20CrMnTi鋼齒輪殘余奧氏體異常分析及解決方案

劉洪波,高 力,羋志杰,李紅印,鄒 鵬,陳炳欣

(弗迪動(dòng)力有限公司齒輪工廠, 河南 安陽(yáng) 455000)

由于低壓真空滲碳和高壓氣淬熱處理在滲碳精度、無(wú)晶間氧化和控制零件變形方面較傳統(tǒng)氣氛滲碳更具優(yōu)勢(shì),使其在汽車(chē)零部件制造、機(jī)械及航空航天零部件制造領(lǐng)域[1-3]得到廣泛應(yīng)用。新能源汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速相比于傳統(tǒng)燃油汽車(chē)大幅提高,已高達(dá)上萬(wàn)轉(zhuǎn)。因此,對(duì)新能源汽車(chē)用齒輪和軸承等關(guān)鍵零部件的精度及可靠性也提出了更高的要求。某進(jìn)口多加熱室自動(dòng)化真空低壓滲碳生產(chǎn)線主要用于工廠內(nèi)部新能源汽車(chē)精密齒輪的滲碳熱處理生產(chǎn)。其附帶的Infracarb工藝模擬系統(tǒng)可以根據(jù)所處理工件的材質(zhì)和有效硬化層深度要求進(jìn)行模擬強(qiáng)滲和擴(kuò)散脈沖數(shù)目及時(shí)長(zhǎng)。基于生產(chǎn)工件所用材質(zhì)淬透性和淬火工藝的不同,有效硬化層深度檢測(cè)結(jié)果與模擬值差異在5%以內(nèi)。

1 熱處理生產(chǎn)及檢測(cè)

1.1 化學(xué)成分

齒輪工件所用材料為20CrMnTiH鋼,其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 20CrMnTiH鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

1.2 熱處理技術(shù)要求

20CrMnTiH鋼齒輪真空低壓滲碳熱處理技術(shù)要求見(jiàn)表2。

1.3 真空低壓滲碳+高壓氣淬熱處理工藝

采用真空低壓滲碳和高壓氣淬對(duì)20CrMnTiH鋼齒輪進(jìn)行熱處理。其中低壓滲碳包含多脈沖強(qiáng)滲(通入高純乙炔)和擴(kuò)散(平衡氣體高純氮?dú)?。圖1為真空低壓滲碳熱處理工藝示意圖。

20CrMnTiH鋼齒輪滲碳結(jié)束后進(jìn)行15～20 bar的高壓淬火處理。根據(jù)工件的不同大小和結(jié)構(gòu),通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和淬火壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)淬火強(qiáng)度的改變。近期生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)熱處理后工件存在表面局部發(fā)白現(xiàn)象。每爐發(fā)白工件都集中在工裝兩端,有一定規(guī)律性。通常工件經(jīng)真空滲碳、高壓氣體淬火和低溫回火后表面為淡黃色。為找出工件發(fā)白的原因,保證工件質(zhì)量,對(duì)其發(fā)白部位進(jìn)行金相組織觀察和硬度檢測(cè)。

1.4 硬度檢測(cè)

圖2為20CrMnTiH齒輪工件熱處理后抽檢的表層硬度分布曲線。其中1#工件淬火溫度為950 ℃, 2#工件為淬火溫度為870 ℃。

圖2 不同淬火條件下表面硬度分布曲線Fig.2 Hardness profiles of the case under different quenching condition

由圖2可知,表面顏色正常的齒輪工件,其硬度隨距表面距離的增加而逐漸降低,并且硬度降低速度<40 HV1/0.1 mm,距離表面0.05 mm處的硬度為710.5 HV1,轉(zhuǎn)換為洛氏硬度為60.2 HRC,符合技術(shù)要求。由1#工件的硬度曲線可知,在距表面不大于0.2 mm時(shí),硬度值在505～640 HV1之間,遠(yuǎn)低于技術(shù)要求值660～750 HV1;距表面大于0.2 mm時(shí),硬度分布與表面顏色正常工件硬度分布趨勢(shì)很接近。由此可見(jiàn),發(fā)白部位硬度低于正常值只存在于近表層很淺的區(qū)域內(nèi),即所謂的低頭現(xiàn)象。由2#工件的硬度曲線可以看出,在距離表面不大于0.1 mm時(shí),硬度出現(xiàn)低頭現(xiàn)象;距離表面大于0.1 mm時(shí),硬度分布表現(xiàn)出正常的硬度梯度。

1.5 顯微組織分析

采用蔡司Axio Vert.A1光學(xué)顯微鏡對(duì)熱處理后20CrMnTiH齒輪進(jìn)行金相組織觀察,表面顏色正常工件的組織為少量殘余奧氏體和回火馬氏體,如圖3所示,按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25744[4]評(píng)級(jí)為1級(jí),符合技術(shù)要求。

圖3 正常表面組織Fig.3 Normal surface microstructure

圖4為870 ℃淬火處理后20CrMnTiH齒輪工件發(fā)白部位的金相組織。由圖4(a)可知,表層發(fā)白的組織與內(nèi)層有明顯的分界線,殘余奧氏體層深約為46 μm;由圖4(b)可知,白層為粗大殘余奧氏體組織,按標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)達(dá)6級(jí)以上,嚴(yán)重超差。

(a)100×;(b)500×

圖5為950 ℃淬火后20CrMnTiH齒輪工件發(fā)白部位的金相組織。由圖5(a)可知,表層發(fā)白組織與內(nèi)層有明顯的分界線,層深約為179 μm,較870 ℃淬火工件表面白層深得多。由此可見(jiàn),高溫下真空滲碳工件吸收活性碳原子能力遠(yuǎn)高于低溫,這也是滿足同等硬化層深度要求下高溫真空低壓滲碳時(shí)間較短的主要原因。由圖5(b)可知,齒輪工件表面白層為粗大殘余奧氏體組織,且表面存在大尺寸碳化物,按標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)達(dá)6級(jí)以上,嚴(yán)重超差。

(a)100×;(b)500×

眾所周知,殘余奧氏體數(shù)量的多少能夠反映出材料硬度的高低,而金相檢測(cè)殘余奧氏體層深度分布與圖2所示硬度曲線正好吻合。由此可見(jiàn),工件發(fā)白部位表面硬度低主要是表層殘余奧氏體量過(guò)多造成的。通常單相奧氏體耐腐蝕性能高于回火馬氏體,工件表層由于大量殘余奧氏體的存在,導(dǎo)致這些區(qū)域的耐腐蝕性和抗氧化性高于金相組織正常的區(qū)域,從而使這些區(qū)域在回火后出現(xiàn)發(fā)白現(xiàn)象。

2 生產(chǎn)過(guò)程異常分析與討論

通過(guò)多爐次觀察20CrMnTiH齒輪工件發(fā)白位置,發(fā)現(xiàn)工件發(fā)白部位朝向工裝外側(cè)。齒輪的齒頂角和齒面殘余奧氏體量過(guò)多是飽和碳濃度過(guò)高造成的。為找出造成工裝兩端產(chǎn)品出現(xiàn)齒面局部碳濃度過(guò)高的原因,我們分析相關(guān)爐次的工藝參數(shù)及滲碳淬火過(guò)程記錄曲線均未發(fā)現(xiàn)異常。推測(cè)可能是設(shè)備原因?qū)е庐a(chǎn)品局部發(fā)白。工件進(jìn)出加熱室由轉(zhuǎn)運(yùn)通道內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)料車(chē)來(lái)完成,料車(chē)上安裝一個(gè)兩端敞開(kāi)的隔熱屏。滲碳工藝結(jié)束后,內(nèi)部轉(zhuǎn)運(yùn)料車(chē)自動(dòng)開(kāi)啟移動(dòng)到相應(yīng)的加熱室將工件搬出,隨后轉(zhuǎn)運(yùn)至氣淬室。因各加熱室到氣淬室距離不同,轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間需要9～12 s。對(duì)加熱室內(nèi)膽與加熱室水冷壁之間的乙炔工藝管道進(jìn)行檢漏,發(fā)現(xiàn)多處漏氣點(diǎn)。當(dāng)多個(gè)加熱室工作時(shí),乙炔進(jìn)入加熱室之前會(huì)通過(guò)漏點(diǎn)進(jìn)入轉(zhuǎn)運(yùn)通道。由于通道內(nèi)壓力和溫度均低于加熱室,因此泄漏的乙炔會(huì)積存在通道里。

由于通道內(nèi)積存有乙炔,在出爐后轉(zhuǎn)運(yùn)至氣淬室過(guò)程中工裝兩端的工件最先和通道內(nèi)積存的乙炔接觸,高溫工件在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中表面會(huì)吸附乙炔分解出的活性碳原子,在短時(shí)間內(nèi)形成二次強(qiáng)滲碳。因物料進(jìn)入氣淬室后6 s以內(nèi)開(kāi)始高壓氣淬,導(dǎo)致表面因二次滲碳吸收的大量碳原子來(lái)不及擴(kuò)散而僅固溶于表層很淺的區(qū)域內(nèi)。同時(shí)由于淬火溫度高,淬火后表層高度飽和的碳使表層產(chǎn)生大量殘余奧氏體,這也是造成圖4和圖5中顯示的殘余奧氏體層與次表層正常組織有明顯的分界線,而不是隨深度的增加組織呈現(xiàn)出漸變趨勢(shì)的原因。

工件表層存在大量殘余奧氏體導(dǎo)致齒面硬度降低和齒輪接觸疲勞強(qiáng)度降低。齒面產(chǎn)生大量殘余奧氏體,在磨齒過(guò)程中殘余奧氏體在砂輪磨削熱和磨削力作用下發(fā)生轉(zhuǎn)變,導(dǎo)致齒面產(chǎn)生磨削裂紋造成重大質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)[5-6]。因此,為保證產(chǎn)品質(zhì)量,避免乙炔通過(guò)管道泄漏進(jìn)入轉(zhuǎn)運(yùn)通道尤為必要。通過(guò)修復(fù)乙炔漏氣點(diǎn),經(jīng)過(guò)多爐次生產(chǎn)觀察,未發(fā)現(xiàn)發(fā)白現(xiàn)象。對(duì)工裝兩端工件進(jìn)行金相組織觀察和硬度檢驗(yàn)跟蹤亦未發(fā)現(xiàn)異常,保證了產(chǎn)品質(zhì)量,降低報(bào)廢率,為企業(yè)創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)論與建議

二次滲碳淬火后20CrMnTiH齒輪工件表面產(chǎn)生大量殘余奧氏體是導(dǎo)致其局部發(fā)白和表面硬度偏低的主要原因。

通過(guò)對(duì)設(shè)備乙炔管道接口檢漏和修復(fù)改善,避免了較多的乙炔泄漏進(jìn)入轉(zhuǎn)運(yùn)通道,解決了工件淬火后表面殘余奧氏體超標(biāo)的問(wèn)題。