脫碳層對齒輪產品的影響及控制

金林奎 王春亮 趙建國

摘 要：本文對汽車齒輪產品滲碳熱處理后，在滲層中出現的異常組織進行分析，該異常組織為大量條狀及塊狀鐵素體，使滲層組織的硬度形成軟點，齒輪嚙合的承載力降低，同時影響輪齒表面的耐磨性。通過對20CrMnTi鋼的依維柯半軸齒輪，從坯料的鍛造加工、等溫退火處理到滲碳淬回火熱處理整個過程，進行檢查分析和工藝調整。最終解決了滲層軟點及有效硬化層深度的硬度梯度不合理的問題，滿足了汽車齒輪的性能要求。

關鍵詞：滲碳處理；滲層軟點；硬度梯度

1概述說明

（1）汽車用齒輪，特別是轎車系列的齒輪，由于在高速下運轉，輪齒的嚙合部位必須具有很高的耐磨性，齒根部位的抗彎曲疲勞的強度要求也非常高。工件表層必須具有較高的耐磨性，心部具有較高的韌性。這就需要對齒輪產品進行表面滲碳的淬回火處理[1]，提高工件表面耐磨性，同時增加心部的強韌性，才能達到齒輪產品的性能和使用要求。

（2）在實際生產過程中發現，輪齒截面齒廓的次表層，出現一層大塊狀鐵素體的白亮色層。這種缺陷組織，對齒輪產品的性能和使用要求影響非常大。其形成的階段，是由于滲碳淬回火熱處理之前，齒輪表面產生氧化脫碳層引起的。了解到脫碳層深度對齒輪熱處理產品質量的影響[2]，從鍛造加工、等溫退火及滲碳熱處理等方面著手，有效控制脫碳層深度，保證冷擠壓過程產品的質量，以及后期熱處理最終產品質量。

2 金相檢測

（1）對滲碳淬回火后行星半軸齒輪進行檢查，發現齒輪齒頂下的滲碳層內，分布大量塊狀鐵素體的異常組織。金相組進一步檢測，外表層組織為細針狀高碳馬氏體及少量殘余奧氏體，該處的硬度經顯微硬度檢測為61.0、61.5HRC，金相組織和硬度值都在合格要求范圍內。滲層內的第二層，組織顯示高碳針狀馬氏體及大量塊狀鐵素體，該處硬度經顯微硬度檢測為28.0、29.0HRC，金相組織和硬度值都不能滿足范圍要求（見圖1）。

（2）在半軸齒輪的滲層內出現低硬度異常的組織，嚴重影響工件的使用性能。針對這個問題，我們采用了多種方法，對滲碳淬回火后的產品進行復處理，始終無法完全消除這種缺陷組織。因此一旦在齒輪的表層及次表層，存在大量塊狀鐵素體組織，該齒輪產品就必須報廢，由此造成的直接經濟損失非常嚴重。

圖1 輪齒橫截面（實物） 圖2 滲層金相組織（80X）

3 工藝分析

（1）滲層內分布大塊狀鐵素體的組織，這種缺陷產品將會帶來的嚴重后果。首先顯著降低齒輪表面的耐磨性，輪齒表面在嚙合時，短時間就會發生粘著和膠合，由于摩擦阻力的作用產生溫升，使齒輪表面的硬度降低，進一步降低輪齒表面的耐磨性，工件的使用壽命顯著縮短。

（2）通過質量統計和分析，發現只有冷擠壓產品在滲碳熱處理后，出現次表層硬度偏低的現象，而熱加工鍛造產品基本上沒有。對熱處理之前的冷擠壓鍛件進行金相組織檢查[3]，較多的齒輪產品表面存在脫碳現象，而且脫碳層深度深淺不一。對等溫退火處理后的鍛坯，隨機抽取了五只樣件進行檢查。檢查結果顯示，鍛坯表面的都有不同程度的氧化脫碳層。在工件等溫退火處理之前，鍛坯棒料外圓已經過5mm以上的切削加工，因此可以確定，齒輪表層脫碳層是在等溫退火處理過程中產生的。

（3）試樣經滲碳熱處理淬回火，進行金相組織及有效硬化層深度檢測[4]。齒輪鍛坯的脫碳層越深，滲層內分布的塊狀鐵素體組織越多，鐵素體帶寬度越長，在滲層內的硬化層深度梯度越陡（見圖2）。

表2 冷擠壓鍛坯滲碳處理后檢查統計表

4 技術改進

（1）原等溫退火設備采用的井式爐，由于密封性能差，爐溫分布不均勻，工件表面脫碳層難以消除，無法保證齒輪鍛坯產品的表面質量。經過多次論證后，改用自動控制的多用箱式爐進行齒輪冷擠壓鍛坯的等溫退火處理[5]。多用箱式爐配備反饋控制系統和程序控制系統，爐氣成分壓力穩定性得到保證。不但可以提高加熱設備的節能性能，爐膛整體的密封性能，爐溫的均勻性。而且能夠保證爐內碳勢完全可以控制，避免了工件表面脫碳層的產生，等溫退火處理工藝見圖3。

（2）為了確保冷擠壓坯料加工成型，工件表面在不允許嚴重脫碳的同時，而且不能發生增碳現象。對于增碳現象的問題，已經形成了成熟的加工工藝及質量控制系統。少量的脫碳對滲碳淬回火過程影響不大，經多次反復試驗確定，冷擠壓坯料的脫碳層深度必須控制在0.15mm以下。這樣的冷擠壓坯料經熱處理加工成形后的齒輪產品，基本上消除滲層內塊狀鐵素體的缺陷組織。

（3）為了進一步提高齒輪冷擠壓坯料的表面質量，在使用氣氛自動控制的多用箱式爐基礎上，試采用先進的脈沖換氣真空電阻爐，對齒輪冷擠壓坯料進行等溫退火處理。同時對甲醇等保護氣氛介質的質量嚴加控制，并采用真空并且充氮換氣的方法，杜絕了冷擠壓坯料的表面脫碳層現象。

圖3 等溫退火工藝

5 驗證效果

（1）齒輪產品經過工藝試驗和理化檢測合格后，進行批量生產加工，熱處理過程控制的檢測結果表面，滲層內的塊狀鐵素體組織完全消除。而且冷擠壓坯料表面質量也得到了很大的提高，坯料的折疊、皺折、缺料等表面缺陷的發生機率，由原來的0.8%降低為0.2%，明顯提高產品的合格率。

（2）由于及時對缺陷的產品進行分析和重新工藝試驗，并采用了積極有效的防范和改進措施，齒輪產品的質量得到大幅度的提升。2012年6月至2013年底，經過近一年半時間的實際生產運行，產品質量一直都保持穩定。據生產部門統計，從開始實施新工藝到目前為止，為公司增加經濟效益達200多萬元。這項改進的新工藝，得到多家大型配套廠家的認可和贊同。

參考文獻

[1]馬鵬飛，等.熱處理技術[M].北京：化學工業出版社，2008.

[2]張玉庭.熱處理技師手冊[M].北京：機械工業出版社，2005.

[3]資格鑒定委員會.金相檢驗[M].上海：上海科普出版社，2003.

[4]戴雅康.金相力學性能試驗[M].上海：上海科普出版社，2003.

[5]馬永杰.熱處理工藝方法[M].北京：化學工業出版社，2008.