脫碳層對(duì)27MC5半軸齒輪冷鍛質(zhì)量影響的研究

李蔭現(xiàn)，李衛(wèi)民

（1.江蘇飛船股份有限公司；2.泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電技術(shù)學(xué)院，江蘇 泰州 225300）

伴隨著模具工業(yè)的進(jìn)步，直接用冷壓機(jī)進(jìn)行冷擠成形齒輪，可以提高齒輪的精度等級(jí)，增強(qiáng)齒輪的外觀美感，對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的提升具有重要作用。

半軸齒輪選材是27MC5，該材料主要化學(xué)成份（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)%）為：C：0.23-0.29，Si：0.10-0.40，Mn：1.10-1.40,Cr：1.00-1.30，P：≤0.030，S：0.025-0.040，Al：0.015-0.040，Cu：≤0.30，Ti：≤0.01。該齒輪加工工藝線路為：原材料→棒料→等溫退火→磨削→冷鍛成磨菇狀（冷鍛坯）→等溫退火→冷擠成形→機(jī)加工→滲碳、淬火、低溫回火→精加工。

1 脫碳問題的產(chǎn)生

在對(duì)滲碳、淬火、低溫回火后的SL半軸齒輪進(jìn)行檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)半軸齒輪容易破碎，嚴(yán)重影響齒輪的使用性能及壽命。針對(duì)這個(gè)問題，雖然采用了多種方法進(jìn)行修復(fù)處理，但都無(wú)法消除，是一個(gè)頑癥。一旦存在這種“頑癥”，半軸齒輪就得報(bào)廢，經(jīng)濟(jì)損失非常大[1]。

如圖1所示為滲碳、淬火、低溫回火后報(bào)廢的半軸齒輪外觀形貌及金相組織，從圖中可以看出：按照從外部到內(nèi)部的順序，1處組織為細(xì)小的回火馬氏體M回+微量殘余奧氏體Ar，該處硬度為62～65HRC，是硬度最高的“表面”；2處組織為大量的鐵素體F，該處硬度為26-29HRC，是硬度最低的“中間層”；3處為低碳板條狀馬氏體M+極少量鐵素體F，該處硬度為42-45HRC，是較硬的“心部”[2]。

圖1 齒輪外觀形貌及金相組織

2 脫碳問題的分析

在冷擠成形半軸齒輪進(jìn)行滲碳、淬火、低溫回火熱處理之前，我們進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)有些齒輪存在脫碳現(xiàn)象，而且脫碳層深淺不一。我們選取了五只不同脫碳層深度的冷擠成形半軸齒輪（如表1所示）進(jìn)行了跟蹤試驗(yàn)。

表1 不同脫碳層深度的半軸齒輪

圖2 不同脫碳層深度的半軸齒輪滲碳、淬火、回火后金相組織（×80）及齒頂向下硬度分布曲線（F—鐵素體分布區(qū)域、S—鐵素體區(qū)域?qū)挾?、HV—維氏硬度值）

圖2所示為5件齒輪樣品經(jīng)滲碳、淬火、低溫回火后的金相組織，由圖中可以發(fā)現(xiàn)，半軸齒輪1齒頂向下有大量的鐵素體F組織，出現(xiàn)鐵素體F的寬度為0.35 mm；半軸齒輪2齒頂向下有很多的鐵素體F組織，出現(xiàn)鐵素體F的寬度為0.25 mm；半軸齒輪3齒頂向下有較多的鐵素體F組織，出現(xiàn)鐵素體F的寬度為0.16 mm；半軸齒輪4齒頂向下有少量的鐵素體F組織，出現(xiàn)鐵素體F的寬度為0.10 mm；半軸齒輪5齒頂向下沒有鐵素體F組織，金相組織呈現(xiàn)正常狀態(tài)。

脫碳層的深淺直接影響到鐵素體F組織的寬度及其有無(wú)。冷鍛坯的脫碳層越深，滲碳、淬火、低溫回火后，其鐵素體F組織分布就越多、越寬，對(duì)產(chǎn)品的使用性能及壽命的影響就越嚴(yán)重[3]。

3 脫碳問題的改進(jìn)

脫碳是鋼件在加熱時(shí)與周圍氣氛中的氧發(fā)生氧化而形成的，脫碳的過(guò)程實(shí)際上是鋼件內(nèi)部的碳向外界擴(kuò)散的過(guò)程。半軸齒輪冷鍛坯的等溫退火工藝，是滴加少量的甲醇作保護(hù)氣氛，而其脫碳過(guò)程，相當(dāng)于冷鍛坯內(nèi)部的碳向外界擴(kuò)散，同時(shí)甲醇高溫分解析出的活性碳原子，由表及里向冷鍛坯內(nèi)部擴(kuò)散，當(dāng)活性碳原子向內(nèi)擴(kuò)散的速度大于或等于冷鍛坯內(nèi)部的碳向外界擴(kuò)散的速度，冷鍛坯就不會(huì)脫碳，脫碳層的深淺與這兩者擴(kuò)散的速度相關(guān)聯(lián)[1]。

通過(guò)以上分析，可以從以下幾個(gè)方面來(lái)控制脫碳層深度：

（1）合理選擇冷鍛坯等溫退火工藝

圖3 半軸齒輪冷鍛坯等溫退火工藝

圖3為半軸齒輪冷鍛坯等溫退火工藝曲線。半軸齒輪冷鍛坯進(jìn)爐升溫（入爐后，抽真空換氮?dú)馍郎兀?h后及到溫時(shí)各換一次氮?dú)?。每次換氣把爐內(nèi)氣壓抽至-0.05MPa～-0.09 MPa，氮?dú)饧兌取?9.95%）→高溫均熱（780℃，4h）→隨爐降溫→等溫（700℃，4h）→隨爐降溫（溫度下降≤25℃/h）→溫度≤500℃時(shí)，出爐空冷。

通過(guò)在升溫加熱過(guò)程中把爐內(nèi)抽成真空（除去爐內(nèi)的氧），然后充入高純氮?dú)庑纬烧龎哼M(jìn)行保護(hù)，從而達(dá)到減少脫碳層深度的目的。該冷鍛坯退火工藝經(jīng)多次驗(yàn)證，能有效控制脫碳層深度，保證齒輪冷擠成型質(zhì)量[3]。

（2）針對(duì)冷鍛坯內(nèi)部的碳向外界擴(kuò)散速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于活性碳原子向內(nèi)擴(kuò)散的速度所造成的脫碳現(xiàn)象，其原因經(jīng)多次試驗(yàn)、分析，總結(jié)如下：

1）等溫退火設(shè)備老化，密封性能差，空氣中的氧進(jìn)入；2）保護(hù)介質(zhì)——甲醇的還原性降低，高錳酸鉀試驗(yàn)時(shí)間≤5min，達(dá)不到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

可以從設(shè)備、保護(hù)氣氛等方面著手，來(lái)解決這個(gè)問題，具體解決措施如下：

1）冷鍛產(chǎn)品的棒、坯料改用先進(jìn)設(shè)備——脈沖真空電阻爐（換氣真空電阻爐）進(jìn)行退火；2）對(duì)甲醇這類保護(hù)氣氛介質(zhì)的質(zhì)量嚴(yán)加控制，并采用真空（充氮換氣）的方法來(lái)逐漸取代。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)半軸齒輪冷鍛坯等溫正火工藝進(jìn)行改進(jìn)，更新等溫退火設(shè)備，采用脈沖真空電阻爐；采用真空（充氮換氣）的方法來(lái)取代甲醇保護(hù)介質(zhì)，能有效控制脫碳層深度，保證齒輪產(chǎn)品質(zhì)量，有效提高整體經(jīng)濟(jì)效益。