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差速器齿轮渗碳淬火缺陷原因 分析及对策【经验分享】

差速器齿轮渗碳淬火的质量缺陷大致可分为:外观缺陷(氧化、锈蚀),硬度、有效硬化层不合格(硬度高、硬度低、硬度不均匀,有效硬化层深、有效硬化层浅),金相组织缺陷(马氏体、碳化物、心部组织级别超标、表层非马超标),热处理变形(缩孔、锥度、圆度及畸变),下面就齿轮渗碳淬火生产中常见的质量缺陷,进行影响因素分析及补救对策实施阐述。


一、外观缺陷

(1)表面氧化
产生原因可能是热处理炉密封差而导致漏气,另外还有可能是渗碳介质纯度不够(含有水分)。防范措施即为检查炉子密封性和提高渗碳介质纯度。

(2)表面锈蚀、污物、金属瘤
产生原因可能是进炉前零件没有彻底清洗干净,热处理前机加工时切削液不合格,没有清洗干净。零件表面沾有碎切屑,热处理加热过程中熔化粘结于零件表面。防范措施即为采用弱碱性清洗液对进炉前零件进行认真彻底清洗,确保进炉前零件的清洁度。


二、有效硬化层深度、表面硬度、心部硬度缺陷

(1)有效硬化层深度又叫淬硬层深度,一般用显微硬度计检测,从表面一直测至界限硬度处的直线距离;而渗碳层深是指渗碳层的深度,一般用金相法来检测,合金渗碳钢从表面测至过渡区。因零件的渗碳层深仅指对合金钢渗入碳的深度,是齿轮热处理生产中的一个过程指标,不能很好地反映齿轮的热处理最终结果,故正规的技术文件,大多以有效硬化层深度作为零件热处理后的检测、考核指标。

有效硬化层深度缺陷又分以下两种情况:
第一种是有效硬化层深度浅,产生的原因可能是:原材料的淬透性差、端淬值低;淬火冷却介质的冷却能力差;渗碳保温时间短、强渗及扩散期的碳浓度低,导致渗碳层深度不够;渗碳炉的有效加热区的温度分布不均匀,导致不同区域零件渗碳层深度不够。相应防范措施为:调换淬透性好、端淬值高的原材料;调换冷却能力好的淬火冷却介质或加大淬火冷却介质容量,增加搅拌功能;延长渗碳保温时间,提高强渗及扩散期的碳浓度,使渗碳层深度合格;检测渗碳炉有效加热区的温度均匀性,使各零件的渗碳层深度稳定、统一,达到技术要求。

第二种是有效硬化层深度深,产生的原因可能是:原材料的淬透性太好、端淬值太高;渗碳保温时间太长、强渗及扩散期的碳浓度太高,导致渗碳层深度明显超上差。相应防范措施为:调换淬透性比较合适的原材料;调整合适的渗碳保温时间及强渗和扩散期的碳浓度,确保渗碳层深度合格。

(2)表面硬度缺陷主要含表面硬度高和表面硬度低两种表现形式。
①表面硬度高,产生的原因可能是:渗碳时碳浓度太高,淬火温度太高,回火温度低、时间短。其防范措施为:调整合适的渗碳碳浓度、合适的淬火温度、合适的回火温度及回火时间。

②表面硬度低,产生的原因可能是:渗碳时碳浓度太低,残留奥氏体过多;回火温度过高、时间过长,表面产生氧化。其防范措施为:在渗碳碳浓度不足的情况下,提高渗碳气氛碳势;选用淬透性好、端淬值高的原材料;调整在冷却能力强的淬火冷却介质中淬火;在残留奥氏体过高的情况下,进行深冷处理;查找造成氧化的原因,采取相应措施。

(3)心部硬度缺陷主要含心部硬度高和心部硬度低两种表现形式。
①心部硬度高,产生的原因可能是:原材料的端淬值太高,淬火温度太高,还有可能是有效硬化层深超上限导致。其防范措施为:调整合适端淬值的原材料和淬火温度,加强渗碳层深度的检验,避免连锁的质量缺陷。

②心部硬度低,产生的原因可能是:原材料的端淬值太低,淬火温度太低,冷却设备或淬火冷却介质的冷却能力太差。防范措施:选用合适端淬值的原材料、合适的淬火温度,调换冷却能力好的淬火冷却介质或增加搅拌功能。



三、热处理金相组织缺陷

热处理金相组织缺陷主要指低碳合金钢经渗碳淬火后出现的马氏体、碳化物、心部组织等级别超标不良和表层的非马氏体组织深度超标。

(1)低碳合金钢渗碳淬火后,马氏体应不大于4级,最好3级以内,应为隐晶或细针状马氏体加少量残留奥氏体,不允许出现粗针马氏体。马氏体级别超标原因可能是渗碳温度太高,渗碳时间太长,淬火温度过高,冷却速度过快。防范措施:调整合适的渗碳温度、时间、淬火温度和冷却速度。

(2)碳化物级别不良,碳化物应不大于4级,最好3级以内。热处理后碳化物应分布均匀,不允许出现连续网状、针状和角状过共析碳化物。其产生原因可能是:渗碳过程中渗碳气氛的碳势过高或渗碳时间过长。防范措施:降低渗碳气氛的碳势,压缩渗碳时间,调整渗碳强渗期和扩散期的比例。

(3)心部组织不良,心部组织应不大于3级,最好2级以内。热处理后心部组织应为低碳马氏体或下贝氏体加少量游离铁素体,不允许出现大量块状、网状或针状铁素体。心部组织超标又分仅心部出现粗大的板条状马氏体,以及沿晶断续分布的条块状铁素体,属原始锻造残留组织,可能是原材料轧制或锻造过程中温度不均匀、变形量不足造成的。另外,从轮齿表面至心部全部出现粗大组织,属于较严重的过热组织,产生原因可能是渗碳温度过高,渗碳时间长,加热保温时间过长。防范措施:选用合适的渗碳温度、渗碳时间及加热保温时长。

(4)表层非马氏体组织超标,渗碳淬火件的表层非马氏体组织,包括表面脱碳形成的铁素体、表层沿晶界形成的托氏体或部分钢中形成的贝氏体。其产生原因可能是内氧化,造成渗层表面含碳量下降而产生,一般要求控制在0.02mm以内。而造成内氧化的原因可能是渗碳介质不纯,也或是强渗区渗碳时碳势过高,调整碳势时通入空气量过大。防范措施即为:采用纯度较高的丙酮、甲醇或经净化的天燃气作为渗碳介质。调整强渗区渗碳时的碳势时,建议通入氮气替代空气,以杜绝内氧化而出现的表层非马氏体超标。


四、热处理变形缺陷

热处理变形是指在热处理过程中出现的零件内孔收缩、椭圆、锥度等,有的是可测量、数据化的缺陷,有的是无法测量、数据化的无规律畸变缺陷。对于热处理后不再加工的差速器半轴齿轮的花键孔和精锻齿齿面,热处理变形会使花键齿和精锻齿的渐开线齿形失去精度。花键孔缩孔、锥度严重时,会影响安装使用;精锻齿的渐开线齿形畸变时影响齿轮的接触印痕、啮合传动精度。热处理变形是一个非常复杂、影响因素极多、困扰企业产品质量的棘手问题,现就常见因素逐一描述。

(1)原材料的影响
原材料的淬透性是影响热处理变形大小的关键因素,要想减小零件的热处理变形,应尽量选用淬透性不太好即端淬值较低的原材料。

原材料的化学成分、带状组织和晶粒度等级,对热处理变形的影响也不可忽视。符合国标的原材料,因化学成分中各元素的质量分数范围比较宽泛,热处理变形是很不稳定的,为了使化学成分对热处理变形的影响可控,各企业必须根据各自产品的特点,与钢厂协商制定各自的企业标准。带状组织的存在使钢材的组织不均匀,影响钢材性能,形成各向异性,热处理时钢材容易变形,因此对于带状组织必须明确要求,轧材带状组织级别应不大于3级,等温退火状态下带状组织级别应不大于2.5级,奥氏体晶粒度应不小于7级。

原材料的Ms点即为马氏体转变的起始温度,是奥氏体和马氏体两相自由能之差,达到相变所需的最小驱动力时的温度。Ms点主要决定于钢材的化学成分、合金元素、合金元素种类、奥氏体化温度、保温时间长短、冷却速度,所以选取Ms点较低的原材料,有利于控制热处理变形。

(2)锻造及预热处理的影响
锻造时合理的锻造比、成形系数、恒定的锻造温度范围,可减少锻件的组织偏析,使组织更加均匀,有利于减少后续渗碳淬火时的变形。为了消除锻造应力、均匀细化组织、稳控硬度差范围,建议锻件必须严格按等温正火工艺进行预热处理。

(3)装炉方式的影响
对于薄壁套类或壁厚不均匀的零件,若采用横担串装(见图1)方式,会出现明显的圆度,再加上零件的薄壁处相对于其他部位缩孔更为明显,综合起来变形就更为严重。

为减小更为复杂的变形,最好采用立式串装(见图2)或增添防变形套方式(见图3),以减小热处理变形,尤其是防变形套的运用,若防变形套尺寸调整合适,即防变形套外径与内花键小径预留间隙适当,热处理后的零件几乎没有缩孔变形。

图  1


图  2

图  3


(4)机加工表面粗糙度及带有内花键零件拉花键时的拉削方向的影响
差速器半轴齿轮拉花键的内孔表面粗糙度会影响热处理时的变形,若表面粗糙度太差,零件的内应力就会增大,热处理时内孔收缩就明显。另外拉削内花键时,拉刀的拉削量、拉削速度及拉削后花键表面粗糙度,都会直接影响到热处理时花键孔的变形程度,因此要确保拉花键前的表面粗糙度不大于1.6μm。拉削过程中,应及时修磨拉刀,严禁过度使用,避免出现内花键齿面拉伤、拉毛;合理使用切削液,保证适当的拉削量、拉削速度,以确保拉削后的拉削面表面粗糙度不大于1.6μm。

另外,零件在进行内花键拉削加工时,拉削方向也会影响拉削后花键孔的收缩量,如图4所示拉削时,拉削后测量薄壁端收缩量为0.02~0.03mm,若调整拉削方向,拉削后测量几乎没有收缩量,如图5所示。

图  4

图  5


(5)渗碳淬火工艺的影响
零件在热处理过程中渗碳时的加热温度、加热时间、淬火温度,均影响到变形的大小,且变形大小与上述三个参数成正比。因此,在满足零件热处理其他要求前提下,尽量降低渗碳时的加热温度、加热时长和淬火温度。另外,为了压缩渗碳时长、提高生产效率,可采用催渗工艺,既可提高产能,又能减小热处理变形。

(6)淬火冷却介质的影响
对于热处理时易变形的工件建议采用等温淬火油,这样可将热处理变形控制在一定范围内;对于不易变形的工件、大型零件,可以采用快速淬火油。


五、结束语

热处理的各种缺陷受相关因素影响太多,有的缺陷可能同时受多个因素的综合影响,所以只能做些方向性的论述,实际生产中,必须借助“三现”原则具体分析,采取相应措施,提升热处理的质量,减少缺陷数量或降低关键缺陷的严重度,为降低质量成本而不懈努力。

参考文献:略。

作者:孟江涛

单位:洛阳华冠齿轮股份有限公司

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