表面脫碳對滲碳淬火工藝的影響

文/王佳佳·上海汽車變速器有限公司

本文主要針對某項目擋位結合齒在工藝開發試制過程中，發現了表面非馬氏體組織缺陷，分析與鍛坯表面脫碳有較大關系，通過幾種脫碳試驗結果對比，確定了表面脫碳對滲碳熱處理工藝的影響，對鍛件表面脫碳技術要求的制定具有參考意義。

由國內某公司研發的7 速TST 雙離合器變速箱綜合傳動效率達到94%，最高效率達到97%，具有最佳的燃油經濟性，同時讓消費者擁有優越的駕車體驗，換擋時間低于0.2s。該變速器齒軸類零件采用冷熱復合結合鍛造、低壓真空滲氮等自動化生產工藝，本文以六七擋結合齒為例，零件外貌如圖1 所示，對工藝試驗中出現的齒部非馬氏體組織成因進行分析，制定相應措施。

問題描述

圖1 六七擋結合齒零件外貌

工藝開發試驗階段，滲碳淬火后對齒部理化進行檢測，發現齒部外緣出現大量黑色非馬氏體組織如圖2 所示，與此同時，其他整體式結合齒也有類似情況出現，主要工藝流程為溫鍛→等溫退火→冷精整→機加工→滲碳淬火，結合齒部位在冷精整成形后，不經過后續機加工處理，直接進行滲碳淬火，發現非馬氏體組織的同時，表面硬度和滲層深度也低于下限值。

圖2 六七擋結合齒非馬氏體組織形貌

問題分析

利用魚骨質量分析方法，對該質量問題進行剖析如圖3 所示，由原熱鍛+車外徑工藝流程轉變為溫鍛+不車外徑，其鍛造工藝存在變更情況，分析認為表面脫碳對非馬氏體組織的形成是問題的關鍵。

圖3 “人機料法環測”質量分析

鍛件在熱鍛成形和正火過程中，鋼材中頻快速加熱后，鍛件整體溫度快速上升，一旦達到材料Ac1溫度附近，鍛件表面便逐漸形成脫碳。脫碳與化學成分、加熱溫度、保溫時間、碳的金相形式、環境氣氛等都有很大關系。表面脫碳分為全脫碳和半脫碳，在奧氏體化過程時，全脫碳后零件表面形成鐵素體單相區，而半脫碳擴散層呈梯度分布，過冷后形成穩定的鐵素體和珠光體組織，脫碳越嚴重，珠光體量越少。

脫碳過程中，氧原子在工件表面聚集，并沿奧氏體晶界向晶內擴散，而合金元素則由晶內向晶界、由內層向表層擴散并與氧結合形成氧化物，脫碳中氧化物主要分布在晶界上，其含量由表層向內層逐漸減少。后續滲碳淬火、冷卻時由于合金元素貧化，奧氏體轉變為托氏體、貝氏體等非馬氏體，表面無法有效形成馬氏體，這些表面出現的非馬氏體組織在滲碳淬火后表現為硬而脆，容易導致成品零件表面強度不足，從而形成尺寸上的缺失和嚙合間隙過大。

非馬氏體組織是由內氧化的貧合金化元素導致而形成。一旦形成此類組織，其后果是降低表面硬度和耐磨性以及疲勞極限，并由晶粒邊界或氧化物的應力集中區域，萌生細微裂紋，并向更深的地方延伸。材料為S-20MnCrSH，化學成分見表1，產品外形如圖4 所示。

圖4 六七擋結合齒零件圖形

表1 S-20MnCrSH 化學成分(wt%)

解決問題的方法及結果驗證

根據現場試制中反饋的缺陷，預處理工藝進行了七個產品工藝試驗。利用增加鍛造溫度和中頻加熱時間的方式，使產品表面脫碳達到上公差0.1mm 左右，觀察熱后理化檢測結果與毛坯狀態對應情況，溫鍛成坯后對表面脫碳進行檢測，如圖5 所示。

圖5 溫鍛成坯后表面脫碳情況(100×)

因溫鍛+無氧化正火+冷精整工藝特點，產品結合齒部位精整后不經過機加工，所以齒部的表面脫碳尤為關鍵，檢測部位均為結合齒齒面，對冷精整后的表面脫碳進行檢測，如圖6 所示。經過金屬流動，齒頂和齒面表面脫碳被有效拉長堆積至齒根位置。

圖6 冷精整后表面脫碳情況(100×)

冷精整后，產品進入機加工和滲碳淬火，對七件殘留體進行特別跟蹤。對表面硬度、心部硬度、滲層深度和表面非馬氏體組織各項進行分別檢測，與進熱處理前進行對比。利用原始不同深度的脫碳層零件，與進熱處理后的數據對比發現，表面脫碳層深的零件在熱處理后的非馬氏體組織厚度更大，表面硬度更易低于技術要求值，見表2。

通過該驗證試驗，檢測發現熱處理后產品表面均出現非馬氏體組織，如圖7 所示，且根據表面脫碳層深度呈現正比關系，而一旦出現非馬氏體組織后，所有工序均已完成，該問題的出現將造成產品報廢，非馬氏體組織通過強噴/氣噴工藝后有所改善，但難以全部消除，且極易造成表面毛刺的產生，影響產品質量，需要根據實際情況制定有效措施進行改善。

圖7 進熱處理后零件表面非馬氏體組織情況

表2 試驗檢測數據

結果驗證：當毛坯加熱過程中，溫度高于600℃后，零件表面將容易出現表面脫碳，加熱時間越長或加熱溫度越高，表面脫碳值越大。經過冷精整后，結合齒齒面經過塑性變形拉伸后，脫碳將減少，受到擠壓后，脫碳將增加。經過滲碳淬火，非馬氏體組織因脫碳存在而出現，表面硬度將低于正常值，脫碳層越大，滲層深度越小，非馬氏體組織深度越大。

實際生產中，對于已出現非馬氏體組織的產品，且厚度≥0.03mm，強化噴丸工藝可有效消除表面非馬氏體組織，但易造成產品表面粗糙度問題，且影響產品尺寸，需綜合考慮后實施。在強化噴丸生產中應根據具體技術要求進行鋼丸和參數的調整，以減少產品表面非馬氏體組織厚度，減少質量問題導致的損失。

制定措施

針對驗證的結果，對預防零件表面脫碳問題進行了措施制定。

在中頻爐加熱分區中，由原先的模塊1 和模塊2加熱，模塊3 保溫更改為模塊1 關閉，模塊2 和模塊3 加熱，達到始鍛溫度，如圖8、圖9 所示。并且鍛造溫度由1040 ～1050℃下降為1020 ～1030℃。

圖8 中頻爐加熱分區

圖9 中頻爐分區電流設定

在鍛造環節，坯料表面預涂石墨濃度由4%～5%增加到5%～7%，通過水分儀測量實際濃度，并進行每班記錄，如圖10 所示。

圖10 水分儀測定石墨濃度

以氮氣充滿爐膛，通入丙烷作為富化氣，控制碳勢值，保證爐膛內處于無氧狀態，保護產品不受脫碳問題影響，碳勢由0.1%wtC 提升至0.2%wtC。

措施同時進行，如表3 所示，對零件熱處理前，表面脫碳進行過程控制，將零件表面脫碳控制到≤0.05mm，進熱后零件表面消除了非馬氏體組織如圖11 所示，表面硬度和滲層深度滿足技術要求，同時獲得了較理想的心部硬度，且重復性良好。

結論

表面脫碳對滲碳過程中非馬氏體組織的形成有直接影響，碳和合金元素的缺失將影響奧氏體向馬氏體轉變時的有效性，奧氏體將轉變為托氏體、貝氏體等非馬氏體，表面脫碳層越大，滲層深度越小，非馬氏體組織厚度越大。

表3 改進措施

圖11 零件表面消除了非馬氏體組織

⑴非馬氏體組織的形成將降低表面硬度和耐磨性以及疲勞極限，并由晶粒邊界或氧化物的應力集中區域，萌生細微裂紋，并向更深的地方延伸，對產品性能有重大影響，應完全避免和預防。

⑵強化噴丸工藝可有效消除表面非馬氏體組織，但易造成產品表面粗糙度問題，在實際生產中應根據具體技術要求進行鋼丸和參數的調整，以減少產品表面非馬氏體組織厚度。

⑶結合齒位置的脫碳在塑性變形中將拉伸和破壞，隨著金屬流動堆積在齒根位置，應將全脫碳層深度控制在≤0.05mm 范圍內，否則將極易導致結合齒位置的非馬氏體組織。

⑷可以通過設定合理的中頻加熱模塊、降低鍛造溫度、增加石墨濃度和增加預處理過程中的碳勢保護等措施，減少表面脫碳的增加。