嚙合套表面碳化物消除工藝方法研究

秦鵬濤，丁福明，王俊杰，牟海龍

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 寶雞 722408）

前言

嚙合套在使用過程中主要承受沖擊載荷，所以嚙合套需要高的抗彎曲疲勞強度。為了滿足使用要求，在滲碳淬火后必須保證硬化層深、表面組織級別、表面硬度及尺寸滿足工藝、圖紙要求。

生產過程中出現表面碳化物級別超差、層深合格的工件需要返工處理，返工處理需要保證層深、變形量合格，并消除表面碳化，為了解決此難題，對其消除表面碳化物的工藝方法進行了研究，制定出了合理的工藝方案。

1 現狀

目前嚙合套加工設備選用井式氣體滲碳爐（如圖1 所示），滴注劑選用甲醇、煤油兩種有機液體組成，甲醇為稀釋劑，煤油為滲碳劑。爐內碳勢采用自動控制，滲碳過程中氧探頭連續檢測碳勢，檢測結果反饋至滲碳氣氛智能數顯可編程碳勢控制儀（如圖2 所示），根據檢測結果自動調整，達到工藝要求的設定值。

圖1 井式氣體滲碳爐

圖2 碳勢控制儀

2 原因分析

嚙合套按生產工藝（如圖3 所示）加工后，檢測表面碳化物級別超差（如圖4 所示）。經過分析，判定造成碳化物級別超差的原因為爐內實際碳勢偏高，超過設定值所致。

圖3 嚙合套生產工藝曲線

圖4 表面碳化物金相組織 500×

2.1 技術要求及檢測結果如表1 所示

表1 技術要求及檢測結果

2.2 確認爐內碳勢

準備定碳鋼箔進行定碳試驗，空爐設定碳勢為1.1% C，碳勢達到設定值后保溫0.5 h，碳勢穩定后將準備好的鋼箔放入爐內（40～60）min 后取出測重，通過定碳試驗實測爐內碳勢為1.5% C，試驗數據如表2 所示。

表2 實驗數據

測量鋼箔碳含量計算方法：

式中：

C1——試驗驗后鋼箔實際測定的含碳量，單位：%C；

C0——實驗前鋼箔實際測定的含碳量，單位：%C；

W1——試驗后鋼箔的重量；

W0——試驗前鋼箔的重量。

經過計算C1=1.49% C，C2=1.51% C，C3=1.51% C。

根據定碳結果，計算出實際應采用的PF 值，修正PF 參數，再進行上述定碳試驗方法，試驗實測爐內碳勢1.1% C與設定值1.1% C 一致。

3 制定實驗方案

3.1 消除碳化物的方法

嚙合套采用滲碳后直接淬火的工藝方法，工件表面含碳量高于淬火溫度下奧氏體中碳的最大固溶度時，淬火后表面會形成碳化物。消除碳化物的方法有以下三種；（1）高溫加熱擴散后再淬火[1]。這是根據擴散第二定律D=D0e-ED/RT，擴散系數D與溫度T成指數關系的原理，晶界的粗大碳化物或塊狀碳化物，向晶內、向表層深處和向表面外進行強烈擴散，使碳的分布趨于均勻，從而消除粗大網狀碳化物；（2）提高淬火溫度，增大奧氏體中碳的最大固溶度[2]；（3）在低的碳勢氣氛中再擴散一段時間，重新淬火[1]。

3.2 實驗方案

根據消除碳化物的方法，制定三種工藝方案，具體方案如下：

方案一：880 ℃擴散，815 ℃淬火，如圖5 所示。

圖5 方案一工藝曲線

方案二：840 ℃重新加熱淬火，如圖6 所示。

圖6 方案二工藝曲線

方案三：815 ℃重新加熱，降低碳勢進行擴散，再淬火，如圖7 所示。

圖7 方案三工藝曲線

3.2 實驗工件準備

選用同爐碳化物級別超差的嚙合套30 件，三種方案各10件，檢測跨棒距尺寸，檢測結果如表3 所示。

表3 跨棒距尺寸

4 實驗結果分析

根據上述實驗方案實驗，對實驗結果進行分析。

4.1 方案一實驗結果

880 ℃加熱，表面碳化物擴散，使表面碳含量分布均勻，同時控制加熱時間，防止向內部擴散，導致層深超差，理化指標檢測結果如表4 所示，表面碳化物如圖8 所示，跨棒距尺寸檢測結果如表5 所示。

表4 方案一理化檢測結果

圖8 表面碳化物金相組織 500×

表5 方案一跨棒距檢測結果

方案一處理后，工件硬化層深1.35 超技術要求上限，表面碳化物級別4 級，不符合技術要求，其余理化指標均合格；跨棒距尺寸均合格，1 件橢圓超差。

4.2 方案二實驗結果

840 ℃重新加熱淬火，增大奧氏體中碳的最大固溶度，理化指標檢測結果如表6 所示，表面碳化物如圖9 所示，跨棒距尺寸檢測結果如表7 所示：

表6 方案二理化檢測結果

表7 方案一跨棒距檢測結果

圖9 表面碳化物金相組織 500×

方案二處理后，表面碳化物級別4 級，不符合技術要求，其余理化指標均合格；跨棒距尺寸及橢圓均合格。

4.3 方案三實驗結果

815 ℃重新加熱，降低碳勢進行擴散，再淬火，理化指標檢測結果如表8 所示，表面碳化物如圖10 所示，跨棒距尺寸檢測結果如表9 所示。

圖10 表面碳化物金相組織 500×

表8 方案二理化檢測結果

表9 方案一跨棒距檢測結果

方案三處理后，表面碳化物級別2 級，符合技術要求，其余理化指標也均合格；跨棒距尺寸及橢圓均合格。

5 結論

（1）降低碳勢進行擴散，再淬火的工藝方案，既可以保證理化指標合格，同時變形量較小，方案合理。

（2）提高淬火溫度，增大奧氏體中碳的最大固溶度的工藝方案可以消除很少部分碳化物，在碳化級別超差不嚴重的情況下可以采用該方案。

（3）采用高溫加熱擴散后再淬火的工藝方案，需要合理設定保溫時間，進行充分擴散降低表面含碳量，同時需要考慮層深及變形量超差的風險。