渗碳淬火质量缺陷分析

齿轮渗碳后淬火的质量分析
摘要：通过对齿轮渗碳淬火后出现质量问题的分析和处理，论述了齿轮淬火产生缺陷的原因，提出了控制淬火过程和合理选用淬火介质应该注意的一些问题。

1 齿轮渗碳淬火常见质量问题
（1）淬火后硬度不足、硬度分布不均匀、硬化深度不够；（2）淬火后心部硬度过高；（3）淬火变形超差；（4）淬火开裂；（5）油淬后表面光亮度不够。

这类质量问题的出现往往与齿轮的材质、前处理、淬火加热、渗碳碳势和淬火冷却有关。

在排除材质、前处理和加热渗碳中的问题后，淬火介质及相关技术的作用就特别突出了。

近年来国外对淬火冷却问题的研究证明，它是提高热处理质量最值得注意的问题。

渗碳齿轮淬火常用油作冷却介质。

因此，下面将首先分析齿轮淬火产生质量问题与淬火介质特性和用法的关系，并指出了淬火介质冷却速度的特点。

最后介绍了常用淬火介质的特点和选用时的注意事项。

1.1 硬度不足与硬化层深度不够
淬火冷却速度偏低是造成齿轮淬火硬度不足、硬度不均和硬化深度不够的原因，冷却偏低又可以分为高温阶段冷速不足、中低温阶段冷速不足以及低温阶段冷速不足等情况。

如对于中小齿轮，淬火硬度不足往往是中高温阶段冷速不足所致，而模数大的齿轮要求较深淬硬层时，提高低温冷却速度就非常必要了。

对于淬火用油，一般说，油的蒸气膜阶段短、中温冷速快、低温冷却速度快，往往能获得高而且均匀的淬火硬度和足够的淬硬深度。

工件装挂方式对淬火冷却效果也有明显影响。

要使淬火油流动通畅，并配备和使用好搅拌装置，才能得到更好的冷却效果。

提高淬火介质的低温冷却速度，可以增大淬硬层深度。

在渗层碳浓度分布相同的情况下，采用低温冷却速度高的淬火油，往往获得更深的淬火硬化层，因此，采用冷却速度快的淬火油，缩短渗碳时间，也能获得要求的淬硬层深度。

要求的渗碳淬硬层深度越大，这种方法缩短渗碳时间的效果越明显。

1.2 淬火后心部硬度过高
这类问题主要与原材料淬透性、所选淬火油冷速过快或其低温冷却速度过高有关。

解决办法之一是更换淬火油。

办法之二是加入适当的添加剂来降低淬火油的中低温冷却速度。

办法之三是改用淬透性更低的钢种。

1.3 淬火变形问题
引起变形的原因主要为冷却速度不足和冷却不均匀，比如，齿轮的内花键孔变形，往往是所选的淬火油高温冷速不足，或者说油的蒸气膜阶段过长的缘故。

提高油的高温冷速并提高油在整个冷
却过程的冷速，一般就能解决内花键孔的变形问题。

对于中小齿轮，尤其是比较精密的齿轮，选用等温分级淬火油是控制变形必不可少的措施。

1.4 齿轮的淬火开裂问题
这个问题主要出现在感应加热淬火中。

选择合适的淬火介质很重要，比如采用PAG类淬火介质代替原来使用的自来水，问题便解决了。

感应加热淬火采用PAG介质。

可以获得高而均匀的淬火硬度和深而稳定的淬硬层，淬裂危险极小。

1.5 光亮问题
有这方面要求的场合，应当选用光亮淬火油或快速光亮淬火油。

不过光亮淬火油的光亮性好但冷却速度不够高，而冷却速度很高的淬火油则光亮性不够好。

此外，热油的光亮性一般也较差，可以换新油或补加提高光亮性的添加剂。

2 齿轮用淬火介质的选择
当前齿轮淬火的介质主要包括各种淬火油，水溶性淬火介质和普通自来水。

以下讨论齿轮淬火介质的选择和注意事项。

2.1 自来水
自来水是最经济而又清洁的淬火介质。

一些含碳量低"淬透性差且形状简单齿轮的调质淬火和感应加热淬火、可用自来水冷却。

自来水的冷却特性是；工件处于高温阶段时冷得很快、低温阶段冷却得也很快。

冷却速度快可以使淬透性差和尺寸较大的工件淬硬。

但是、用自来水淬火有三大缺点、第一是低温冷却太快使多数钢种和工件容易发生淬裂。

第二是工件高温阶段冷却太快、细长或薄壁的工件容易因为入水方式不当而发生淬火变形。

第三是随着水温升高、蒸气膜阶段会增长、且工件处于中低温阶段时的冷却速度也逐渐降低。

因此当工件采取较密集的堆放方式入水淬火时、水穿过外围工件时温度会升高。

堆中的工件接触的水温较高。

致使堆内、外工件的淬火冷却效果不同。

外部的工件冷却快、淬火后硬度高、并容易淬裂。

堆放在内部的工件冷却慢、淬火后硬度低。

工件堆放得越密集、淬火时水的流动越不通畅、这种差别就越大。

这一缺点使自来水不适用于淬密集堆放的小工件。

使用油淬火时、油温提高、冷却的蒸气膜阶段稍有缩短、而油温升高使油的粘度降低流动性变好、有利于提高油的冷却速度、能使堆放得较密集的工件内外冷却效果基本一致。

应当说、这是用油淬火的一个优点。

选用自来水作为淬火液时、应当知道它的优点和缺点。

用好它的优点、而避免它的缺点。

设法控制好水的温度。

采取堆放方式淬火时、要设法使工件堆放得疏松一些、并通过搅动促使淬火液通畅地从工件之间流过、以减小内部的水温差。

2.2 水溶性淬火介质
自来水作为淬火介质的最大缺点是其低温冷却速度太快、使多种钢制的工件容易淬裂。

引起钢件淬裂的主要原因是水在马氏体转变的温度。

Ms点及其以下的温度范围冷却得过快。

由于这样的原因、研究开发水溶性淬火介质的第一目标就是降低水的低温冷却速度。

考虑到多数结构钢的Ms点在300℃附近、通常就以工件冷却到300℃时水溶性淬火液的冷却速度、即所谓300℃冷却速度来表示该淬火液的冷却性能。

通常可以用水性淬火介质的300℃冷却速度来对该介质定级、
以便热处理工作者选用。

简单说、水性淬火液的300℃冷却速度低、其防止工件淬裂的能力就强300℃的冷却速度高、其淬硬能力也高、当然工件的淬裂倾向也大。

因此、选择水溶性淬火介质首先应当了解它的300℃冷却速度。

同类淬火介质品种中、得到相同的300℃冷却速度时的浓度越低、其使用成本也就越低。

水溶性淬火介质品种很多、不同品种有不同的特性。

PAG类介质冷却特性可调、浓度测控容易。

它既适用于整体淬火、也适用于各类感应加热淬火、且能长期稳定地使用、因而受到普遍欢迎、成为当前国内外热处理界使用得最广泛的水溶性淬火介质。

由于液温对冷却特性影响较大、使用水溶性淬火介质时应当配备好循环冷却系统、以便在使用中调节液温、一般说、在水溶性淬火液中淬火时、工件也不宜在密集堆放条件下入水、以免造成内外工件明显不同的淬火效果。

2.3 普通机械油
工厂热处理生产中使用得最多的普通机械油是N32机油(原20号机油)和N15机械油(原10号机油)。

作为淬火介质、这类机油的特性是、在工件高温阶段蒸气膜时间较长、淬火冷却速度不高、且低温冷却较慢。

油的蒸气膜阶段长、工件高温阶段的冷却慢、可能出现的问题是低碳钢制的工件容易发生先共析铁素体转变’而形状复杂的工件、比如带花键孔的齿轮等又特别容易变形。

在中"低温阶段冷却慢、使比较大的工件不易淬硬或淬硬层深度不足并因此发生淬火变形。

普通机油的抗氧化能力差、使用中容易老化变质、老化变质的油粘度升高低温冷却速度降低。

影响工件的淬火后的硬度和硬化深度、且淬火变形增大。

粘度提高和产生油泥渣往往给淬火后的清洗造成困难、也使油的消耗量增大。

2.4 专用淬火油
专用的淬火油一般分为普通淬火油"快速淬火油"等温分级淬火油。

也简称热油，"真空淬火油以及光亮淬火油等类。

专用淬火油的热稳定性能较好、能更好地保证工件的淬火质量。

专用淬火油都具有蒸气膜阶段短的特点、因而使工件在高温阶段能冷却得更快。

其中快速淬火油的最高冷却速度都比较高、中低温阶段的冷却速度快慢则因淬火油的不同品种而有较大差别。

热油在冷却特性上的特点是蒸气膜阶段更短、但低温阶段冷却较慢。

快速淬火油主要用于稍厚大的工件和淬透性稍低的钢种。

热油主要用于较小型的工件和淬透性较好的钢种。

应该说、任何淬火油都有适合它的工件。

一般说、淬火油的蒸气膜阶段短、中温阶段冷却得快"低温阶段冷却速度大、这种油的冷却能力就很强、它的适用范围就广。

不少油淬工件的变形是与它的淬火硬度不足和淬硬深度不够同时出现的。

而改用这种适应范围广的淬火油。

往往能同时解决工件的变形"硬度不足和淬硬深度不够等问题、淬火油的蒸气膜阶段短。

也就是油的高温阶段冷却得快；这一特点有利于防止先共析铁素体的析出。

也有利于防止带内花键齿轮的变形；简单说。

淬火油总的冷却速度高。

有利于获得较深的淬火硬化层；但从冷却速度分布上分析。

除中。

高温阶段要求冷却得快以外。

油的低温冷却速度高低对获得的淬硬层深浅作用更大；低温冷却速度越高。

淬火硬化层往往越深。

搅动淬火油可以提高油的冷却速度；冷却速度比较低的油。

搅动提高其冷却能力的作用较大，而对于冷却速度高的专用淬火油。

搅动的作用则相对较小。

齿轮的淬火质量问题中还有一类是淬火硬化层过深；硬化层过深。

常常在使用中断齿；解决这类问题的有效办法之一是降低淬火油的低温冷却速度。

总之。

为保证齿轮的淬火质量去选择淬火油时。

应当根据所处理齿轮的钢种。

形状特点和热处理要求从油的冷却速度分布特性去进行选择。