Технология упрочнения зубчатых колёс цементацией и закалкой: ключевые методы обеспечения однородности по глубине и контроля деформации

Ключевой вывод: Цементация и закалка — наиболее распространённый процесс химико-термической обработки для получения свойств «твёрдая поверхность, вязкая сердцевина» у зубчатых передач. Низкоуглеродистая легированная сталь типа 20CrMnTi после цементации при 920–950°C + закалки + низкого отпуска обеспечивает твёрдость поверхности зубьев до HRC 58–62, твёрдость сердцевины поддерживается на уровне HRC 30–42, усталостная долговечность повышается в 3–5 раз. Возможность удержать деформацию при термической обработке в пределах 0.05–0.15 mm напрямую определяет конечный класс точности зубчатого колеса.

I. Принцип процесса цементации и закалки#

1.1 Определение процесса#

Цементация и закалка — это нагрев низкоуглеродистой стали (содержание углерода 0.10%–0.25%) в углеродсодержащей среде, обеспечивающий диффузию атомов углерода в поверхностный слой, с последующей закалкой и отпуском, что формирует градиентную структуру высокоуглеродистый мартенситный поверхностный слой + низкоуглеродистый отпущенный мартенсит в сердцевине.

1.2 Сравнение трёх цементирующих сред#

Способ цементации	Среда	Диапазон температур	Скорость цементации (mm/h)	Область применения
Газовая цементация	пропан + газ-носитель	920–950°C	0.15–0.35	Серийное производство, цементированные зубчатые колёса
Вакуумная цементация	ацетилен	950–1050°C	0.25–0.50	Высокоточные зубчатые колёса, внутренние зубчатые венцы
Цементация в соляной ванне	цианистая соль	900–930°C	0.20–0.40	Мелкомодульные зубчатые колёса

Вакуумная цементация благодаря отсутствию внутреннего окисления и минимальной деформации стала идеальным решением для прецизионных зубчатых колёс передач.

II. Ключевые технологические параметры и критерии оценки#

2.1 Эффективная глубина цементированного слоя (Effective Case Depth, ECD)#

Модуль зубчатого колеса m (mm)	Рекомендуемая ECD (mm)	Метод контроля
m ≤ 3	0.4–0.8	Метод измерения твёрдости по Виккерсу HV1
3 < m ≤ 6	0.8–1.2	Метод измерения твёрдости по Виккерсу HV5
m > 6	1.2–2.0	Метод измерения твёрдости по Виккерсу HV10
Критерий оценки: За эффективную глубину цементированного слоя принимается расстояние по перпендикуляру от поверхности до точки, где твёрдость равна 550 HV.

2.2 Ключевые факторы контроля деформации#

Предварительная термическая обработка: нормализация + высокий отпуск позволяют устранить напряжения от механической обработки и снизить деформацию при закалке на 30%–50%
Температура закалки: предпочтительно на 30–50°C выше Ac3; слишком высокая температура увеличивает риск деформации
Охлаждающая среда: горячее масло (80–120°C) обеспечивает на 40%–60% меньшую деформацию по сравнению с холодным маслом
Способ загрузки в печь: зубчатые колёса устанавливать вертикально или подвешивать на специальной оснастке; избегать укладки в штабель и сдавливания

III. Типичные дефекты и меры устранения#

Тип дефекта	Проявление	Основные причины	Меры по улучшению
Недостаточная твёрдость	Поверхность зубьев < HRC 55	Низкая концентрация углерода при цементации или недостаточное охлаждение при закалке	Повысить углеродный потенциал до 0.8%–1.0%C, проверить температуру масла
Чрезмерная деформация	Отклонение направления зуба > 0.15 mm	Неравномерные напряжения закалки, недостаточный припуск	Добавить операцию отжига для снятия напряжений, оптимизировать конструкцию заготовки зубчатого колеса
Поверхностное обезуглероживание	Появление феррита в поверхностном слое	Слишком низкий углеродный потенциал печной атмосферы или недостаточная герметичность	Контролировать давление в печи + регулярная калибровка кислородного зонда
Внутреннее окисление	Чёрная сетчатая структура по границам зёрен	Примеси O₂/H₂O в атмосфере	Повысить чистоту газа-носителя, применять вакуумную цементацию

IV. Практический опыт#

Опыт первый: В проекте спирально-конических зубчатых колёс с модулем m=5, принятом компанией в работу, заказчик требовал класс точности DIN 6. После 3 циклов наладки была окончательно выбрана схема вакуумная цементация + ступенчатая закалка, величина деформации удержана в пределах 0.08 mm, доля принятых при первой проверке достигла 92%. Опыт второй: Добавление перед цементацией и закалкой одной операции отжига для снятия напряжений при 650°C × 2h позволяет снизить долю трещин при последующем шлифовании зубьев с 5% до менее 0.3%, при этом себестоимость возрастает всего примерно на 8 юаней/шт. (CNY/piece). Опыт третий: Рекомендуемая частота контроля: не менее 3 образцов, помещаемых в печь вместе с садкой, соответственно для металлографического контроля, контроля градиента твёрдости и анализа излома. Для крупномодульных зубчатых колёс рекомендуется проверять твёрдость поверхности каждого зуба у каждой детали.

V. Справочные материалы#

GB/T 9450-2005 «Определение и проверка глубины упрочнённого слоя при цементации и закалке стальных деталей»
AGMA 2001-D04 «Руководство по упрочнению зубчатых поверхностей и термической обработке»
Geyon Transmission технологическое руководство — раздел термической обработки (внутренние материалы)
Узнайте больше о возможностях прецизионной обработки зубчатых колёс и индивидуальных решениях для зубчатых колёс Ежедневные учебные заметки · Geyon Transmission · 2026-07-10

Цементация и закалка зубчатых колёс: глубина слоя и деформация