈠齿轮类零件的选材齿轮是机械工业中应用广泛的重要零件之一，主要用于传递动力、调节速度或方向。
1、齿轮的工作条件、主要失效形式及对性能的要求。
⑴齿轮的工作条件：①啮合齿表面承受较大的既有滚动又有滑动的强烈磨擦和接触疲劳压应力。
②传递动力时，轮齿类似于悬臂梁，轮齿根部承受较大的弯曲疲劳应力。
③换挡、启动、制动或啮合不均匀时，承受冲击载荷。
⑵齿轮的主要失效形式：①断齿：除因过载（主要是冲击载荷过大）产生断齿外，大多数情况下的断齿，是由于传递动力时，在齿根部产生的弯曲疲劳应力造成的。
②齿面磨损：由于齿面接触区的磨擦，使齿厚变小、齿隙加大。
③接触疲劳；在交变接触应力作用下，齿面产生微裂纹，遂渐剥落，形成麻点。
⑶对齿轮材料的性能要求：①高的弯曲疲劳强度；②高的耐磨性和接触疲劳强度；③轮齿心部要有足够的强度和韧性。
2、典型齿轮的选材⑴机床齿轮机床齿轮的选材是依其工作条件（园周速度、载荷性质与大小、精度要求等）而定的。
齿轮材料热处理规范及其质量要求
齿轮材料热处理规范及其质量要求正确选择齿轮固然很重要，但如果没有选择好适宜的热处理，那将是前功尽弃，可以说材料选择是前提，热处理方法得当是关键。
一、齿轮热处理方式与其性能特性1、调质处理：调质处理使材料获得优良的综合性能，这种热处理常常用于中碳钢和中碳合金钢，如45#、40Cr或40MnB材料，如果齿轮受到的冲击应力和齿面接触应力不是很大的情况下，这种热处理是适宜的，这种材料强韧性使得齿轮齿根抗弯曲能力强，抗疲劳能力也是优良的。
但是调质处理齿轮齿面硬度不够，耐磨性偏差。
2、调质处理+表面淬火：这种热处理方式补充单一调质处理的不足，使齿轮齿面硬度得到提高，耐磨性也随之增强，但是另一个问题仍未解决，就是中碳钢和中碳合金钢材料经过处理后，其冲击韧性尚不能令人满意，在高冲击应力的场合下仍不宜使用。
表面淬火有两种工艺：火焰淬火和高频淬火。
3、正火+渗碳淬火回火这种热处理是针对低碳合金渗碳钢（如20CrMnTi、20CrNiMo等）而使用的，正火是用以改善原材料组织，便于齿轮粗加工；渗碳使齿面含碳量提高，在其后淬火回火中获得高硬度的回火马氏体组织，以提高齿轮的耐磨性。
同时齿轮心部在淬火回火中获得低碳回火马氏体，强度高、韧性好，不仅可以承受高的载荷、大的冲击应力，而且抗疲劳性能也十分优异。
这种热处理也不是没有缺点，首先齿轮在渗碳淬火回火还要精加工，硬度过高会给精加工带来了困难；其次，渗碳淬火回火为了得到回火马氏体，回火温度低（200-300℃），热处理应力未能完全消除，在以后的使用中会逐渐释放造成齿轮微小变形，所以不能用于精密传动的齿轮。
这里的渗碳淬火回火，也包含碳氮共渗淬火回火。
4、调质+渗氮这种热处理适合于渗氮钢和含铬渗碳钢，如28CrMoAl 、20Cr2Ni4、38CrMoAl、42CrMo。
氮化后不需要淬火，齿轮尺寸稳定，不需要精加工，克服了渗碳淬火回火残留应力导致日后变形的缺点，所以特别适合精密传动的齿轮，有些容易发生粘着磨损（胶合磨损）材料也适合氮化，氮化后材料抗胶合性能变得非常优异。
渗碳淬火齿轮件的硬化层深设计与控制
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表1
国家
美国ANSI/ ACMA2004
美国ANSI/ ACMA2001
英国 BS公司
德国DIN3990
模数/mm 层深/mm
1.45～1.85 0.25～0.50
设计标准
1.85～2.45
2.45～3.00
0.38～0.64
另据资料提供的经验公式也可作为齿轮硬化层深
设max·u )/〔HV·cosβb·(u
±1)2〕
（1）
式中，t 为渗碳层的最小深度，mm；a 为相啮合齿
轮 副 的 公 称 中 心 距 ， m m ；α t 为 齿 轮 端 面 啮 合 角 ， （°）；δ max为最大接触应力，MPa；u 为相啮合 齿轮副齿数比（z 2/z 1）；HV为齿面渗碳层的维氏硬 度；βb为基圆螺旋角，（°）；小括号中的“+”用 于外啮合，“-”用于内啮合。
2.3 热处理工艺过程对硬化层深的控制
针对热处理渗碳环节，其对硬化层深的控制要综
浅谈齿轮渗碳淬火有效硬化层及硬度梯度
浅谈齿轮渗碳淬火有效硬化层及硬度梯度随着机械工业的发展，对齿轮的质量要求日益提高，而齿轮的强度寿命和制造精度与热处理质量有很大关系。
为了检验齿轮材料热处理质量，在1987年以前，我国的齿轮渗碳淬火内在质量检验标准多为终态金相检验标准。
由于检测仪器的精度、分辨率等因素以及检验人员的经验参差不齐，造成检验结果有很大差异和争议。
为了解决金相法内在检验存在的弊端，机械部在1987年借鉴了DIN.ISO等标准中有关内容，修订了我国现行齿轮渗碳淬火内在质量检验标准。
此检验标准中，其金相组织检验标准基本与原标准相似，主要是对渗碳层深度及碳浓度梯度的测定作了较大的修改。
下面就渗碳层深度和碳浓度梯度分别采用金相法与硬度法测定进行简述。
一、渗碳层深度的检测1.1、金相法1.1.1、取本体或与零件材料成分相同，预先热处理状态基本相似的圆试样或齿形试样进行检测。
1.1.2、送检试样热处理状态为平衡状态，即退火状态。
1.1.3、低碳钢渗层深度为：过共析层+共析层+1/2亚共析层。
1.1.4、低碳合金钢渗层深度为：过共析层+共析层+亚共析层。
1.2、硬度法1.2.1、取样方法同金相法取样方法一致。
1.2.2、送检试样状态为淬火+回火状态。
1.2.3、渗碳深度用有效硬化层来表示，其极限硬度根据不同要求进行选择。
1.2.4、有效硬化层深度（DCp）：从试样表面测至极限硬度（如HV550）之间垂直距离。
1.3、两种关于渗碳深度检测的方法存在着一定的对应关系，下面用图形来描述。
从图中可看出：DCp（芯部）>DCp(HV500)>DCp(HV550)DCp(HV550)对应渗碳层中碳含量约为0.35~0.38%,此界限处即为金相法中1/2亚共析层处。
DCp(HV500)对应渗碳层中碳含量约为0.31~0.33%，此界限处为金相法中1/2亚共析层处。
DCp（芯部）对应渗碳层中碳含量为基体碳含量，一般为0.17~0.23%，此界限处为金相法中基体组织。
《化工反应原理与设备》课后习题杨西萍
《化工反应原理与设备》课后习题答案模块一基础知识硬度就是单位面积上所受的力。
就维氏硬度来说，“单位面积”就是指的压痕大小，“力”就是载荷也就是砝码的重量，HV1、HV10、HV30分别是1KG、10KG和30KG。
载荷的选择跟工件的材料、大小、厚薄、硬化层深度有关。
同时，硬度的实质是材料抵抗塑性变形的能力。
材料的这种性能是跟显微组织有关的，是材料各组成相机械性能的综合体现。
如果单位面积压痕内材料的组织愈均匀，则打出来的硬度愈能体现材料本身的真实性能。
所以，一般来说，硬度测试都尽可能选择大的载荷，以期能获得最大的压痕，以代表最多的组织的综合性能。
HV1的压痕较小，硬度测试时对组织的敏感性较强。
打表面硬度时压痕内残奥占多数与马氏体占多数得到的硬度差别会很大，同样道理打心部硬度时，也要考虑到铁素体及贝氏体的影响。
我的经验，用HV1测试齿轮的表面硬度及心部硬度时，能否跟HV30或HRC、HRA直接换算，一般来说，如果表面残奥一级，心部100%板条马氏体的话，则表面硬度和心部硬度用HV1、HV10、HV30以及HRC、HRA测试结果一致。
回到楼主的问题，齿轮的表面硬度以及心部硬度测试，如果表面有效硬化层深度在0.4mm以上，可以用洛氏硬度测试，HRC或HRA均可，然后依据《GB/T 1172-1999 黑色金属硬度和强度换算值》换算为HV30；心部硬度可以直接测试HRC，换算为心部强度（测试心部硬度的最终目的也就是为了获得心部强度）再换算为HV10（如果有必要的话）。
1 维氏硬度试验从理论上如果材料均匀的话与载荷无关，也就是说测出的硬度是一样的。
2 但实际生产中不是这样，偏差很大，可以理解为：材料不均匀造成硬度不均匀；载荷越小，压痕越小，测量人为误差越大。
因此，尽可能采用大载荷减小测量误差。
3 注意载荷的选择要考虑硬度值范围，如果材料本身硬度低载荷选择过大，会造成压痕过大反而不好测量填空题 1. 连续、半连续、间歇； 2. 微元时间，微元体积，浓度，温度； 3. 0，0.15mol /(m 3·s)；4.-1，-2/3，0.4N A05. C AG >C AS >C AC >C Ae ，C AG ≈C AS 》C AC ≈C Ae ，C AG 》C AS ≈C AC ≈C Ae ；6. 无穷大，0；7. 越大，相等；8.表面反应速率，内扩散速率；9.均相，非均相，动力学特性；10. 极慢速反应； 判断题思考题 1.三种操作方式： 间歇操作、连续操作、半连续操作。
表面热处理零件有效硬化层、渗层等的有关说明
表面热处理零件有效硬化层、渗层等的有关说明一、常用热处理零件硬化层深度、渗层深度有关术语、定义、代号和适用范围及检测方法附注：①特殊情况下，经有关方协议，也可采用 4.903N～49.03N（0.5kgf～5kgf）内的某一试验力和其他值的极限硬度值，在特殊情况下要注明，如Dc49.03/515=0.6表示采用试验力49.03N（5kgf），极限硬度值为515HV时的有效硬化层深度等于0.6mm；②特殊情况下，经有关方协议，也可采用4.903N～49.03N（0.5kgf～5kgf）内的某一试验力和其他值的极限硬度值，在特殊情况下要注明，如Ds4.903/0.9=0.6表示采用试验力4.903N（0.5kgf），极限硬度值等于零件表面所要求的最低硬度的0.9倍时的有效硬化层深度等于0.6mm；③测量方法有显微组织测量法和显微硬度测量法，选择的测量方法和它的精度取决于硬化层的性质和估计的深度。
由于测量方法也影响到测量结果，因此选择哪种方法测量及何种试样形式，必须在图纸和工艺上预先规定；④当工艺/图纸没有规定测量方法时，优先采用显微硬度法。
用显微硬度测量法检测时，一般试验力用1.96N（0.2kgf）的界线显微硬度为基体硬度加30HV，除非工艺/图纸另有规定；⑤试验力为0.9807N（0.1kgf）（HV0.1），极限硬度值HG一般规定为基体硬度加30HV。
特殊情况下，经有关方协议，也可采用其他试验力的显微硬度和极限硬度值；⑥试验力为0.9807（0.1kgf）（HV0.1），特殊情况下，经有关方协议，也可采用其他试验力的显微硬度和极限硬度值；⑦测量方法有硬度法和金相法两种，采用哪种测量方法应预先规定。
硬度法规定采用试验力为2.94N（0.3kgf）的维氏硬度，从试样表面测至比基体硬度高50HV处的垂直距离为渗氮层深度，对于渗氮层硬度变化很平缓的钢件（如碳钢、低碳低合金钢制件）可从试样表面沿垂直方向测至比基体维氏硬度值高30HV处。