曲軸滲碳淬火后的缺陷分析及工藝改進

■ 張曉陽，齊永豐

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為了提高曲軸的使用壽命，某些生產(chǎn)廠家曲軸材質(zhì)選用滲碳鋼，并對曲軸進行滲碳淬火處理。本文涉及的曲軸技術(shù)要求如下：曲軸采用模鍛成形，材質(zhì)20Cr，滲碳層深度1～1.5mm，表面碳濃度0.8%～0.9%，滲碳淬火后硬度55～60HRC。曲軸如圖1所示，圖中紅色區(qū)域為工作面(該表面需進行滲碳淬火處理)。

原工藝采用滲碳后直接降溫淬火。檢驗過程中發(fā)現(xiàn)硬度在45～50HRC，未達到要求。在噴砂處理過程中，發(fā)現(xiàn)滲碳層局部剝落，表面存在裂紋等現(xiàn)象，如圖2所示。為查找曲軸硬度不足、滲碳層局部剝落、產(chǎn)生裂紋的原因，對其進行了金相組織觀察，對滲碳淬火工藝進行了改進。

圖1 曲軸示意

1. 曲軸滲碳淬火缺陷分析

在滲碳層局部剝落位置取樣（橫截面），進行宏觀形貌觀察，發(fā)現(xiàn)局部幾乎完全剝落的剝離裂紋，裂紋產(chǎn)生在滲碳層與基體過渡區(qū)域，如圖3所示。

圖2 曲軸滲碳淬火后局部剝落

圖3 滲碳層局部剝落

對曲軸進行金相組織觀察，以判定裂紋產(chǎn)生的原因。發(fā)現(xiàn)表面及近表面位置晶粒粗大，并存在大量殘留奧氏體（見圖4），這是曲軸硬度低以及產(chǎn)生裂紋的主要原因之一。滲碳后直接淬火不能細化鋼的晶粒，表面殘留奧氏體較多，硬度較低，表面應(yīng)力較大，容易在噴砂后產(chǎn)生裂紋。

圖4 粗大馬氏體+殘留奧氏體

檢測隨爐滲碳試樣金相組織，表面碳濃度達到1%～1.2%，超出標準范圍。而且過渡層不明顯，如圖5所示。說明在滲碳過程中擴散階段的碳濃度控制出現(xiàn)問題，或擴散階段時間不夠，造成過渡層不明顯。滲層與心部之間濃度突降，必然引起組織的突變，從而引起額外的殘余應(yīng)力，削弱滲層與心部的結(jié)合。裂紋在過渡層位置產(chǎn)生，碳濃度梯度過大是造成滲碳層局部剝落的原因，如圖6所示。

2. 工藝改進

滲碳以及淬火的設(shè)備均采用RJJ-75型井式滲碳爐，滲碳方式采取煤油滴注法，原滲碳淬火工藝為：920℃滲碳，保溫8h（強滲階段滴注煤油90～110滴/min，擴散階段降低煤油滴注速度），隨爐降溫至820℃，保溫0.5h，然后直接淬火（油冷），回火溫度160℃，保溫3h。原滲碳淬火工藝如圖7所示。

之所以產(chǎn)生滲碳淬火缺陷，認為是由晶粒粗大、碳濃度梯度過大造成的，裂紋在過渡層位置產(chǎn)生，噴砂造成的切應(yīng)力作用在強度較低的過共析層與亞共析層的交界處，致使?jié)B碳層剝落。淬火后表層組織為粗針狀馬氏體+殘留奧氏體，這種組織是由于淬火溫度偏高造成的。由滲碳溫度（920℃）降溫至淬火溫度（820℃）后直接淬火，導(dǎo)致表層殘留奧氏體含量較高，滲碳層中的殘留奧氏體會嚴重影響零件的性能，因此殘留奧氏體的量應(yīng)盡可能地控制在一定范圍之內(nèi)。

過渡層占比太小的原因是由滲碳工藝不當造成的，在920℃滲碳8h過程中，煤油滴注的滴數(shù)控制不精確，造成整個滲碳過程一直處于強滲階段，沒有擴散的過程，所以過共析層+共析層比例過大，大于總深度的3/4，說明爐內(nèi)碳勢過高，強滲時間與擴散時間比例選擇不當，因此應(yīng)該降低碳勢，調(diào)整強滲階段與擴散階段的比例。

找到問題產(chǎn)生的原因后，對滲碳工藝進行改進，并要求操作者嚴格按照工藝執(zhí)行。具體工藝為：強滲階段為5h，擴散階段為3h，嚴格控制煤油的滴數(shù)，滲碳結(jié)束后緩冷至880℃吊出放入緩冷坑，冷卻至室溫，改進后的滲碳工藝如圖8所示。然后再加熱至淬火溫度820℃，滴煤油保護（防止脫碳），保溫1h后進行淬火（油冷），淬火后進行回火，回火溫度160℃保溫3h，改進后淬火、回火工藝如圖9所示。

3. 實施情況與總結(jié)

圖5 過渡層組織（100×）

圖6 裂紋產(chǎn)生位置（100×）

圖7 原滲碳淬火工藝

圖8 改進后的滲碳工藝

按照改進后的工藝進行操作，并制作了專用的滲碳淬火料框，在保證最大裝爐量的同時，減小工件變形，確保滲碳均勻性以及淬火的冷卻效果，滲碳淬火料框及工件擺放情況如圖10所示。

滲碳后對隨爐試樣進行檢查，表面碳濃度、滲層深度均達到圖樣要求，滲碳試樣金相組織如圖11～圖14所示。加熱淬火后的表層組織，殘留奧氏體量得到了有效的控制，并使表層的組織得到細化，獲得板條狀馬氏體，碳化物呈細顆粒狀彌散均勻分布，如圖15所示。淬火后心部組織也得到了有效的細化，形成低碳馬氏體。

檢測硬度均達到5 5～60HRC。噴砂處理后檢查工件表面，沒有發(fā)現(xiàn)滲碳層剝落現(xiàn)象。進行著色無損檢測，未發(fā)現(xiàn)裂紋。在后續(xù)磨削過程中，也沒有發(fā)現(xiàn)任何質(zhì)量問題。

4. 結(jié)語

（1）對于材質(zhì)為20Cr的曲軸，滲碳后直接淬火不能細化鋼的晶粒，表面殘留奧氏體較多，硬度較低，表面應(yīng)力較大，容易在噴砂后產(chǎn)生裂紋。過渡層占比太小，碳濃度梯度過大、過陡，導(dǎo)致在噴砂過程中滲碳層剝落。

圖9 改進后的淬火、回火工藝

圖10 滲碳淬火治具及工件擺放情況

圖11 滲碳試樣組織（100×）

圖12 滲碳層組織（500×）

圖13 過渡層組織（500×）

圖14 心部組織（500×）

圖15 淬火后組織（400×）

（2）滲碳后緩冷至室溫，重新加熱淬火+低溫回火后，改善了滲層組織，細化了晶粒，組織逐步由高碳馬氏體加殘留奧氏體過渡到低碳馬氏體，雖增加了生產(chǎn)周期和成本，但可以獲得合格的產(chǎn)品。