脱碳层对齿轮产品的影响及控制
摘 要：本文对汽车齿轮产品渗碳热处理后，在渗层中出现的异常组织进行分析，该异常组织为大量条状及块状铁素体，使渗层组织的硬度形成软点，齿轮啮合的承载力降低，同时影响轮齿表面的耐磨性。通过对20CrMnTi钢的依维柯半轴齿轮，从坯料的锻造加工、等温退火处理到渗碳淬回火热处理整个过程，进行检查分析和工艺调整。最终解决了渗层软点及有效硬化層深度的硬度梯度不合理的问题，满足了汽车齿轮的性能要求。
关键词：渗碳处理；渗层软点；硬度梯度
1概述说明
（1）汽车用齿轮，特别是轿车系列的齿轮，由于在高速下运转，轮齿的啮合部位必须具有很高的耐磨性，齿根部位的抗弯曲疲劳的强度要求也非常高。工件表层必须具有较高的耐磨性，心部具有较高的韧性。这就需要对齿轮产品进行表面渗碳的淬回火处理[1]，提高工件表面耐磨性，同时增加心部的强韧性，才能达到齿轮产品的性能和使用要求。
（2）在实际生产过程中发现，轮齿截面齿廓的次表层，出现一层大块状铁素体的白亮色层。这种缺陷组织，对齿轮产品的性能和使用要求影响非常大。其形成的阶段，是由于渗碳淬回火热处理之前，齿轮表面产生氧化脱碳层引起的。了解到脱碳层深度对齿轮热处理产品质量的影响[2]，从锻造加工、等温退火及渗碳热处理等方面着手，有效控制脱碳层深度，保证冷挤压过程产品的质量，以及后期热处理最终产品质量。
2 金相检测
（1）对渗碳淬回火后行星半轴齿轮进行检查，发现齿轮齿顶下的渗碳层内，分布大量块状铁素体的异常组织。金相组进一步检测，外表层组织为细针状高碳马氏体及少量残余奥氏体，该处的硬度经显微硬度检测为61.0、61.5HRC，金相组织和硬度值都在合格要求范围内。渗层内的第二层，组织显示高碳针状马氏体及大量块状铁素体，该处硬度经显微硬度检测为28.0、29.0HRC，金相组织和硬度值都不能满足范围要求（见图1）。
（2）在半轴齿轮的渗层内出现低硬度异常的组织，严重影响工件的使用性能。针对这个问题，我们采用了多种方法，对渗碳淬回火后的产品进行复处理，始终无法完全消除这种缺陷组织。因此一旦在齿轮的表层及次表层，存在大量块状铁素体组织，该齿轮产品就必须报废，由此造成的直接经济损失非常严重。
图1 轮齿横截面（实物） 图2 渗层金相组织（80X）
3 工艺分析
（1）渗层内分布大块状铁素体的组织，这种缺陷产品将会带来的严重后果。首先显著降低齿轮表面的耐磨性，轮齿表面在啮合时，短时间就会发生粘着和胶合，由于摩擦阻力的作用产生温升，使齿轮表面的硬度降低，进一步降低轮齿表面的耐磨性，工件的使用寿命显著缩短。
（2）通过质量统计和分析，发现只有冷挤压产品在渗碳热处理后，出现次表层硬度偏低的现象，而热加工锻造产品基本上没有。对热处理之前的冷挤压锻件进行金相组织检查[3]，较多的齿轮产品表面存在脱碳现象，而且脱碳层深度深浅不一。对等温退火处理后的锻坯，随机抽取了五只样件进行检查。检查结果显示，锻坯表面的都有不同程度的氧化脱碳层。在工件等温退火处理之前，锻坯棒料外圆已经过5mm以上的切削加工，因此可以确定，齿轮表层脱碳层是在等温退火处理过程中产生的。
（3）试样经渗碳热处理淬回火，进行金相组织及有效硬化层深度检测[4]。齿轮锻坯的脱碳层越深，渗层内分布的块状铁素体组织越多，铁素体带宽度越长，在渗层内的硬化层深度梯度越陡（见图2）。
表2 冷挤压锻坯渗碳处理后检查统计表
4 技术改进
（1）原等温退火设备采用的井式炉，由于密封性能差，炉温分布不均匀，工件表面脱碳层难以消除，无法保证齿轮锻坯产品的表面质量。经过多次论证后，改用自动控制的多用箱式炉进行齿轮冷挤压锻坯的等温退火处理[5]。多用箱式炉配备反馈控制系统和程序控制系统，炉气成分压力稳定性得到保证。不但可以提高加热设备的节能性能，炉膛整体的密封性能，炉温的均匀性。而且能够保证炉内碳势完全可以控制，避免了工件表面脱碳层的产生，等温退火处理工艺见图3。
（2）为了确保冷挤压坯料加工成型，工件表面在不允许严重脱碳的同时，而且不能发生增碳现象。对于增碳现象的问题，已经形成了成熟的加工工艺及质量控制系统。少量的脱碳对渗碳淬回火过程影响不大，经多次反复试验确定，冷挤压坯料的脱碳层深度必须控制在0.15mm以下。这样的冷挤压坯料经热处理加工成形后的齿轮产品，基本上消除渗层内块状铁素体的缺陷组织。
（3）为了进一步提高齿轮冷挤压坯料的表面质量，在使用气氛自动控制的多用箱式炉基础上，试采用先进的脉冲换气真空电阻炉，对齿轮冷挤压坯料进行等温退火处理。同时对甲醇等保护气氛介质的质量严加控制，并采用真空并且充氮换气的方法，杜绝了冷挤压坯料的表面脱碳层现象。
图3 等温退火工艺
5 验证效果
（1）齿轮产品经过工艺试验和理化检测合格后，进行批量生产加工，热处理过程控制的检测结果表面，渗层内的块状铁素体组织完全消除。而且冷挤压坯料表面质量也得到了很大的提高，坯料的折叠、皱折、缺料等表面缺陷的发生机率，由原来的0.8%降低为0.2%，明显提高产品的合格率。
（2）由于及时对缺陷的产品进行分析和重新工艺试验，并采用了积极有效的防范和改进措施，齿轮产品的质量得到大幅度的提升。2012年6月至2013年底，经过近一年半时间的实际生产运行，产品质量一直都保持稳定。据生产部门统计，从开始实施新工艺到目前为止，为公司增加经济效益达200多万元。这项改进的新工艺，得到多家大型配套厂家的认可和赞同。
参考文献
[1]马鹏飞，等.热处理技术[M].北京：化学工业出版社，2008.
[2]张玉庭.热处理技师手册[M].北京：机械工业出版社，2005.
[3]资格鉴定委员会.金相检验[M].上海：上海科普出版社，2003.
[4]戴雅康.金相力学性能试验[M].上海：上海科普出版社，2003.
[5]马永杰.热处理工艺方法[M].北京：化学工业出版社，2008.