淺談滲碳齒輪的金相檢驗

樊超，韓江

（寶雞法士特齒輪有限責任公司，陜西 寶雞 722409）

引言

齒輪是機械制造中最常見的傳動件之一，它具有傳動平穩、沖擊小、傳動效率高等優點。一般齒輪的材質用調質鋼即可，對于重載齒輪要進行滲碳淬火工藝來提高它的強度。生產滲碳齒輪的工藝路線為：下料→鍛造→正火→機加工→熱處理→精加工。齒輪在熱處理后要進行金相檢測，金相檢測是對零件內部材質的分析過程。它也是滲碳齒輪生產過程中的一個重要環節。

1 工藝分析

齒輪零件的材質一般選用低碳合金滲碳鋼，如 20Cr MnTi、20CrMnMo、20CrNi3等，此類材質含碳量在0.2%左右，經過滲碳工藝后表層含碳量能達到0.8%～1.0%，從表層向里，含碳量逐漸降低，大約到距表面1.5mm左右位置，含碳量接近原始材質。滲碳零件在淬火后表面能得到高碳馬氏體，心部得到低碳馬氏體，因此齒輪的表面有高的硬度耐磨性，而心部保持良好的韌性和足夠的強度。

齒輪零件滲碳淬火后的金相檢驗包括為質量把而進行的質量檢測和為工藝分析而進行的金相分析。

2 制樣

齒輪類零件在進行金相檢驗前應進行金相試樣制作，首先是切割取樣，取樣可用氣割、砂輪切割等方法，但最好的取樣方法是采用線切割工藝。檢測滲碳淬火試樣應在齒輪上縱向切割取樣，為保證能保留完整的齒形，應切下兩個齒，齒根往下還需留 2mm的余量。取下的樣品再從齒寬中部橫向切割，一分為二，選其中端面平整的一個試樣進行制樣、檢測。制樣應經過磨平、粗磨、細磨和拋光，磨制好的試樣應清洗干凈并用吹風機吹干。

3 質量檢測

3.1 金相組織

將制備好的金相試樣用4%的硝酸酒精腐蝕10秒鐘，在金相顯微鏡下觀測金相組織，其表面滲碳層組織應該為高碳馬氏體和少量殘余奧氏體，不合格的金相組織有網狀碳化物、粗大馬氏、過量的殘余奧氏體等；心部應該為板條馬氏體，不合格的心部組織有粗大的鐵素體。

3.2 表面硬度

齒面是齒輪最重要的工作面，因此測試表面硬度應在齒面上進行，由于輪齒的結構形狀限制，被測表面和支持面都不是平面，因此不能直接測試，需要對試樣進行細致的測量、切割、等復雜的制樣過程，使被測面與齒面測試力的法線平行，制樣難度大，不便于實施，因此，齒輪的表面硬度一般在其它表面進行替代測試，如輪齒的端面，如果齒頂較寬，也可以在齒頂進行測試。表面硬度測試一般用洛氏硬度計。滲碳淬火、回火后的零件及試樣表面硬度應該在 HRC58-63之間算合格品。

3.3 心部硬度

滲碳淬火試樣的心部硬度也是采用洛氏硬度計 HRC標尺進行測試。測試前將試樣的測試面和背面在拋光機上輕輕地拋磨，以去掉表層的殘質及邊緣的毛刺。心部硬度的測試位置在齒形中心線上，齒高二分之一處進行，低碳鋼滲碳淬火后的心部硬度一般為HRC30-45。

3.4 有效硬化層深的測試

將制作的金相試樣測試面進行細致拋光，不進行任何腐蝕，放在顯微硬度計工作臺上，采用加載1Kg力進行硬度測試，從試樣的邊緣開始，每隔一定距離測試一個硬度值，記錄測試距離及硬度值，直至硬度值低于標準所規定的有效硬化層深臨界硬度值，便可停止測試，然后用插入法計算出有效硬化層深度值。有效硬化層深的測試位置在齒形試樣的齒面中部進行測試，測試面垂直于試樣表面。

除此之外的其它檢測項目，如碳濃度、硬度梯度、非馬氏體可依據相關圖紙、標準及技術要求進行檢測。

4 金相分析

滲碳件的金相檢測，不僅是產品質量把關的質量檢驗。在實際生產中還擔負著熱處理工藝分析、設備調試、參數調整等重任。在滲碳過程中由于工藝不當或設備故障最容易出現滲碳層不足的缺陷。

4.1 試樣退火

為檢驗齒輪零件的滲碳情況，實驗室采用對滲碳、淬火試樣進行等溫退火獲得平衡組織進行顯微觀測。其方法為將試樣放入裝有硼砂的試樣盒內，在電阻爐中等溫退火，在860度加熱至心部，然后再降溫至650保溫一個小時，隨后降至室溫。對退火后的試樣進行重新磨制，首先對檢測面磨下去2mm以上，再進行精磨和拋光，最后用4%的硝酸酒精腐蝕10秒鐘并吹干，進行檢測。

4.2 金相組織分析

在顯微鏡下觀測制作好的試樣，正常的滲碳組織從表面到心部為：滲碳體+珠光體 珠光體 珠光體+鐵素體，其中滲碳體+珠光體叫過共析層，珠光體+鐵素體叫亞共析層。非正常的滲碳組織其滲碳層中從表面到心部都有鐵素體的析出，參考Fe-C合金相圖共析點分析，說明其滲碳層亞共析金相組織，最高碳含量低于 0.77%，全部滲碳層都達不到共析點的碳含量以至于滲碳層中沒有過共析層，這種情況叫做滲碳亞共析。亞共析滲層在淬火后達不到要求的硬化層深和表面硬度，降低零件的耐磨性和疲勞強度。通過對亞共析組織的金相分析，技術人員可以判斷滲碳過程的不足之處并制定出合理地返修工藝。

4.3 亞工析分析

根據亞共析嚴重程度可分為四種情況，第一種：從試樣表面開始析出少量鐵素體，到滲層中部時鐵素體量逐漸增多，它反映了零件表層碳含量偏低，這是亞共析最輕微的一種情況；第二種：從試樣表面開始析出零星鐵素體，向里逐漸增多，直至心部組織，它反映了零件滲碳層碳含量偏低，第三種：從試樣表面開始析出大量鐵素體，向里逐漸減少，大約到1/3層深處鐵素體析出量逐漸增多，直至心部組織。它反映了零件表層碳含量嚴重偏低；第四種：從試樣表面開始析出大量鐵素體，向里逐漸增加，直至心部組織。它反映了零件整個滲碳層碳含量嚴重偏低，是最嚴重的一種情況。

如下圖示意：

圖1

這四種情況分別反映出滲碳過程的四種不足，第一種情況反映滲碳擴散期碳勢不足；第二種情況反映滲碳強滲期碳勢不足；第三種情況反映整個滲碳過程碳勢偏低；第四種情況反映滲碳強滲期碳勢嚴重偏低。

針對亞共析的不同嚴重程度，對亞共析組織定出以上四個級別，大大有利于技術人員對滲碳工藝過程的分析和制定零件返修措施。

5 結語

本文講述了滲碳齒輪金相檢驗的基本情況，實際生產中具體的檢測項目和方法還必須按照相關的國家標準、企業標準和產品技術要求，對金相組織的級別進行評定，對檢測結果進行判定。