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缺陷原因
分析及对策
■孟江涛
摘要：对差速器齿轮渗碳淬火的常见质量缺陷，进行了较为详细的描述，并对各质量缺陷产生的原因进行了剖析，同时对各质量缺陷应采取的预防措施进行了方向性的论述，旨在提高差速器齿轮的热处理质量。

关键词：齿轮；渗碳；热处理；缺陷
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。

1. 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。

2. 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。

3. 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0.02m m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。

4. 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M s 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。

M s 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M s 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。

（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。

（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
图 1
图 2图 3图 4图 5。