差速器齒輪滲碳淬火缺陷原因 分析及對(duì)策【經(jīng)驗(yàn)分享】
差速器齒輪滲碳淬火的質(zhì)量缺陷大致可分為：外觀缺陷（氧化、銹蝕），硬度、有效硬化層不合格（硬度高、硬度低、硬度不均勻，有效硬化層深、有效硬化層淺），金相組織缺陷（馬氏體、碳化物、心部組織級(jí)別超標(biāo)、表層非馬超標(biāo)），熱處理變形（縮孔、錐度、圓度及畸變），下面就齒輪滲碳淬火生產(chǎn)中常見(jiàn)的質(zhì)量缺陷，進(jìn)行影響因素分析及補(bǔ)救對(duì)策實(shí)施闡述。
一、外觀缺陷
產(chǎn)生原因可能是熱處理爐密封差而導(dǎo)致漏氣，另外還有可能是滲碳介質(zhì)純度不夠（含有水分）。防范措施即為檢查爐子密封性和提高滲碳介質(zhì)純度。產(chǎn)生原因可能是進(jìn)爐前零件沒(méi)有徹底清洗干凈，熱處理前機(jī)加工時(shí)切削液不合格，沒(méi)有清洗干凈。零件表面沾有碎切屑，熱處理加熱過(guò)程中熔化粘結(jié)于零件表面。防范措施即為采用弱堿性清洗液對(duì)進(jìn)爐前零件進(jìn)行認(rèn)真徹底清洗，確保進(jìn)爐前零件的清潔度。
二、有效硬化層深度、表面硬度、心部硬度缺陷
（1）有效硬化層深度又叫淬硬層深度，一般用顯微硬度計(jì)檢測(cè)，從表面一直測(cè)至界限硬度處的直線距離；而滲碳層深是指滲碳層的深度，一般用金相法來(lái)檢測(cè)，合金滲碳鋼從表面測(cè)至過(guò)渡區(qū)。因零件的滲碳層深僅指對(duì)合金鋼滲入碳的深度，是齒輪熱處理生產(chǎn)中的一個(gè)過(guò)程指標(biāo)，不能很好地反映齒輪的熱處理最終結(jié)果，故正規(guī)的技術(shù)文件，大多以有效硬化層深度作為零件熱處理后的檢測(cè)、考核指標(biāo)。第一種是有效硬化層深度淺，產(chǎn)生的原因可能是：原材料的淬透性差、端淬值低；淬火冷卻介質(zhì)的冷卻能力差；滲碳保溫時(shí)間短、強(qiáng)滲及擴(kuò)散期的碳濃度低，導(dǎo)致滲碳層深度不夠；滲碳爐的有效加熱區(qū)的溫度分布不均勻，導(dǎo)致不同區(qū)域零件滲碳層深度不夠。相應(yīng)防范措施為：調(diào)換淬透性好、端淬值高的原材料；調(diào)換冷卻能力好的淬火冷卻介質(zhì)或加大淬火冷卻介質(zhì)容量，增加攪拌功能；延長(zhǎng)滲碳保溫時(shí)間，提高強(qiáng)滲及擴(kuò)散期的碳濃度，使?jié)B碳層深度合格；檢測(cè)滲碳爐有效加熱區(qū)的溫度均勻性，使各零件的滲碳層深度穩(wěn)定、統(tǒng)一，達(dá)到技術(shù)要求。第二種是有效硬化層深度深，產(chǎn)生的原因可能是：原材料的淬透性太好、端淬值太高；滲碳保溫時(shí)間太長(zhǎng)、強(qiáng)滲及擴(kuò)散期的碳濃度太高，導(dǎo)致滲碳層深度明顯超上差。相應(yīng)防范措施為：調(diào)換淬透性比較合適的原材料；調(diào)整合適的滲碳保溫時(shí)間及強(qiáng)滲和擴(kuò)散期的碳濃度，確保滲碳層深度合格。（2）表面硬度缺陷主要含表面硬度高和表面硬度低兩種表現(xiàn)形式。①表面硬度高，產(chǎn)生的原因可能是：滲碳時(shí)碳濃度太高，淬火溫度太高，回火溫度低、時(shí)間短。其防范措施為：調(diào)整合適的滲碳碳濃度、合適的淬火溫度、合適的回火溫度及回火時(shí)間。②表面硬度低，產(chǎn)生的原因可能是：滲碳時(shí)碳濃度太低，殘留奧氏體過(guò)多；回火溫度過(guò)高、時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，表面產(chǎn)生氧化。其防范措施為：在滲碳碳濃度不足的情況下，提高滲碳?xì)夥仗紕?shì)；選用淬透性好、端淬值高的原材料；調(diào)整在冷卻能力強(qiáng)的淬火冷卻介質(zhì)中淬火；在殘留奧氏體過(guò)高的情況下，進(jìn)行深冷處理；查找造成氧化的原因，采取相應(yīng)措施。（3）心部硬度缺陷主要含心部硬度高和心部硬度低兩種表現(xiàn)形式。①心部硬度高，產(chǎn)生的原因可能是：原材料的端淬值太高，淬火溫度太高，還有可能是有效硬化層深超上限導(dǎo)致。其防范措施為：調(diào)整合適端淬值的原材料和淬火溫度，加強(qiáng)滲碳層深度的檢驗(yàn)，避免連鎖的質(zhì)量缺陷。②心部硬度低，產(chǎn)生的原因可能是：原材料的端淬值太低，淬火溫度太低，冷卻設(shè)備或淬火冷卻介質(zhì)的冷卻能力太差。防范措施：選用合適端淬值的原材料、合適的淬火溫度，調(diào)換冷卻能力好的淬火冷卻介質(zhì)或增加攪拌功能。
三、熱處理金相組織缺陷
熱處理金相組織缺陷主要指低碳合金鋼經(jīng)滲碳淬火后出現(xiàn)的馬氏體、碳化物、心部組織等級(jí)別超標(biāo)不良和表層的非馬氏體組織深度超標(biāo)。（1）低碳合金鋼滲碳淬火后，馬氏體應(yīng)不大于4級(jí)，最好3級(jí)以內(nèi)，應(yīng)為隱晶或細(xì)針狀馬氏體加少量殘留奧氏體，不允許出現(xiàn)粗針馬氏體。馬氏體級(jí)別超標(biāo)原因可能是滲碳溫度太高，滲碳時(shí)間太長(zhǎng)，淬火溫度過(guò)高，冷卻速度過(guò)快。防范措施：調(diào)整合適的滲碳溫度、時(shí)間、淬火溫度和冷卻速度。（2）碳化物級(jí)別不良，碳化物應(yīng)不大于4級(jí)，最好3級(jí)以內(nèi)。熱處理后碳化物應(yīng)分布均勻，不允許出現(xiàn)連續(xù)網(wǎng)狀、針狀和角狀過(guò)共析碳化物。其產(chǎn)生原因可能是：滲碳過(guò)程中滲碳?xì)夥盏奶紕?shì)過(guò)高或滲碳時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。防范措施：降低滲碳?xì)夥盏奶紕?shì)，壓縮滲碳時(shí)間，調(diào)整滲碳強(qiáng)滲期和擴(kuò)散期的比例。（3）心部組織不良，心部組織應(yīng)不大于3級(jí)，最好2級(jí)以內(nèi)。熱處理后心部組織應(yīng)為低碳馬氏體或下貝氏體加少量游離鐵素體，不允許出現(xiàn)大量塊狀、網(wǎng)狀或針狀鐵素體。心部組織超標(biāo)又分僅心部出現(xiàn)粗大的板條狀馬氏體，以及沿晶斷續(xù)分布的條塊狀鐵素體，屬原始鍛造殘留組織，可能是原材料軋制或鍛造過(guò)程中溫度不均勻、變形量不足造成的。另外，從輪齒表面至心部全部出現(xiàn)粗大組織，屬于較嚴(yán)重的過(guò)熱組織，產(chǎn)生原因可能是滲碳溫度過(guò)高，滲碳時(shí)間長(zhǎng)，加熱保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。防范措施：選用合適的滲碳溫度、滲碳時(shí)間及加熱保溫時(shí)長(zhǎng)。（4）表層非馬氏體組織超標(biāo)，滲碳淬火件的表層非馬氏體組織，包括表面脫碳形成的鐵素體、表層沿晶界形成的托氏體或部分鋼中形成的貝氏體。其產(chǎn)生原因可能是內(nèi)氧化，造成滲層表面含碳量下降而產(chǎn)生，一般要求控制在0.02mm以內(nèi)。而造成內(nèi)氧化的原因可能是滲碳介質(zhì)不純，也或是強(qiáng)滲區(qū)滲碳時(shí)碳勢(shì)過(guò)高，調(diào)整碳勢(shì)時(shí)通入空氣量過(guò)大。防范措施即為：采用純度較高的丙酮、甲醇或經(jīng)凈化的天燃?xì)庾鳛闈B碳介質(zhì)。調(diào)整強(qiáng)滲區(qū)滲碳時(shí)的碳勢(shì)時(shí)，建議通入氮?dú)馓娲諝猓远沤^內(nèi)氧化而出現(xiàn)的表層非馬氏體超標(biāo)。
四、熱處理變形缺陷
熱處理變形是指在熱處理過(guò)程中出現(xiàn)的零件內(nèi)孔收縮、橢圓、錐度等，有的是可測(cè)量、數(shù)據(jù)化的缺陷，有的是無(wú)法測(cè)量、數(shù)據(jù)化的無(wú)規(guī)律畸變?nèi)毕荨?duì)于熱處理后不再加工的差速器半軸齒輪的花鍵孔和精鍛齒齒面，熱處理變形會(huì)使花鍵齒和精鍛齒的漸開線齒形失去精度。花鍵孔縮孔、錐度嚴(yán)重時(shí)，會(huì)影響安裝使用；精鍛齒的漸開線齒形畸變時(shí)影響齒輪的接觸印痕、嚙合傳動(dòng)精度。熱處理變形是一個(gè)非常復(fù)雜、影響因素極多、困擾企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的棘手問(wèn)題，現(xiàn)就常見(jiàn)因素逐一描述。原材料的淬透性是影響熱處理變形大小的關(guān)鍵因素，要想減小零件的熱處理變形，應(yīng)盡量選用淬透性不太好即端淬值較低的原材料。原材料的化學(xué)成分、帶狀組織和晶粒度等級(jí)，對(duì)熱處理變形的影響也不可忽視。符合國(guó)標(biāo)的原材料，因化學(xué)成分中各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍比較寬泛，熱處理變形是很不穩(wěn)定的，為了使化學(xué)成分對(duì)熱處理變形的影響可控，各企業(yè)必須根據(jù)各自產(chǎn)品的特點(diǎn)，與鋼廠協(xié)商制定各自的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。帶狀組織的存在使鋼材的組織不均勻，影響鋼材性能，形成各向異性，熱處理時(shí)鋼材容易變形，因此對(duì)于帶狀組織必須明確要求，軋材帶狀組織級(jí)別應(yīng)不大于3級(jí)，等溫退火狀態(tài)下帶狀組織級(jí)別應(yīng)不大于2.5級(jí)，奧氏體晶粒度應(yīng)不小于7級(jí)。原材料的Ms點(diǎn)即為馬氏體轉(zhuǎn)變的起始溫度，是奧氏體和馬氏體兩相自由能之差，達(dá)到相變所需的最小驅(qū)動(dòng)力時(shí)的溫度。Ms點(diǎn)主要決定于鋼材的化學(xué)成分、合金元素、合金元素種類、奧氏體化溫度、保溫時(shí)間長(zhǎng)短、冷卻速度，所以選取Ms點(diǎn)較低的原材料，有利于控制熱處理變形。鍛造時(shí)合理的鍛造比、成形系數(shù)、恒定的鍛造溫度范圍，可減少鍛件的組織偏析，使組織更加均勻，有利于減少后續(xù)滲碳淬火時(shí)的變形。為了消除鍛造應(yīng)力、均勻細(xì)化組織、穩(wěn)控硬度差范圍，建議鍛件必須嚴(yán)格按等溫正火工藝進(jìn)行預(yù)熱處理。對(duì)于薄壁套類或壁厚不均勻的零件，若采用橫擔(dān)串裝（見(jiàn)圖1）方式，會(huì)出現(xiàn)明顯的圓度，再加上零件的薄壁處相對(duì)于其他部位縮孔更為明顯，綜合起來(lái)變形就更為嚴(yán)重。為減小更為復(fù)雜的變形，最好采用立式串裝（見(jiàn)圖2）或增添防變形套方式（見(jiàn)圖3），以減小熱處理變形，尤其是防變形套的運(yùn)用，若防變形套尺寸調(diào)整合適，即防變形套外徑與內(nèi)花鍵小徑預(yù)留間隙適當(dāng)，熱處理后的零件幾乎沒(méi)有縮孔變形。
圖 1
圖 2
圖 3
（4）機(jī)加工表面粗糙度及帶有內(nèi)花鍵零件拉花鍵時(shí)的拉削方向的影響差速器半軸齒輪拉花鍵的內(nèi)孔表面粗糙度會(huì)影響熱處理時(shí)的變形，若表面粗糙度太差，零件的內(nèi)應(yīng)力就會(huì)增大，熱處理時(shí)內(nèi)孔收縮就明顯。另外拉削內(nèi)花鍵時(shí)，拉刀的拉削量、拉削速度及拉削后花鍵表面粗糙度，都會(huì)直接影響到熱處理時(shí)花鍵孔的變形程度，因此要確保拉花鍵前的表面粗糙度不大于1.6μm。拉削過(guò)程中，應(yīng)及時(shí)修磨拉刀，嚴(yán)禁過(guò)度使用，避免出現(xiàn)內(nèi)花鍵齒面拉傷、拉毛；合理使用切削液，保證適當(dāng)?shù)睦髁俊⒗魉俣龋源_保拉削后的拉削面表面粗糙度不大于1.6μm。另外，零件在進(jìn)行內(nèi)花鍵拉削加工時(shí)，拉削方向也會(huì)影響拉削后花鍵孔的收縮量，如圖4所示拉削時(shí)，拉削后測(cè)量薄壁端收縮量為0.02～0.03mm，若調(diào)整拉削方向，拉削后測(cè)量幾乎沒(méi)有收縮量，如圖5所示。
圖 4
圖 5
零件在熱處理過(guò)程中滲碳時(shí)的加熱溫度、加熱時(shí)間、淬火溫度，均影響到變形的大小，且變形大小與上述三個(gè)參數(shù)成正比。因此，在滿足零件熱處理其他要求前提下，盡量降低滲碳時(shí)的加熱溫度、加熱時(shí)長(zhǎng)和淬火溫度。另外，為了壓縮滲碳時(shí)長(zhǎng)、提高生產(chǎn)效率，可采用催滲工藝，既可提高產(chǎn)能，又能減小熱處理變形。對(duì)于熱處理時(shí)易變形的工件建議采用等溫淬火油，這樣可將熱處理變形控制在一定范圍內(nèi)；對(duì)于不易變形的工件、大型零件，可以采用快速淬火油。
五、結(jié)束語(yǔ)
熱處理的各種缺陷受相關(guān)因素影響太多，有的缺陷可能同時(shí)受多個(gè)因素的綜合影響，所以只能做些方向性的論述，實(shí)際生產(chǎn)中，必須借助“三現(xiàn)”原則具體分析，采取相應(yīng)措施，提升熱處理的質(zhì)量，減少缺陷數(shù)量或降低關(guān)鍵缺陷的嚴(yán)重度，為降低質(zhì)量成本而不懈努力。作者：孟江濤
單位：洛陽(yáng)華冠齒輪股份有限公司
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