用試棒重量差判斷零件硬化層深度

(東風格特拉克汽車變速箱有限公司，湖北 武漢 430000)

0 引言

低壓真空熱處理是近些年來在熱處理中發(fā)展起來的一項技術，尤其在汽車變速箱、發(fā)動機和航空發(fā)動機等精密齒輪上得到了很好的應用。當前相關設備擁有量的多少已成為衡量一個企業(yè)熱處理技術先進性的重要指標之一。

1 真空熱處理工藝特點

我公司2013年從德國ALD公司引進一條ModelTherm系列低壓滲碳高壓氣淬熱處理生產(chǎn)線，應用于變速箱齒輪和軸的熱處理。工藝應用有如下特點。

1)低壓滲碳， 產(chǎn)品無內氧化脫碳，可提高產(chǎn)品質量；由于滲碳爐在工作狀態(tài)下始終保持低壓(10 mbar以下)，爐內沒有氧氣成分，可防止工件氧化和脫碳，同時氧化物和油脂分解出來的氣體也被真空泵抽走。熔煉時遺留在金屬內的氣體，在負壓狀態(tài)下易從金屬內逸出，其中氫的脫氣效果明顯，從而提高工件的強度和韌性。

2)工件變形小，并且變形均勻；真空熱處理采用對流加熱和輻射加熱相結合，既保證零件的加熱速度，又保證零件加熱均勻性和一致性，降低由于零件里外溫差造成的熱應力和組織應力。滲碳采用脈沖式，保證零件CHD均勻性，可降低淬火變形。

3)高壓氣淬，產(chǎn)品無油漬和氧化皮，可減少清理拋丸工序，保證車間無粉塵。

4)設備無需保護氣氛和廢氣燃燒，無有害氣體排放，保證熱處理車間良好的工作環(huán)境。

2 產(chǎn)品熱處理技術要求及檢測方法

我公司齒輪材料為20 MnCrS5-2，中淬透性低碳合金鋼。采用Getrag標準GCG_805000part2。對材料淬透性也做了特殊要求，具體見表1。

表1 材料淬透性

產(chǎn)品圖紙熱處理要求除了表面硬度、有效硬化層深度、心部硬度、金相組織外，還對零件次表層硬度有特殊要求。

檢測流程：熱處理-零件送檢-檢測零件表面硬度-零件切割-制樣-磨拋-金相組織分析(表層非馬組織分析)-有效硬化層深度檢測(次表層硬度檢測)-心部硬度檢測-檢測報告。整個過程大約需要50 min。

熱處理是特殊工藝，對產(chǎn)品檢驗時需進行破壞性檢測，不僅浪費零件，而且等檢時間較長，影響工序流。以20萬產(chǎn)能為例，熱處理檢測切割零件成本每年大約切割零件約99萬元。

3 采用標準試棒進行熱處理特性檢驗

為解決熱處理金相檢驗浪費以及等待檢驗時間的浪費，我司嘗試了很多方法，包括采用小零件、零件試塊、廢零件等方法，雖然從不同程度上降低了熱處理金相檢驗浪費和等待檢驗時間，但從效果和管理方面，都沒有達到預期的效果。

根據(jù)真空熱處理的特點——低壓滲碳高壓氣淬，不會對零件產(chǎn)生氧化。嘗試用標準試棒來代替零件進行熱處理金相檢驗。

1)試棒材料：在熱處理中，材料對熱處理結果影響很大，特別是低碳合金鋼，材料成分的差異，熱處理結果不同。為使試棒檢驗結果與零件具有可比性和真實性，材料必須和零件一致，并且是同批次。要求毛坯供應商在提供毛坯時，根據(jù)生產(chǎn)計劃，提供一定數(shù)量的同批次標準試棒。

2)試棒形狀及大?。涸邶X輪熱處理中，CHD與齒輪模數(shù)有著線性關系，一般CHD=(0.2-0.4)×m根據(jù)產(chǎn)品不同進行選擇。如采用標準試棒，其形狀大小十分重要。因齒輪多為小模數(shù)齒輪，為選擇合適的熱處理試棒，采用φ20×70標準試棒進行熱處理 。

3)控制方式方法：采用標準試棒結合零件交替檢驗

4 試樣數(shù)據(jù)分析

為得到標準試棒和零件檢測結果之間的差異，我們采集了1 000個試棒和零件之間的數(shù)據(jù)進行對比分析，為保證標準試棒和零件材料的一致性，要求供應商按照零件批次分批制作試棒。抽檢一個同批次的零件和試棒進行材料成分分析，結果如表2所示。

表2 試棒與零件成分檢測結果

通過對1 000個試棒和零件的檢測結果進行統(tǒng)計分析，其檢測結果對比如圖1所示。

圖1 試棒和零件CHD曲線圖

從表2中可以看出，試棒的CHD和零件的CHD差異很小，都在合格范圍以內，并且對CHD偏差進行統(tǒng)計分析，如圖2所示。

圖2 CHD偏差統(tǒng)計分析

產(chǎn)品和試棒的偏差在±0.05占80%，偏差在±0.10占95%。

試棒和零件的表硬度偏差在0.04HRA，基本一致，并且零件與試棒的表面硬度都在中差HRA81，所有沒有風險，具體如圖3所示。

圖3 試棒和零件表面硬度數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過近1 000個零件和試棒的實驗數(shù)據(jù)對比，兩者的熱處理檢測結果基本一致，可以用試棒代替零件進行金相檢驗。

5 試棒重量差判斷零件CHD

1)真空熱處理在低壓狀態(tài)下進行滲碳(<10 mbar)，沒有空氣，不易形成氧化物，零件熱處理后不會形成非馬組織。原理上零件熱處理前后的重量差就是零件增加的碳，通過對試棒的分析以及極限試驗，可得出試棒的重量差與零件CHD之間的對應關系，如圖4和圖5所示。

圖4 試棒重量與齒輪零件CHD曲線

圖5 試棒重量與軸零件CHD曲線

2)通過工藝試驗，做出產(chǎn)品技術要求的極限值所對應的標準試棒重量差，同時統(tǒng)計1 000個試棒的重量差，都在極限范圍內，齒輪和軸的重量差與CHD的上下限的對應關系如表3所示。

表3 試棒重量差與CHD關系

3)針對數(shù)據(jù)分析結果，可采用標準試樣的重量差來判斷零件的CHD以及其他熱處理特性。

從而，在熱處理設備穩(wěn)定和工藝過程正常情況下，可以采用試棒的重量差來判斷零件的CHD，從而實現(xiàn)真空熱處理的無損檢驗。

6 效果

通過采用標準試棒，實現(xiàn)了熱處理特性的無損檢驗，有效的降低了檢驗時間和檢驗成本。

1)檢驗時間：由以前的50 min縮短至現(xiàn)在的5 min。提高工作效率900%。

2)檢驗成本：每年可節(jié)約檢驗成本約98.3萬元。

3)節(jié)能減員：可減少檢驗人員2名，每班1名。

7 結語

采用標準試棒熱處理前后的重量差來判斷零件的熱處理CHD以及熱處理特性，不僅有效降低了熱處理檢驗時間和檢驗成本，還實現(xiàn)了熱處理的無損檢驗。