差速器齒輪滲碳淬火缺陷原因分析及對策
差速器齒輪滲碳淬火缺陷原因分析及對策
- 2022/9/7 8:47:17
下面就齒輪滲碳淬火生產中常見的質量缺陷，進行影響因素分析及補救對策實施闡述。
一、外觀缺陷
（1）表面氧化產生原因可能是熱處理爐密封差而導致漏氣，另外還有可能是滲碳介質純度不夠（含有水分）。防范措施即為檢查爐子密封性和提高滲碳介質純度。
（2）表面銹蝕、污物、金屬瘤產生原因可能是進爐前零件沒有徹底清洗干凈，熱處理前機加工時切削液不合格，沒有清洗干凈。零件表面沾有碎切屑，熱處理加熱過程中熔化粘結于零件表面。防范措施即為采用弱堿性清洗液對進爐前零件進行認真徹底清洗，確保進爐前零件的清潔度。
二、有效硬化層深度、表面硬度、心部硬度缺陷
（1）有效硬化層深度又叫淬硬層深度，一般用顯微硬度計檢測，從表面一直測至界限硬度處的直線距離；而滲碳層深是指滲碳層的深度，一般用金相法來檢測，合金滲碳鋼從表面測至過渡區。因零件的滲碳層深僅指對合金鋼滲入碳的深度，是齒輪熱處理生產中的一個過程指標，不能很好地反映齒輪的熱處理最終結果，故正規的技術文件，大多以有效硬化層深度作為零件熱處理后的檢測、考核指標。
有效硬化層深度缺陷又分以下兩種情況：第一種是有效硬化層深度淺，產生的原因可能是：原材料的淬透性差、端淬值低；淬火冷卻介質的冷卻能力差；滲碳保溫時間短、強滲及擴散期的碳濃度低，導致滲碳層深度不夠；滲碳爐的有效加熱區的溫度分布不均勻，導致不同區域零件滲碳層深度不夠。相應防范措施為：調換淬透性好、端淬值高的原材料；調換冷卻能力好的淬火冷卻介質或加大淬火冷卻介質容量，增加攪拌功能；延長滲碳保溫時間，提高強滲及擴散期的碳濃度，使滲碳層深度合格；檢測滲碳爐有效加熱區的溫度均勻性，使各零件的滲碳層深度穩定、統一，達到技術要求。
第二種是有效硬化層深度深，產生的原因可能是：原材料的淬透性太好、端淬值太高；滲碳保溫時間太長、強滲及擴散期的碳濃度太高，導致滲碳層深度明顯超上差。相應防范措施為：調換淬透性比較合適的原材料；調整合適的滲碳保溫時間及強滲和擴散期的碳濃度，確保滲碳層深度合格。
（2）表面硬度缺陷主要含表面硬度高和表面硬度低兩種表現形式。①表面硬度高，產生的原因可能是
：滲碳時碳濃度太高，淬火溫度太高，回火溫度低、時間短。其防范措施為：調整合適的滲碳碳濃度、合適的淬火溫度、合適的回火溫度及回火時間。
②表面硬度低，產生的原因可能是：滲碳時碳濃度太低，殘留奧氏體過多；回火溫度過高、時間過長，表面產生氧化。其防范措施為：在滲碳碳濃度不足的情況下，提高滲碳氣氛碳勢；選用淬透性好、端淬值高的原材料；調整在冷卻能力強的淬火冷卻介質中淬火；在殘留奧氏體過高的情況下，進行深冷處理；查找造成氧化的原因，采取相應措施。
（3）心部硬度缺陷主要含心部硬度高和心部硬度低兩種表現形式。①心部硬度高，產生的原因可能是：原材料的端淬值太高，淬火溫度太高，還有可能是有效硬化層深超上限導致。其防范措施為：調整合適端淬值的原材料和淬火溫度，加強滲碳層深度的檢驗，避免連鎖的質量缺陷。
②心部硬度低，產生的原因可能是：原材料的端淬值太低，淬火溫度太低，冷卻設備或淬火冷卻介質的冷卻能力太差。防范措施：選用合適端淬值的原材料、合適的淬火溫度，調換冷卻能力好的淬火冷卻介質或增加攪拌功能。
三、熱處理金相組織缺陷
熱處理金相組織缺陷主要指低碳合金鋼經滲碳淬火后出現的馬氏體、碳化物、心部組織等級別超標不良和表層的非馬氏體組織深度超標。
（1）低碳合金鋼滲碳淬火后，馬氏體應不大于4級，最好3級以內，應為隱晶或細針狀馬氏體加少量殘留奧氏體，不允許出現粗針馬氏體。馬氏體級別超標原因可能是滲碳溫度太高，滲碳時間太長，淬火溫度過高，冷卻速度過快。防范措施：調整合適的滲碳溫度、時間、淬火溫度和冷卻速度。
（2）碳化物級別不良，碳化物應不大于4級，最好3級以內。熱處理后碳化物應分布均勻，不允許出現連續網狀、針狀和角狀過共析碳化物。其產生原因可能是：滲碳過程中滲碳氣氛的碳勢過高或滲碳時間過長。防范措施：降低滲碳氣氛的碳勢，壓縮滲碳時間，調整滲碳強滲期和擴散期的比例。
（3）心部組織不良，心部組織應不大于3級，最好2級以內。熱處理后心部組織應為低碳馬氏體或下貝氏體加少量游離鐵素體，不允許出現大量塊狀、網狀或針狀鐵素體。心部組織超標又分僅心部出現粗大的板條狀馬氏體，以及沿晶斷續分布的條塊狀鐵素體，屬原始鍛造殘留組織，可能是原材料軋制或鍛造過程中溫度不均勻、變形量不足造成的。另外，從輪齒表面至心部全部出現粗大組織，屬于較嚴重的過熱組織，產生原因可能是滲碳溫度過高，滲碳時間長，加熱保溫時間過長。防范措施：選用合適的滲碳溫度、滲碳時間及加熱保溫時長。
（4）表層非馬氏體組織超標，滲碳淬火件的表層非馬氏體組織，包括表面脫碳形成的鐵素體、表層沿晶界形成的托氏體或部分鋼中形成的貝氏體。其產生原因可能是內氧化，造成滲層表面含碳量下降而產生，一般要求控制在0.02mm以內。而造成內氧化的原因可能是滲碳介質不純，也或是強滲區滲碳時碳勢過高，調整碳勢時通入空氣量過大。防范措施即為：采用純度較高的丙酮、甲醇或經凈化的天燃氣作為滲碳介質。調整強滲區滲碳時的碳勢時，建議通入氮氣替代空氣，以杜絕內氧化而出現的表層非馬氏體超標。
四、熱處理變形缺陷
熱處理變形是指在熱處理過程中出現的零件內孔收縮、橢圓、錐度等，有的是可測量、數據化的缺陷，有的是無法測量、數據化的無規律畸變缺陷。對于熱處理后不再加工的差速器半軸齒輪的花鍵孔和精鍛齒齒面，熱處理變形會使花鍵齒和精鍛齒的漸開線齒形失去精度。花鍵孔縮孔、錐度嚴重時，會影響安裝使用；精鍛齒的漸開線齒形畸變時影響齒輪的接觸印痕、嚙合傳動精度。熱處理變形是一個非常復雜、影響因素極多、困擾企業產品質量的棘手問題，現就常見因素逐一描述。
（1）原材料的影響原材料的淬透性是影響熱處理變形大小的關鍵因素，要想減小零件的熱處理變形，應盡量選用淬透性不太好即端淬值較低的原材料。
原材料的化學成分、帶狀組織和晶粒度等級，對熱處理變形的影響也不可忽視。符合國標的原材料，因化學成分中各元素的質量分數范圍比較寬泛，熱處理變形是很不穩定的，為了使化學成分對熱處理變形的影響可控，各企業必須根據各自產品的特點，與鋼廠協商制定各自的企業標準。帶狀組織的存在使鋼材的組織不均勻，影響鋼材性能，形成各向異性，熱處理時鋼材容易變形，因此對于帶狀組織必須明確要求，軋材帶狀組織級別應不大于3級，等溫退火狀態下帶狀組織級別應不大于2.5級，奧氏體晶粒度應不小于7級。
原材料的Ms點即為馬氏體轉變的起始溫度，是奧氏體和馬氏體兩相自由能之差，達到相變所需的最小驅動力時的溫度。Ms點主要決定于鋼材的化學成分、合金元素、合金元素種類、奧氏體化溫度、保溫時間長短、冷卻速度，所以選取Ms點較低的原材料，有利于控制熱處理變形。
（2）鍛造及預熱處理的影響鍛造時合理的鍛造比、成形系數、恒定的鍛造溫度范圍，可減少鍛件的組織偏析，使組織更加均勻，有利于減少后續滲碳淬火時的變形。為了消除鍛造應力、均勻細化組織、穩控硬度差范圍，建議鍛件必須嚴格按等溫正火工藝進行預熱處理。
（3）裝爐方式的影響對于薄壁套類或壁厚不均勻的零件，若采用橫擔串裝（見圖1）方式，會出現明顯的圓度，再加上零件的薄壁處相對于其他部位縮孔更為明顯，綜合起來變形就更為嚴重。
為減小更為復雜的變形，最好采用立式串裝（見圖2）或增添防變形套方式（見圖3），以減小熱處理變形，尤其是防變形套的運用，若防變形套尺寸調整合適，即防變形套外徑與內花鍵小徑預留間隙適當，熱處理后的零件幾乎沒有縮孔變形。
圖 1
圖 2
圖 3
（4）機加工表面粗糙度及帶有內花鍵零件拉花鍵時的拉削方向的影響差速器半軸齒輪拉花鍵的內孔表面粗糙度會影響熱處理時的變形，若表面粗糙度太差，零件的內應力就會增大，熱處理時內孔收縮就明顯。另外拉削內花鍵時，拉刀的拉削量、拉削速度及拉削后花鍵表面粗糙度，都會直接影響到熱處理時花鍵孔的變形程度，因此要確保拉花鍵前的表面粗糙度不大于1.6μm。拉削過程中，應及時修磨拉刀，嚴禁過度使用，避免出現內花鍵齒面拉傷、拉毛；合理使用切削液，保證適當的拉削量、拉削速度，以確保拉削后的拉削面表面粗糙度不大于1.6μm。
另外，零件在進行內花鍵拉削加工時，拉削方向也會影響拉削后花鍵孔的收縮量，如圖4所示拉削時，拉削后測量薄壁端收縮量為0.02～0.03mm，若調整拉削方向，拉削后測量幾乎沒有收縮量，如圖5所示。
圖 4
圖 5
（5）滲碳淬火工藝的影響零件在熱處理過程中滲碳時的加熱溫度、加熱時間、淬火溫度，均影響到變形的大小，且變形大小與上述三個參數成正比。因此，在滿足零件熱處理其他要求前提下，盡量降低滲碳時的加熱溫度、加熱時長和淬火溫度。另外，為了壓縮滲碳時長、提高生產效率，可采用催滲工藝，既可提高產能，又能減小熱處理變形。
（6）淬火冷卻介質的影響對于熱處理時易變形的工件建議采用等溫淬火油，這樣可將熱處理變形控制在一定范圍內；對于不易變形的工件、大型零件，可以采用快速淬火油。
五、結束語
熱處理的各種缺陷受相關因素影響太多，有的缺陷可能同時受多個因素的綜合影響，所以只能做些方向性的論述，實際生產中，必須借助“三現”原則具體分析，采取相應措施，提升熱處理的質量，減少缺陷數量或降低關鍵缺陷的嚴重度，為降低質量成本而不懈努力。