差速器齿轮渗碳淬火缺陷原因分析及对策

差速器齿轮渗碳淬火的质量缺陷大致可分为：外观缺陷（氧化、锈蚀），硬度、有效硬化层不合格（硬度高、硬度低、硬度不均匀，有效硬化层深、有效硬化层浅），金相组织缺陷（马氏体、碳化物、心部组织级别超标、表层非马超标），热处理变形（缩孔、锥度、圆度及畸变），下面就齿轮渗碳淬火生产中常见的质量缺陷，进行影响因素分析及补救对策实施阐述。

一、外观缺陷

（1）表面氧化

产生原因可能是热处理炉密封差而导致漏气，另外还有可能是渗碳介质纯度不够（含有水分）。防范措施即为检查炉子密封性和提高渗碳介质纯度。

（2）表面锈蚀、污物、金属瘤

产生原因可能是进炉前零件没有彻底清洗干净，热处理前机加工时切削液不合格，没有清洗干净。零件表面沾有碎切屑，热处理加热过程中熔化粘结于零件表面。防范措施即为采用弱碱性清洗液对进炉前零件进行认真彻底清洗，确保进炉前零件的清洁度。

二、有效硬化层深度、表面硬度、心部硬度缺陷
（1）有效硬化层深度又叫淬硬层深度，一般用显微硬度计检测，从表面一直测至界限硬度处的直线距离；而渗碳层深是指渗碳层的深度，一般用金相法来检测，合金渗碳钢从表面测至过渡区。因零件的渗碳层深仅指对合金钢渗入碳的深度，是齿轮热处理生产中的一个过程指标，不能很好地反映齿轮的热处理最终结果，故正规的技术文件，大多以有效硬化层深度作为零件热处理后的检测、考核指标。
有效硬化层深度缺陷又分以下两种情况：
    第一种是有效硬化层深度浅，产生的原因可能是：原材料的淬透性差、端淬值低；淬火冷却介质的冷却能力差；渗碳保温时间短、强渗及扩散期的碳浓度低，导致渗碳层深度不够；渗碳炉的有效加热区的温度分布不均匀，导致不同区域零件渗碳层深度不够。相应防范措施为：调换淬透性好、端淬值高的原材料；调换冷却能力好的淬火冷却介质或加大淬火冷却介质容量，增加搅拌功能；延长渗碳保温时间，提高强渗及扩散期的碳浓度，使渗碳层深度合格；检测渗碳炉有效加热区的温度均匀性，使各零件的渗碳层深度稳定、统一，达到技术要求。
    第二种是有效硬化层深度深，产生的原因可能是：原材料的淬透性太好、端淬值太高；渗碳保温时间太长、强渗及扩散期的碳浓度太高，导致渗碳层深度明显超上差。相应防范措施为：调换淬透性比较合适的原材料；调整合适的渗碳保温时间及强渗和扩散期的碳浓度，确保渗碳层深度合格。
（2）表面硬度缺陷主要含表面硬度高和表面硬度低两种表现形式。
①表面硬度高，产生的原因可能是：渗碳时碳浓度太高，淬火温度太高，回火温度低、时间短。其防范措施为：调整合适的渗碳碳浓度、合适的淬火温度、合适的回火温度及回火时间。
②表面硬度低，产生的原因可能是：渗碳时碳浓度太低，残留奥氏体过多；回火温度过高、时间过长，表面产生氧化。其防范措施为：在渗碳碳浓度不足的情况下，提高渗碳气氛碳势；选用淬透性好、端淬值高的原材料；调整在冷却能力强的淬火冷却介质中淬火；在残留奥氏体过高的情况下，进行深冷处理；查找造成氧化的原因，采取相应措施。
（3）心部硬度缺陷主要含心部硬度高和心部硬度低两种表现形式。
①心部硬度高，产生的原因可能是：原材料的端淬值太高，淬火温度太高，还有可能是有效硬化层深超上限导致。其防范措施为：调整合适端淬值的原材料和淬火温度，加强渗碳层深度的检验，避免连锁的质量缺陷。
②心部硬度低，产生的原因可能是：原材料的端淬值太低，淬火温度太低，冷却设备或淬火冷却介质的冷却能力太差。防范措施：选用合适端淬值的原材料、合适的淬火温度，调换冷却能力好的淬火冷却介质或增加搅拌功能。

三、热处理金相组织缺陷
    热处理金相组织缺陷主要指低碳合金钢经渗碳淬火后出现的马氏体、碳化物、心部组织等级别超标不良和表层的非马氏体组织深度超标。
（1）低碳合金钢渗碳淬火后，马氏体应不大于4级，最好3级以内，应为隐晶或细针状马氏体加少量残留奥氏体，不允许出现粗针马氏体。马氏体级别超标原因可能是渗碳温度太高，渗碳时间太长，淬火温度过高，冷却速度过快。防范措施：调整合适的渗碳温度、时间、淬火温度和冷却速度。
（2）碳化物级别不良，碳化物应不大于4级，最好3级以内。热处理后碳化物应分布均匀，不允许出现连续网状、针状和角状过共析碳化物。其产生原因可能是：渗碳过程中渗碳气氛的碳势过高或渗碳时间过长。防范措施：降低渗碳气氛的碳势，压缩渗碳时间，调整渗碳强渗期和扩散期的比例。
（3）心部组织不良，心部组织应不大于3级，最好2级以内。热处理后心部组织应为低碳马氏体或下贝氏体加少量游离铁素体，不允许出现大量块状、网状或针状铁素体。心部组织超标又分仅心部出现粗大的板条状马氏体，以及沿晶断续分布的条块状铁素体，属原始锻造残留组织，可能是原材料轧制或锻造过程中温度不均匀、变形量不足造成的。另外，从轮齿表面至心部全部出现粗大组织，属于较严重的过热组织，产生原因可能是渗碳温度过高，渗碳时间长，加热保温时间过长。防范措施：选用合适的渗碳温度、渗碳时间及加热保温时长。
（4）表层非马氏体组织超标，渗碳淬火件的表层非马氏体组织，包括表面脱碳形成的铁素体、表层沿晶界形成的托氏体或部分钢中形成的贝氏体。其产生原因可能是内氧化，造成渗层表面含碳量下降而产生，一般要求控制在0.02mm以内。而造成内氧化的原因可能是渗碳介质不纯，也或是强渗区渗碳时碳势过高，调整碳势时通入空气量过大。防范措施即为：采用纯度较高的丙酮、甲醇或经净化的天燃气作为渗碳介质。调整强渗区渗碳时的碳势时，建议通入氮气替代空气，以杜绝内氧化而出现的表层非马氏体超标。

四、热处理变形缺陷

热处理变形是指在热处理过程中出现的零件内孔收缩、椭圆、锥度等，有的是可测量、数据化的缺陷，有的是无法测量、数据化的无规律畸变缺陷。对于热处理后不再加工的差速器半轴齿轮的花键孔和精锻齿齿面，热处理变形会使花键齿和精锻齿的渐开线齿形失去精度。花键孔缩孔、锥度严重时，会影响安装使用；精锻齿的渐开线齿形畸变时影响齿轮的接触印痕、啮合传动精度。热处理变形是一个非常复杂、影响因素极多、困扰企业产品质量的棘手问题，现就常见因素逐一描述。

（1）原材料的影响

原材料的淬透性是影响热处理变形大小的关键因素，要想减小零件的热处理变形，应尽量选用淬透性不太好即端淬值较低的原材料。

原材料的化学成分、带状组织和晶粒度等级，对热处理变形的影响也不可忽视。符合国标的原材料，因化学成分中各元素的质量分数范围比较宽泛，热处理变形是很不稳定的，为了使化学成分对热处理变形的影响可控，各企业必须根据各自产品的特点，与钢厂协商制定各自的企业标准。带状组织的存在使钢材的组织不均匀，影响钢材性能，形成各向异性，热处理时钢材容易变形，因此对于带状组织必须明确要求，轧材带状组织级别应不大于3级，等温退火状态下带状组织级别应不大于2.5级，奥氏体晶粒度应不小于7级。

原材料的Ms点即为马氏体转变的起始温度，是奥氏体和马氏体两相自由能之差，达到相变所需的最小驱动力时的温度。Ms点主要决定于钢材的化学成分、合金元素、合金元素种类、奥氏体化温度、保温时间长短、冷却速度，所以选取Ms点较低的原材料，有利于控制热处理变形。

（2）锻造及预热处理的影响

锻造时合理的锻造比、成形系数、恒定的锻造温度范围，可减少锻件的组织偏析，使组织更加均匀，有利于减少后续渗碳淬火时的变形。为了消除锻造应力、均匀细化组织、稳控硬度差范围，建议锻件必须严格按等温正火工艺进行预热处理。

（3）装炉方式的影响

对于薄壁套类或壁厚不均匀的零件，若采用横担串装（见图1）方式，会出现明显的圆度，再加上零件的薄壁处相对于其他部位缩孔更为明显，综合起来变形就更为严重。

为减小更为复杂的变形，最好采用立式串装（见图2）或增添防变形套方式（见图3），以减小热处理变形，尤其是防变形套的运用，若防变形套尺寸调整合适，即防变形套外径与内花键小径预留间隙适当，热处理后的零件几乎没有缩孔变形。

图  1

图  2

图  3

（4）机加工表面粗糙度及带有内花键零件拉花键时的拉削方向的影响

差速器半轴齿轮拉花键的内孔表面粗糙度会影响热处理时的变形，若表面粗糙度太差，零件的内应力就会增大，热处理时内孔收缩就明显。另外拉削内花键时，拉刀的拉削量、拉削速度及拉削后花键表面粗糙度，都会直接影响到热处理时花键孔的变形程度，因此要确保拉花键前的表面粗糙度不大于1.6μm。拉削过程中，应及时修磨拉刀，严禁过度使用，避免出现内花键齿面拉伤、拉毛；合理使用切削液，保证适当的拉削量、拉削速度，以确保拉削后的拉削面表面粗糙度不大于1.6μm。

另外，零件在进行内花键拉削加工时，拉削方向也会影响拉削后花键孔的收缩量，如图4所示拉削时，拉削后测量薄壁端收缩量为0.02～0.03mm，若调整拉削方向，拉削后测量几乎没有收缩量，如图5所示。

图  4

图  5

（5）渗碳淬火工艺的影响

零件在热处理过程中渗碳时的加热温度、加热时间、淬火温度，均影响到变形的大小，且变形大小与上述三个参数成正比。因此，在满足零件热处理其他要求前提下，尽量降低渗碳时的加热温度、加热时长和淬火温度。另外，为了压缩渗碳时长、提高生产效率，可采用催渗工艺，既可提高产能，又能减小热处理变形。

（6）淬火冷却介质的影响

对于热处理时易变形的工件建议采用等温淬火油，这样可将热处理变形控制在一定范围内；对于不易变形的工件、大型零件，可以采用快速淬火油。

五、结束语

热处理的各种缺陷受相关因素影响太多，有的缺陷可能同时受多个因素的综合影响，所以只能做些方向性的论述，实际生产中，必须借助“三现”原则具体分析，采取相应措施，提升热处理的质量，减少缺陷数量或降低关键缺陷的严重度，为降低质量成本而不懈努力。