碳氮共滲工藝造成齒輪失效的環節誤區

饒命

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1 序言

齒輪常用的加工工藝為：低碳合金鋼材料經模鍛成形、正火、銑齒機加工、表面化學處理，最后齒面精加工完成。齒輪在表面化學處理方式中，又多用碳氮共滲或滲碳淬火工藝。

2 碳氮共滲工藝

（1）碳氮共滲相對于滲碳淬火的優點

1）比滲碳淬火溫度低，一般為820～860℃，齒變形小。

2）共滲溫度低，馬氏體針細小，不宜過熱，可直接淬火。

3）外表干凈光潔，表面不易形成炭黑。

4）相對于滲碳淬火具有更高的耐磨性和疲勞強度。

5）抗咬合性能更優。

（2）碳氮共滲相對于滲碳淬火的缺點

1）由于有氮的滲入，大大降低齒輪材料的Ms點，淬火后表層殘留奧氏體較多，降低表層硬度及強度。

2）由于滲入溫度低，相對于滲碳工藝時間更長，滲層淺，一般用于輕載荷齒輪[1]。

摩托車齒輪一般為小模數齒輪，滲層要求不超過1.00mm。因此，我公司研發的摩托車齒輪表層化學處理多選用碳氮共滲工藝。

3 失效問題分析

我公司研發的E05變速箱進行臺架耐久試驗，6檔主、從動齒輪出現過多次失效斷裂，運行時間都在50h左右。表現形式為：大部分嚙合齒面出現麻點及片狀剝落，且其中一個齒在剝落處疲勞擴展斷裂，如圖1～圖3所示。該齒輪材料為20Cr2Ni4，最終熱處理工藝為碳氮共滲處理。

齒輪麻點及片狀剝落都屬于接觸應力疲勞范疇，產生的原因主要有以下幾個因素：

1）齒形齒向尺寸精度偏差、偏載、過載。

2）潤滑不當。

圖1 齒嚙合面片狀剝落宏觀形貌

圖2 齒面缺陷處的微觀形貌（100×）

圖3 斷裂從動齒疲勞源宏觀形貌

3）表面軟基層（脫碳等）。

4）表層碳化物超標。

5）原材料不純凈，夾雜物較多。

E05變速箱進行了4次臺架耐久試驗。第一批試制齒輪經過了300h臺架耐久試驗后，表面完好無損。后三批齒輪經臺架耐久試驗，一次都沒有通過，大多在50h、60h時就發生擴展性麻點剝落，乃至斷裂。第一批齒輪與后面幾批齒輪都為相同的20Cr2Ni4材料。最終熱處理工藝也為碳氮共滲處理。

經過多次失效分析，排除了潤滑不足、偏載、鍛造折疊、材料缺陷等造成早期失效的原因。第一批齒輪與后批未過臺架耐久試驗的齒輪經金相對比檢測、滲層層深、表層碳化物、馬氏體級別、滲層硬度梯度及非金屬夾雜物等都未發現有質的差別。觀察經4%HNO3酒精侵蝕的齒輪金相樣件，在0.20mm范圍內白相區比例較大，殘留奧氏體相對較多，如圖4所示。后經其中一批齒輪調整熱處理淬火溫度，結合深冷處理，在臺架耐久試驗過程中，還是在幾十個小時后出現相同的失效模式。

第一批齒輪的外表顏色呈黑色，而失效齒輪表面比較潔凈光亮，如圖5所示。這種現象一般與兩齒輪熱處理溫度及碳、氮比例差別有關。

經前后幾批齒輪表面成分進行對比檢測，后批齒輪件表層氮含量較高，碳含量反而較低，見表1。

圖4 失效齒輪表層組織形貌（100×）

圖5 第一批齒輪與后期齒輪表面顏色對比

二、三、四批失效斷裂齒輪表面wN在0.7%～1.0%，wC＜0.55%。結果表明該三批齒輪表層為以滲氮為主、滲碳為輔的氮碳共滲工藝。而第一批齒輪表面wN在0.25%左右，wC約0.65%，該齒輪表層成分符合碳氮共滲處理的工藝。

又經第一、二批齒輪樣件在550℃加熱保溫30min后，經顯微維氏硬度檢測。第一批齒輪件距表面0.10mm處硬度為408HV1。而第二批齒輪距表面0.10mm處硬度為524HV1。而試驗前距表面0.10mm處硬度都在660HV1左右，這個試驗結果更進一步證實兩批齒輪件表面熱處理存在差異。后批齒輪具有氮碳共滲工藝的一些特點。氮碳共滲是低溫處理工藝，表面具有一定的熱硬性，因此在550℃回火，表層硬度下降幅度相對于第一批齒輪件較小，而第一批齒輪件經過這樣的高溫回火，等同于進行了一次調質處理，因此硬度下降明顯。

表1 前后幾批齒輪表面化學成分（質量分數）對比 （%）

4 分析結果

根據實際檢測結果分析造成這種現象的原因，是氮碳共滲的結果。第一批齒輪件為兩次淬火，由于當時為初試階段，產品較少，與其他零件“配搭”進行熱處理，碳氮共滲后直接油冷再800℃加熱淬火，這樣做的零件經過了臺架試驗測試過程。

而后批上量齒輪為了做得更好（防止齒輪變形及后序淬火過熱），具體工藝為：在碳氮氣氛中850℃左右共滲處理，再隨爐緩冷至室溫，最后重新800℃加熱淬火。顯然失效齒輪表面氮含量高、碳含量低，是在共滲處理緩冷至室溫環節出了問題，隨爐冷卻過程中，爐內還保持有碳、氮氣氛，如圖6所示[1]。隨著溫度的降低，氮在鋼中的溶解度越高，最終形成表面氮含量高、碳含量低的結果，實際上表層進行了一次不完整的氮碳共滲。最后二次淬火（保溫時間較短），表面還保持有高氮勢特點。

圖6 共滲溫度對零件表面碳氮比例的影響

碳氮共滲齒輪滲層的碳濃度需要由表向里平緩下降，這樣硬化層與心部結合更牢固。碳氮共滲齒輪零件希望表面有大的殘余壓應力，且要求隨著深度的變化平緩，將有利于提高疲勞強度及抗彎強度[1]。而后批齒輪件卻并非這種特點，表面碳含量低、氮含量高。結合其隨爐緩冷到室溫的時間加上金相檢測的情況，在約0.20mm深度范圍內的白色區域，應都存在這種現象。表面由于N元素的改性，由外到內的比容變化并非一個遞減規律，這樣讓表層沒有大的殘余壓應力，表面也就無法具有高的疲勞強度。另外，由于表層氮含量高，雖然耐磨，但韌性差，在高應力交變載荷的臺架耐久試驗過程中，綜合因素形成片狀及麻點剝落，最終在剝落處疲勞擴展斷裂。

碳氮共滲工藝由于氮的滲入（降低A1、Acm點），相對于滲碳淬火溫度低，不宜過熱，本就可以直接淬火，因此只要共滲溫度適當，可直接淬火使用，無需二次加熱淬火。后面齒輪經過重新改進熱處理工藝，去掉隨爐緩冷這個過程，選用直接淬火工藝處理，最終經過了200h臺架耐久試驗的驗證。綜上所述，這種隨爐緩冷的碳氮共滲工藝過程無法滿足齒輪零件實際需求的表面性能。該齒輪臺架試驗早期失效斷裂就是因自身的工藝缺陷所致。