滲碳及碳氮共滲齒輪熱處理質量檢驗綜述

摘 要;齒輪的熱處理質量直接關系到齒輪的使用壽命，而齒輪的熱處理工藝通常有二種:滲碳及碳氮共滲，通用對層深、硬度及金相組織的檢測，可以很好的控制齒輪的熱處理質量。

關鍵詞:金相法硬度法硬度碳化物

中圖分類號:TP2文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)06(b)-0091-01

齒輪是汽車結構中的重要基礎部件，齒輪質量的優劣，直接影響著汽車產品的性能和使用壽命。影響汽車齒輪使用壽命的因素很多，除設計、選材、冷加工及使用條件外、齒輪的熱處理質量起著重要的作用。滲碳及碳氮共滲齒輪熱處理質量的好壞是通過有效硬化層深度、硬度及金相組織來鑒別的，因此必須對齒輪熱處理后的質量進行準確的檢驗及嚴格的控制。

1 檢驗與控制

1.1 滲碳及碳氮共滲層深

(1)金相法測層深

在1987年以前，國內對滲碳及碳氮共滲件層深的檢驗多采用“金相法”，各生產廠家根據本廠的生產特點及產品的使用情況，制定各自不同的檢驗標準和技術要求。

用金相法檢測層深，必須是在平衡的組織狀態下進行，即零件必須進行等溫退火處理，再進行檢驗。滲層深度包括過共析層、共析層及全部過渡區域，即由表面起到心部組織為止的總深度。共析層深度系指由表面起至出現顯著的鐵素體為止的深度。表面層含碳量應大于0.8%。滲碳層中過共析和共析層深度應為滲碳層總深度的50%～75%。

用金相法檢測層深最大的問題是:它是一種間接的測量方法，不能直接反映零件的使用性能。如果滲碳層深度合格而淬火組織不合格，用金相法測層深是無法檢測到的。

(2)硬度法測層深

隨著汽車產業的發展，檢測標準與國際國準的接軌日趨重要，1988年我國等效采用了ISO2639《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定和校核》而制定了國家標準GB/T9450《鋼件滲碳淬火有效硬化層深度的測定和校核》，即開始使用“硬度法”對滲碳淬火件進行“有效硬化層深度”的檢測。標準規定:從零件表面到維氏硬度值為550HV1處的垂直距離為零件的淬硬層深度，也叫有效硬化層深度。

用硬度法檢測層深，它的檢測結果直接反映了零件的使用性能，因而更直觀有效。

在QC/T262及QCn29018汽車行業標準中，對汽車滲碳及碳氮共滲齒輪的有效硬化層深度的檢測部位及方法進行了明確規定:從輪齒表面起，在9.81N(1Kgf)載荷下測至550HV，也可以在49.031N(5Kgf)載荷下測至515HV處的垂直距離。

(3)深度的控制

齒輪表面的硬化層深度是使其獲得優良性能的重要參數。不同用途，不同模數的齒輪，其深度亦不相同。對同一種齒輪而言，如果層深過厚，會導致齒輪的彎曲疲勞性能下降，脆性增大，而如果層深過薄，也會降低彎曲疲勞強度，還會造成齒面早期疲勞剝落，甚至硬化層被壓碎。為了使齒輪獲得良好的抗彎曲疲勞性能，滲碳層深度不宜太厚;但在要保證齒面的抗接觸疲勞性能時，則滲碳層應以深一些為好。如何合理地選擇滲碳層深度，一般是根據齒輪材料，使用情況和工藝條件做全面考慮。通常是依據齒輪模數的大小進行確定。

影響硬化層深度的主要因素有:滲碳介質的碳勢，滲碳溫度，滲碳時間，工件的表面狀態，裝爐量等等

1.2 表面硬度

表面硬度為齒寬中部節圓附近的表面的硬度。

汽車齒輪表面硬度要求一般為HRC58-63，我公司的產品要求在HV700以上。表面硬度是齒輪熱處理的一個至關重要的因素，表面硬度低，耐磨性能差，降低抗接觸應力的能力，使齒面容易形成疲勞剝落。表面硬度不合格是常見的熱處理缺陷之一，滲碳及碳氮共滲齒輪硬度不足多由滲碳時間不足，淬火時脫碳，淬火溫度過低，淬火冷卻速度不足，表面殘余奧氏體量過多，回火過度，工件表面不清潔等因素造成的。

1.3 碳化物數量及分布

根據滲層中碳化物的大小、形狀、數量及分布情況分為8級，評定時按QC/T262及QCn29018中的碳化物級別圖進行，常嚙合齒輪1-5級合格，換檔齒輪1-4級合格，檢測部位以齒頂角及工作面為準。

滲層中碳化物的數量、形狀以及分布，直接影響著齒輪的使用壽命，塊狀呈斷續網狀或者網狀分布的碳化物，它們破壞了金屬基體的連續性，起著造成應力集中的缺口作用，并可能成為裂紋源。在齒輪使用過程中，導致牙齒折斷，齒端崩損，加速齒面疲勞麻點的形成和剝落。

值得提出的是，齒輪表面是否需要有明顯的碳化物存在，目前的意見尚不一致，一種看法是:由于齒輪在使用時主要是由于接觸應力作用而損壞，而碳化物的存在容易成為疲勞的起始點，所以主張齒面應無明顯碳化物。另一種看法是:為了保證齒面具有足夠的碳濃度和良好的耐磨性，使齒面上均勻分布著細小顆粒狀的碳化物是必要的。

目前普遍認為，從兼顧疲勞強度和耐磨性能出發，將滲碳層表面的碳濃度控制在0.8%～1.05%范圍之內，是比較合理的。

生產中往往由于滲碳濃度過高，造成滲層中碳化物級別超出要求范圍，所以應嚴格控制熱處理工藝，保證生產出合格產品。

1.4 非馬氏體組織

國家標準中規定:表面非馬氏體組織最深不得超過0.02mm。

所謂非馬氏體組織，通常是指在滲碳或碳氮共滲層中最表面出現的黑色組織或黑色網絡組織，這種組織只有極薄的一層，約為0.008～0.04mm，這種黑色組織一般為屈氏體組織。

零件在滲碳氣氛中，由于氧原子在其表面上富集，并沿著晶界向里擴散，致使鋼中的鉻、錳、硅等元素發生內氧化，同時又因為滲入的碳與其它合金元素相互作用，生成合金碳化物，故而造成了在氧化物或碳化物附近區域奧氏體中合金元素的貧化現象，在淬火過程中，零件的表面區形成了沿晶界分布的屈氏體組織，輕者呈網狀，重者則連成片。

如果在齒面上出現較深的非馬氏體組織，勢必造成表面硬度下降，加劇麻點磨損和疲勞剝落的產生，這是不允許的。

2 小結

齒輪的熱處理質量直接關系到齒輪的使用壽命，即:齒輪的表面及心部的金相組織缺陷直接影響著齒輪使用性能。

在現生產中，通常是以零件的金相檢驗來保證產品的熱處理質量，穩定產品的熱處理工藝，生產合格產品。同時也可以通過理化分析的方法，根據零件的損壞形態，原材料的結構缺陷，判定零件損壞的性質，分析失效原因。

參考文獻

[1]方向威，等編著.金相檢驗.機械電子工業部理化人員資格培訓教材.

[2]李炯輝，林德成編著.金屬材料金相圖譜.機械工業出版社.