淺談滲碳齒輪的金相檢驗(yàn)

樊超，韓江

（寶雞法士特齒輪有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 722409）

引言

齒輪是機(jī)械制造中最常見的傳動(dòng)件之一，它具有傳動(dòng)平穩(wěn)、沖擊小、傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)。一般齒輪的材質(zhì)用調(diào)質(zhì)鋼即可，對(duì)于重載齒輪要進(jìn)行滲碳淬火工藝來提高它的強(qiáng)度。生產(chǎn)滲碳齒輪的工藝路線為：下料→鍛造→正火→機(jī)加工→熱處理→精加工。齒輪在熱處理后要進(jìn)行金相檢測(cè)，金相檢測(cè)是對(duì)零件內(nèi)部材質(zhì)的分析過程。它也是滲碳齒輪生產(chǎn)過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

1 工藝分析

齒輪零件的材質(zhì)一般選用低碳合金滲碳鋼，如 20Cr MnTi、20CrMnMo、20CrNi3等，此類材質(zhì)含碳量在0.2%左右，經(jīng)過滲碳工藝后表層含碳量能達(dá)到0.8%～1.0%，從表層向里，含碳量逐漸降低，大約到距表面1.5mm左右位置，含碳量接近原始材質(zhì)。滲碳零件在淬火后表面能得到高碳馬氏體，心部得到低碳馬氏體，因此齒輪的表面有高的硬度耐磨性，而心部保持良好的韌性和足夠的強(qiáng)度。

齒輪零件滲碳淬火后的金相檢驗(yàn)包括為質(zhì)量把而進(jìn)行的質(zhì)量檢測(cè)和為工藝分析而進(jìn)行的金相分析。

2 制樣

齒輪類零件在進(jìn)行金相檢驗(yàn)前應(yīng)進(jìn)行金相試樣制作，首先是切割取樣，取樣可用氣割、砂輪切割等方法，但最好的取樣方法是采用線切割工藝。檢測(cè)滲碳淬火試樣應(yīng)在齒輪上縱向切割取樣，為保證能保留完整的齒形，應(yīng)切下兩個(gè)齒，齒根往下還需留 2mm的余量。取下的樣品再?gòu)凝X寬中部橫向切割，一分為二，選其中端面平整的一個(gè)試樣進(jìn)行制樣、檢測(cè)。制樣應(yīng)經(jīng)過磨平、粗磨、細(xì)磨和拋光，磨制好的試樣應(yīng)清洗干凈并用吹風(fēng)機(jī)吹干。

3 質(zhì)量檢測(cè)

3.1 金相組織

將制備好的金相試樣用4%的硝酸酒精腐蝕10秒鐘，在金相顯微鏡下觀測(cè)金相組織，其表面滲碳層組織應(yīng)該為高碳馬氏體和少量殘余奧氏體，不合格的金相組織有網(wǎng)狀碳化物、粗大馬氏、過量的殘余奧氏體等；心部應(yīng)該為板條馬氏體，不合格的心部組織有粗大的鐵素體。

3.2 表面硬度

齒面是齒輪最重要的工作面，因此測(cè)試表面硬度應(yīng)在齒面上進(jìn)行，由于輪齒的結(jié)構(gòu)形狀限制，被測(cè)表面和支持面都不是平面，因此不能直接測(cè)試，需要對(duì)試樣進(jìn)行細(xì)致的測(cè)量、切割、等復(fù)雜的制樣過程，使被測(cè)面與齒面測(cè)試力的法線平行，制樣難度大，不便于實(shí)施，因此，齒輪的表面硬度一般在其它表面進(jìn)行替代測(cè)試，如輪齒的端面，如果齒頂較寬，也可以在齒頂進(jìn)行測(cè)試。表面硬度測(cè)試一般用洛氏硬度計(jì)。滲碳淬火、回火后的零件及試樣表面硬度應(yīng)該在 HRC58-63之間算合格品。

3.3 心部硬度

滲碳淬火試樣的心部硬度也是采用洛氏硬度計(jì) HRC標(biāo)尺進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試前將試樣的測(cè)試面和背面在拋光機(jī)上輕輕地拋磨，以去掉表層的殘質(zhì)及邊緣的毛刺。心部硬度的測(cè)試位置在齒形中心線上，齒高二分之一處進(jìn)行，低碳鋼滲碳淬火后的心部硬度一般為HRC30-45。

3.4 有效硬化層深的測(cè)試

將制作的金相試樣測(cè)試面進(jìn)行細(xì)致拋光，不進(jìn)行任何腐蝕，放在顯微硬度計(jì)工作臺(tái)上，采用加載1Kg力進(jìn)行硬度測(cè)試，從試樣的邊緣開始，每隔一定距離測(cè)試一個(gè)硬度值，記錄測(cè)試距離及硬度值，直至硬度值低于標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的有效硬化層深臨界硬度值，便可停止測(cè)試，然后用插入法計(jì)算出有效硬化層深度值。有效硬化層深的測(cè)試位置在齒形試樣的齒面中部進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試面垂直于試樣表面。

除此之外的其它檢測(cè)項(xiàng)目，如碳濃度、硬度梯度、非馬氏體可依據(jù)相關(guān)圖紙、標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)要求進(jìn)行檢測(cè)。

4 金相分析

滲碳件的金相檢測(cè)，不僅是產(chǎn)品質(zhì)量把關(guān)的質(zhì)量檢驗(yàn)。在實(shí)際生產(chǎn)中還擔(dān)負(fù)著熱處理工藝分析、設(shè)備調(diào)試、參數(shù)調(diào)整等重任。在滲碳過程中由于工藝不當(dāng)或設(shè)備故障最容易出現(xiàn)滲碳層不足的缺陷。

4.1 試樣退火

為檢驗(yàn)齒輪零件的滲碳情況，實(shí)驗(yàn)室采用對(duì)滲碳、淬火試樣進(jìn)行等溫退火獲得平衡組織進(jìn)行顯微觀測(cè)。其方法為將試樣放入裝有硼砂的試樣盒內(nèi)，在電阻爐中等溫退火，在860度加熱至心部，然后再降溫至650保溫一個(gè)小時(shí)，隨后降至室溫。對(duì)退火后的試樣進(jìn)行重新磨制，首先對(duì)檢測(cè)面磨下去2mm以上，再進(jìn)行精磨和拋光，最后用4%的硝酸酒精腐蝕10秒鐘并吹干，進(jìn)行檢測(cè)。

4.2 金相組織分析

在顯微鏡下觀測(cè)制作好的試樣，正常的滲碳組織從表面到心部為：滲碳體+珠光體 珠光體 珠光體+鐵素體，其中滲碳體+珠光體叫過共析層，珠光體+鐵素體叫亞共析層。非正常的滲碳組織其滲碳層中從表面到心部都有鐵素體的析出，參考Fe-C合金相圖共析點(diǎn)分析，說明其滲碳層亞共析金相組織，最高碳含量低于 0.77%，全部滲碳層都達(dá)不到共析點(diǎn)的碳含量以至于滲碳層中沒有過共析層，這種情況叫做滲碳亞共析。亞共析滲層在淬火后達(dá)不到要求的硬化層深和表面硬度，降低零件的耐磨性和疲勞強(qiáng)度。通過對(duì)亞共析組織的金相分析，技術(shù)人員可以判斷滲碳過程的不足之處并制定出合理地返修工藝。

4.3 亞工析分析

根據(jù)亞共析嚴(yán)重程度可分為四種情況，第一種：從試樣表面開始析出少量鐵素體，到滲層中部時(shí)鐵素體量逐漸增多，它反映了零件表層碳含量偏低，這是亞共析最輕微的一種情況；第二種：從試樣表面開始析出零星鐵素體，向里逐漸增多，直至心部組織，它反映了零件滲碳層碳含量偏低，第三種：從試樣表面開始析出大量鐵素體，向里逐漸減少，大約到1/3層深處鐵素體析出量逐漸增多，直至心部組織。它反映了零件表層碳含量嚴(yán)重偏低；第四種：從試樣表面開始析出大量鐵素體，向里逐漸增加，直至心部組織。它反映了零件整個(gè)滲碳層碳含量嚴(yán)重偏低，是最嚴(yán)重的一種情況。

如下圖示意：

圖1

這四種情況分別反映出滲碳過程的四種不足，第一種情況反映滲碳擴(kuò)散期碳勢(shì)不足；第二種情況反映滲碳強(qiáng)滲期碳勢(shì)不足；第三種情況反映整個(gè)滲碳過程碳勢(shì)偏低；第四種情況反映滲碳強(qiáng)滲期碳勢(shì)嚴(yán)重偏低。

針對(duì)亞共析的不同嚴(yán)重程度，對(duì)亞共析組織定出以上四個(gè)級(jí)別，大大有利于技術(shù)人員對(duì)滲碳工藝過程的分析和制定零件返修措施。

5 結(jié)語

本文講述了滲碳齒輪金相檢驗(yàn)的基本情況，實(shí)際生產(chǎn)中具體的檢測(cè)項(xiàng)目和方法還必須按照相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品技術(shù)要求，對(duì)金相組織的級(jí)別進(jìn)行評(píng)定，對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行判定。