齒輪內(nèi)氧化成因及減輕措施

夏遠海，顏培慶，楊 亮，孟傳斌

(煙臺豐東熱技術(shù)有限公司，山東 福山 265500)

滲碳或碳氮共滲過程中的內(nèi)氧化指高溫下含氧氣氛的氧與表層易氧化的合金元素化合成氧化物，并沿晶析出。內(nèi)氧化的實質(zhì)是：在高溫下吸附在零件表面的氧沿奧氏體晶粒邊界擴散，并和與氧有較大親和力的元素(如Ti、Si、Mn、Cr、Al等)發(fā)生氧化反應(yīng)，形成金屬氧化物，造成氧化物附近基體中合金元素的質(zhì)量分數(shù)降低，淬透性變差，滲層中出現(xiàn)黑色組織將降低零件的表面硬度、耐腐蝕性、抗彎疲勞強度和接觸疲勞強度，從而顯著降低零件的使用壽命。本文以20CrMnTi減速驅(qū)動軸上花鍵齒輪內(nèi)氧化工件為例，對其形成原因進行分析并提出改進措施。

1 概況

本文內(nèi)氧化工件為減速驅(qū)動軸上花鍵齒輪，材質(zhì)為20CrMnTi，技術(shù)要求：滲碳淬火回火后淬硬層深度CHD=1.1～1.6 mm，表面硬度58～62 HRC，心部硬度30～45 HRC，依據(jù)GB/T 25744—2010《鋼件滲碳淬火回火金相檢驗》判定，表層組織馬氏體+殘余奧氏體1～4級，碳化物1～2級，心部鐵素體1～3級，內(nèi)氧化≤0.020 mm。在豐東UBE-1000型設(shè)備上生產(chǎn)，該設(shè)備滴入甲醇作為載氣，通入丙烷作為富化氣，用氧探頭測量爐內(nèi)的氧含量，換算成碳勢后進行控制。滲碳淬火工藝如圖1所示。爐溫低于設(shè)定溫度齒輪進爐，淬火后3 h內(nèi)進行回火，回火工藝為(175±5) ℃×3 h。該產(chǎn)品生產(chǎn)百余爐，內(nèi)氧化層深(5點平均)為0.017～0.019 mm。但客戶提高檢測要求，要求內(nèi)氧化層深(5點平均)≤0.015 mm。

圖1 零件滲碳、淬火工藝Fig.1 Carburizing and quenching process of the parts

2 結(jié)果及分析

2.1 內(nèi)氧化層

滲碳淬火回火后零件內(nèi)氧化圖片如圖2所示，內(nèi)氧化層深平均為0.018 mm，超出最新檢測要求。

圖2 零件表面內(nèi)氧化Fig.2 Internal oxidation of the part surface

2.2 淬硬層深度及金相組織

淬硬層深度分別為：1.256、1.249和1.264 mm。淬硬層深度合格。

零件金相組織如圖3所示，依據(jù)GB/T 25744—2010《鋼件滲碳淬火回火金相檢驗》判定，表層組織M：4級、A：3級、C：1級，心部F：2級。金相組織合格。

(a)表面；(b)心部圖3 零件金相組織(a) surface; (b) coreFig.3 Microstructure of the part

2.3 內(nèi)氧化原因分析及改善對策

零件內(nèi)氧化原因主要有：富化氣C3H8中含雜質(zhì)(如硫)的含量偏高；保護氣氛CH3OH中H2O含量偏高；零件表面的有嚴重氧化皮、銹斑；爐子的密封性不好，O2進入；爐氣碳勢恢復(fù)慢；產(chǎn)品熱處理工藝不完善[1-2]。

減輕內(nèi)氧化的對策主要有：提高富化氣C3H8的純度，減少雜質(zhì)(如硫)的含量；降低CH3OH中H2O含量；檢查零件表面質(zhì)量，無嚴重氧化皮、銹斑；檢查熱處理爐的密封性，防止空氣進入；盡快提高爐氣碳勢；完善產(chǎn)品熱處理工藝，適當(dāng)改變載氣，適當(dāng)縮短熱處理工藝時間，降低溫度等[1-2]。

3 改進措施

經(jīng)檢查C3H8雜質(zhì)含量及CH3OH中H2O含量均不超標(biāo)，爐子的密封性很好，零件表面的無氧化皮和銹斑，曲線顯示爐氣碳勢恢復(fù)較快。通過適當(dāng)調(diào)整熱處理工藝減輕產(chǎn)品的內(nèi)氧化，以滿足客戶要求。改進后的滲碳、淬火工藝如圖4所示。

(a)工藝A；(b)工藝B圖4 改進后滲碳、淬火工藝(a) process A; (b) process BFig.4 Carburizing and quenching process after improved

采用改進后滲碳、淬火工藝進行熱處理，測試工藝A下零件的表面硬度為59.5、59.5和60.0 HRC，淬硬層深為1.223、1.234和1.239 mm，內(nèi)氧化和金相組織如圖5(a)和5(b)所示，表面組織M：4級、A：3級、C：1級，內(nèi)氧化層深平均為0.012 mm。工藝B下零件的表面硬度為59.3、59.6和59.8 HRC，淬硬層深為1.232、1.224和1.235 mm，內(nèi)氧化和金相組織如圖5(c)和5(d)所示，表面組織M：4級、A：3級、C：1級，內(nèi)氧化層深平均為0.016 mm。

(a)工藝A，金相組織；(b)工藝A，內(nèi)氧化；(c)工藝B，金相組織；(d)工藝B，內(nèi)氧化圖5 改進工藝后零件的金相組織和內(nèi)氧化(a) process A, microstructure; (b) process A, internal oxidation; (c) process B, microstructure; (d) process B, internal oxidationFig.5 Microstructure and internal oxidation of parts after improved process

工藝A通入一定數(shù)量的N2，減少CH3OH的用量，爐內(nèi)壓力增大，氣體流動速度增大，同時提高表面碳勢，爐內(nèi)氣氛中的氧勢降低，氧原子在工件表面聚集數(shù)量相應(yīng)減少，沿奧氏體晶界向晶內(nèi)擴散數(shù)量減少，合金元素與氧結(jié)合成氧化物數(shù)量減少，深度相應(yīng)降低。爐內(nèi)壓力增大提高了零件表面吸附碳原子能力和碳原子向機體內(nèi)部擴散的能力[3-5]。

工藝B提高表面碳勢，氧勢相對降低，氧原子在工件表面聚集量減少，沿奧氏體晶界向晶內(nèi)擴散數(shù)量相應(yīng)減少，合金元素與氧結(jié)合成氧化物數(shù)量減少，同時減少了熱處理時間，氧原子擴散時間相應(yīng)減少，深度相應(yīng)降低[3-5]。

4 結(jié)論

調(diào)整合適工藝參數(shù)，增大爐壓，降低爐內(nèi)氣氛氧勢，縮短工藝時間可以減輕內(nèi)氧化的深度。