渗 碳齿轮脱 碳的原 因及预 防戚墅堰机车车辆工艺研究所 鲁美英1 问题的提出铁路工业中许多零配件均采用渗碳以强化表面, 如齿轮、凸轮轴等 其中大多数工件在井式气体渗碳炉中进行 由于工件组织性能的需要, 渗碳后, 重新加热淬火这时因受设备、工艺等条件的局限, 往往在工件表 层形成脱碳, 造成淬火硬度不足, 严重影响了表面强化效果, 钢的机械性能, 特别是钢的疲劳强度显著降低 对此, 铁道行业标准中对渗碳淬硬齿轮的表面脱碳层有严格的检验要求具体评级为:表 1 脱碳层评级表级别脱碳金相检验1 级无明显可见脱碳层2 级总脱碳层≤15?m3 级总脱碳层≤30?m4 级总脱碳层> 30 ?m其中 1～3 级为合格 2 脱碳的原因图1 渗碳层碳浓度分布曲线A- 理想的碳浓度分布曲线B- 脱碳后的碳浓度分布曲线渗碳件表面的含碳量对显微 组织、 力学性能的影响至关重要就齿轮而言, 最佳含碳量应在单 齿接触的最低点不产生过多残余奥氏体, 以保证最大的耐点蚀性 能, 同时保证获得最大的表面硬度而不形成网状碳化物渗碳层 理想的碳浓度分布曲线见图 1 中A 曲线 如果表面碳浓度出现“ 低—10—现场经验头”现象, 见图 1 中B曲线, 出现脱碳, 则表面机械性能受到严重影响。
图 2 螺旋伞齿轮表面金相组织图 2 为失效的工程机械螺旋 伞 齿 轮 表 面 金 相 照 片材 料:20Cr2Ni4, 热处理工艺: 两段气体 渗碳+ 重新加热淬火回火 从金相照片上可以看出明显的脱碳层和 贫碳区表面淬火组织, 如马氏体级别、残余奥氏体级别也不理想, 严重影响了螺旋伞齿轮表面强化效果, 造成工件表面硬度的剧降 图 3 为失效螺旋伞齿轮的显微硬度梯度曲线该齿轮仅使用了半 年, 因为磨损严重而失效图 3 螺旋伞齿轮表面显微硬度梯度上述工件脱碳的原因 可能为:(1) 渗碳过程扩散期 气氛碳势较低;( 2) 降温段未进行气 氛保护;( 3) 出炉炉温过高造 成氧化脱碳;( 4) 高温回火温度过 高;( 5) 重新加热淬火时未进行气氛保护; ( 6) 淬火时停留时间过长因此, 防止工件表层脱碳, 并不是单方面的工艺措施可以解决的, 需 要整个工艺过程的全面质量控制3 防止脱碳的方法 脱碳就其本质而言, 是渗碳工件在后期处理过程中, 高温状态下接触氧化 (或低碳势) 气氛所致因此, 在整个过程中尽量避免在高温状态下—11—现场经验接触氧化 (或低碳势) 气氛是解决问题的关键图 4 螺旋伞齿轮试样表面金相组织可以采取热处理过程中适当 的气氛保护。
工件在较高温度下尽可能通 入还原性气体, 特别是在渗碳工艺后期和淬火加热过程中 工件冷却时放入可以形成一定保护气氛的缓冷坑, 出炉冷却及 淬火时尽量减少中间停留时间对螺旋伞齿轮来说, 由于其表 层较高的性能要求, 必须把脱碳抑制在最小范围 在热处理中采取渗 碳过程控制脱碳, 淬火过程予以补图 5 试样表面显微硬度梯度碳的方法获得了 较好的效 果图 4 为采用 新工艺 后20Cr2Ni4 试样的金相组织, 可以看出其表面无明显脱碳层, 马氏体级别较小, 残余奥 氏体量也较少, 图 5 为显微硬度梯度曲线, 表面基本无 “ 低头”现象4 结论 铁路机械零部件表面的强化效果直接影响其机械性能的好坏, 碳含量的高低及表面碳浓度分布对其影响最为敏感脱碳问题对于气体渗碳 零部件的强化效果有着极大的负面影响, 应加以严格控制 采用先进的气氛控制技术是解决此类问题不可缺少的方法 在应用该项技术的基础上, 在二次渗碳回火工艺中采用渗碳过程控制脱碳, 淬火时进行补碳的工艺可以显著改善零部件的表面性能收稿日期: 1999- 02- 10—12—现场经验。