提高渗碳齿轮服役寿命的几点建议

2018/09/0748 作者：佚名

导读：前言：本文以德国风电渗碳齿轮钢标准为例,重点列举:小齿轮用钢和重载齿轮用钢。我们的工业化进程:落后、引进、消化、创新、处于世界领先地位、发明、应用很多数据由我们中国人来改写，必将载入史册。现将有关成功的体会与大家交流，共勉之。我的人

前言：本文以德国风电渗碳齿轮钢标准为例,重点列举:小齿轮用钢和重载齿轮用钢。

我们的工业化进程:落后、引进、消化、创新、处于世界领先地位、发明、应用很多数据由我们中国人来改写，必将载入史册。现将有关成功的体会与大家交流，共勉之。

我的人生格言：国家兴亡,匹夫有责。创新是祖国兴旺发达的不竭动力。

摘自人民日报出版社2004年10月出版的《人生格言经典》一书(被评为优秀作品)

德国制造的风电齿轮箱保证服役寿命20年无故障，能否再提高服役寿命……希望通过我们的建议和思路使中国的风电行业，性能和服役寿命处于世界领先地位。

本文列举两种钢：

1、小齿轮用钢

1.1 16MnB,B含量0.0008~0.005%，国内最早列入中碳以下普通钢中加入0.002~0.006%；枪炮军用钢中因苏联的中碳钢中含有少量的Ni和Cr,我们就加入50A乙（Ni 0.20~0.30，Cr 0.2.~0.30）；50A甲（Ni 0.15~0.40，Cr 0.15.~0.35），因国内Ni、Cr资源短缺用B来代替。60年代初经过研制B含量为0.001~0.005%，标准GB/T5216-2004中碳钢B为0.0005~0.0035%；低合金硼钢如15CrMnB，B为0.0005~0.003%，请注意此类硼钢特别硼化物的晶块状析出（包含几个晶粒）使性能恶化，B钢的氢脆敏感性增加，研究结构硼钢(国军标GJB2720-1996)经我们生产实践和实际生产试样的研究，确实氢脆敏感性增加，当我们委托复旦大学采用法国CAMECE公司制造的“IMS3F型离子探针”，测试发现H与B是相互排斥的，见图1、2、3，而在阳线上编号870926007、870926006、870926005反映不明显。但从图1、图2、图3可见B在钢中的分布是不均匀的，明显地显示出波峰和波谷。即不存在因硼氢化物的形成而增加了硼钢的氢脆性。这对硼钢的氢脆机理有待新的考证……。同时也验证氢与铁、氢与铬之间不形成化合物。同时也看出，镀硬铬层氢含量低。

50BA钢中氢与某些元素的交互作用：图1、图2、图3

图1 束班

图2束班

图3束班3u

B提高淬透性的作用对含碳中低碳钢50以下更加显著，表面渗碳对引起的高碳B无作用可行，负作用呢？氢脆敏感性增加是定性的…

1.2德国还有一种做小型齿轮的材料：16MnCr5。德国一些著名齿轮箱公司用16MnCrS5,其中S是原材料多了一道热处理工序。

16MnCr5齿轮渗碳时强渗碳势跟国内材料20CrMnTiH接近，18CrNiMo7-6齿轮渗碳时强渗碳势比国内材料20CrMnTiH低，否则残A会多。关于残奥，德国很多大公司都要求不超过25%，国内标准三级是不超过30%。残奥过多降低强度，太少又增加脆性。

2、对风电重载齿轮

目前欧美和国内普遍采用17CrNiMo6 表1

重载齿轮钢17CrNiMo6是老牌号，现在改用18CrNiMo7-6，具体可见表2 。

化学成分表表2

18CrNiMo7-6+HH,HH表示高淬透性。一定要注意此材料关于AI的控制！钢在冶炼中加铝的氧量少对本质细晶粒钢有影响，量大又会引起性能下降。我们估计加铝的控制，为C-N共渗起催渗的作用和产品因氮化铝的存在增加耐磨性能。德国学者可能未考虑，在氧化铝颗粒附近，氢的存在似乎降低疲劳性能（作者2003年发表论文）我想加入V（0.15-0.25%）就能代替AI的控制且对氢脆敏感性较小[1]H.K.D.H Bhadeshia著的轴承钢中也有同感[2]。我们建议：加入V（0.15-0.35%），V不仅提高渗透性，细化晶粒，弥散析出的V使多冲性能提高。MoV在中碳合金结构钢已证明氢脆敏感性下降[1]；那么在渗碳的高碳状态下如何？英国世界知名院士H.K.D.H Bhadeshia

[2]在高碳轴承钢08年以后也得到证实：-----

3、以杨钟胜和徐跃明为首的专家、学者，制定的重载齿轮渗碳热处理技术要求JB/T13027-2017,标准号：JB/T13027-2017于2017.01.20发布，2017年07-01实施。

首先感谢以杨钟胜和徐跃明为首的专家、学者，经过艰辛、努力、制定的标准，这个标准是指导性的，对我国的重载齿轮步入国际范畴很有意义。

其中有好多重载钢种是德国弗兰德、采埃孚的发明和前苏联坦克齿轮用钢，世界各国均在采用......，现所提出含氧量20PPM,含氢量2PPM

[4]，这是一个可喜的要求，问题是冶炼出来的钢要达到这个标准，取决于生产中的环境效应

[3],在交货后能否达到？在整个渗碳过程中必然要渗氢和内氧化。

3.1 JB/T13027-2017重载齿轮渗碳热处理技术要求对可靠高要求的重载齿轮（标准），需保证材料的纯净度，应采用真空二次精炼或电渣重熔的方法冶炼钢材，钢材的含氧量应控制在≤0.0020%（20 ppm），含氢量应控制在≤0.0002%（2 ppm）。

3.2 由钢锭直接锻成的大型重载齿轮锻坯，尤其是高Cr、Ni、Mo合金钢制作的钢坯，应进行以消除白点和氢脆为目的的去氢退火。等温退火或正火处理，一般采用950℃，若温度低效果差（特别对白点引起微裂纹的焊合）。

等温退火或正火：改善魏氏组织，原始晶粒均匀，应力状态，带状偏析，合金元素偏析，致密度均匀性，夹杂物形态；由条状变为断链椭园状，氢含量下降，夹杂引起的裂纹，对锻造引起的组织损伤或裂纹有愈合作用（俄文1975年报道为焊合；合金元素多焊合时间增长，国内学者肖亚航等2005年报道）最终可获得良好的切削性，且畸度小，性能提高，（零件长期服役下的尺寸稳定性提高）。这种状态下的材料使以后从事表面处理过程中的氢脆和应力腐蚀断裂现象均有减缓作用。从动锥齿畸变的研究，再次验证上述观点：原材料存在明显的成分偏析和致密度不均，致使齿轮淬火压淬过程中零件内部同一层面组织转变不一致，产生了附加应力该内应力促使端出现了异常畸度。由于：GB/T1979标准中对偏析框大小和形状没有规定，建议用户采购齿轮钢时多关注钢的低倍钢的低倍组织并加强钢材进厂检验。

4、由于重载齿轮热处理目前表面强化主要为渗碳，热处理气氛中应采用可控气氛的热处理，即能调节气氛中的碳势，已脱碳的轴承钢能进行复碳处理。对热处理气体（请注意环境效应[3]）环境效应中的渗氢时可能部分进入后出得来，对渗硫、渗氧、渗汞、渗砷、硫氢共渗是出不来的。应尽可能避免和减少，渗硫的机理→H2S→与氧作用→SO₂与Mn作用→MnS，我们要求渗碳标准达到：（我们发明专利使用中天然气节能耗20%左右，丙烷气节能耗30%左右。露点≤-60 ℃，CO₂ <0.5mg/m3，有机硫<3 mg/m3，无机硫<1 mg/m3，石油<1 mg/m3，汞<1mg/m3 ，砷<1mg/m3 ，露点≤-60 ℃（中航2014年已应用）

5、中航标准“热处理用气体”

5.1 真空渗碳、碳氮共渗热处理用主要工艺气体种类见表3，其中乙炔气、丙烷气和氨气的露点应不超过-60 ℃（约相当于10PPm），氨气中的水分含量越少越好；同时，气体中应不含石油、汞等有害杂质和元素，气体中硫（有机硫+无机硫）的含量应不超过4mg/m3，硫的含量越少越好。其他要求符合表3相关规定。

表3 真空渗碳、碳氮共渗热处理用主要工艺气体

5.2 渗碳、碳氮共渗用气体也可以是真空渗碳设备使用说明书中规定的其他适宜的气体，气体中水分、硫（有机硫+无机硫）、石油和汞等含量应符合5.1的要求。

6、渗碳时气源的环境效应

6.1 用天然气渗碳气时的环境效应

硫和水气含量低的天然气能使另一渗碳机制CH4→Cad+H2充分发挥作用，使渗碳件淬火后表面的非马氏体组织大大减少，如有效硬化层深度为0.8～1.2 mm时仅不到3μm（浅腐蚀）。在吸热式气氛下：其它如株齿公司马学文发现，齿轮有效硬化层1.6 mm，非马氏体5 μm（浅腐蚀）。 2011年5月，北京三一重工（艾协林密封箱式炉）姚东海首先发现，风电用及其他重载齿轮渗碳有效硬化层深2.5～3 mm，晶间氧化层（不腐蚀）15～20 μm，渗层质量处于世界领先水平。2011年重庆新兴通用公司，丰东韩伯群也发现类似效果，17CrNiMo6钢风电齿轮在预抽真空密封箱式炉中渗碳至2.5 mm并淬火回火后，晶间氧化深度为16.52 μm（美国企业标准≤40μm），见图2。

2014年重庆船舶重工清平机械厂应用我公司净化设备与丰东多用炉配套，在重载齿轮渗碳上，表面光亮银灰色无炭黑，晶间氧化也得到了类似的效果，远远超过美国的企业标准。不但避免了传统的渗碳机制（CO→Cad+CO2）边渗碳边氧化的过程，使渗碳速度提高约11%，而且渗碳件表面光亮无碳黑（吸热式气氛发生器一般也不烧碳黑），吸热式气氛中的触媒剂不易中毒、寿命大大提高，氧探头和炉底板寿命提高1倍以上，有单位已使用18年，净化效果仍很好，设备也未大修，获得了可观的经济效益。另外,俄罗斯学者在研究天然气渗碳淬火的氢脆问题时，发现H2S出现在空穴中,MnS、NiS出现在空穴的表层，导致零件服役寿命显著降低。在这种情况下，用天然气制备的放热式气氛要求两次脱硫,使硫含量低至0.5 mg/m3以下。应指出，硫的渗入会加速氢和氧的渗入，引起氢脆白点，还会造成渗碳件产生腐蚀坑。

图4 17CrNiMo6钢齿轮渗碳至2.5 mm、淬火和回火后表层的晶间氧化形貌

Fig.4 Intergranular oxidation of 17CrNiMo6steel gear carburized to 2.52 mm followed by quenched and tempered

6.2 用天然气作原料气时的环境效应

当采用未经净化的天然气作原料气时，Rx气发生器的Ni触媒剂往往易中毒、有炭黑，炉膛内还有由硫化物、汞化物组成的黄色粉状物，其成分为硫含量0.1%,铁含量31.3%（汞未化验），附着在炉膛内壁粘得很牢,见图3，降低触媒效果，并使其体积膨胀，呈多孔状并碎化，寿命大大下降。

图5 用未净化的天然气渗碳时炉膛内产生的黄色粘附物

Fig.5 Yellow product in furnace chamber developed during carburizing with natural gas not purified

以上所述充分说明，使用天然气时要注意净化去除S、Hg、As等有害成分，才能保证零件的质量和使用寿命。

7、德国天津ZF风电开始应用、采用我们的发明专利天然气净化设备后，尽管全换了吸热式发生器的裂解剂，由於内壁原有杂质的聚集，经过近半年的生产运转，使设备脱硫等杂质，有效硬化层3.4mm.晶间氧化（不腐蚀）。

德国ZF风电（天津）公司齿轮金相图片如下图6、7、8、9。ZF的设备是德国进口IVA的井式炉，采用吸热式气氛，齿轮材质：17CrNiMo6，有效硬化层深度3.4mm ，晶间氧化，试样为试棒。

图6

图7

图8

图 9

因为试样为试棒，渗碳淬火前的前处理质量欠佳，图7、图8晶间氧化比较差，由於实际齿轮的前处理较好。估计实际齿轮的晶间氧化控制在15μm以下，处于世界领先地位[5]。（美国企业标准为：有效硬化层深度2.4mm，晶间氧化≤40μm），最终整体风电服役寿命保证20年无故障，我们应先达到20年后再提高能不能提高到30年有待各方面努力、创新......

同时渗碳速度提高、能源也大大节约，单吸热式发生器节约能源5-8%。在渗碳过程中由於气源的环境效应依据气源质量必然渗氢、渗氧(内氧化）渗硫、渗汞、渗砷、渗铅。

例如：渗氢、渗硫和渗氧的进入形成的氢化物是以后的去氢，一般出不来的。

7.1 渗碳气源的净化处理，净化是将不好的杂质去除，这个如同人们日常喝的水，要求净化处理，而不是纯化处理，纯化的水对人体不利.........因此订购设备时应注意“发明专利”免得被人忽悠。

7.2 丙烷气的净化（发明专利号：ZL201210370124.X），净化效果同天然气类同。净化后的丙烷气要求有机硫≤3 mg/m3，无机硫≤1 mg/m3，二氧化碳≤0.5 %，露点≤-60 ℃，汞≤0.1 mg/m3、，砷≤0.1 mg/m3、石油≤0.1 mg/m3，净化指标和净化剂服役寿命类同天然气净化。

太重陈进磊和爱协林公司谢周贵同时发现，工艺方法不变（氮+甲醇+丙烷气），丙烷净化后，在有效硬化层深3.0 mm的情况下，晶间氧化（不腐蚀）最深22.3 μm，最浅9.5μm，表面质量特好。丙烷耗量节约30%。避免了多冲性能、疲劳性能下降，使持久服役性能大大提高。采用氮+甲醇+净化的丙烷气渗碳的某17CrNiMo6钢风电齿轮的晶间氧化现象如图10所示。

图10 采用氮+甲醇+净化丙烷气渗碳的17CrNiMo6钢齿轮的晶间氧化形貌

Fig.10 Intergranular oxidation of 17CrNiMo6 steel gear carburized in nitrogen gas plus methanol plus purified propane gas.