差速器齿轮渗碳淬火缺陷原因分析及对策
差速器齿轮渗碳淬火缺陷原因分析及对策
- 2022/9/7 8:47:17
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。