齿轮碳氮共渗热处理缺陷及对策

2023-06-29 理论教育版权反馈

【摘要】：图9-8 渗碳淬火齿轮齿角碳化物形貌 400×图9-9 渗碳淬火齿轮节圆碳化物形貌 400×图9-10 渗碳淬火主动弧齿锥齿轮的失效形态气体和固体渗碳齿轮表面碳化物过多原因与对策见表9-27表9-27 气体和固体渗碳齿轮表面碳化物过多原因与对策（续）2）渗碳淬火齿轮表面出现内氧化和非马氏体组织原因与对策。气体和固体渗碳淬火齿轮心部组织不良原因与对策见表9-34。

齿轮渗碳热处理周期较长，温度高，工艺过程复杂，因其原材料、工艺、设备、渗碳介质淬火冷却规范等方面原因，常产生表面硬度偏低或不均匀、心部硬度偏低或过高、硬度梯度太陡、渗碳层不均匀、渗碳层过深或过浅、硬化层分布不合理、金相组织不良、畸变及裂纹等缺陷。

1.齿轮的气体和固体渗碳热处理缺陷与对策

渗碳和碳氮共渗齿轮表面碳（氮）含量、表面硬度、表层组织及心部硬度的一般要求见表5-11。

（1）气体和固体渗碳齿轮硬度缺陷与对策气体和固体渗碳齿轮硬度方面缺陷主要有表面硬度偏低或不均匀、心部硬度过高或过低、心部硬度时高时低等。其形成原因与对策见表9-26。

表9-26 气体和固体渗碳齿轮硬度缺陷与对策

（续）

（2）气体和固体渗碳齿轮金相组织缺陷与对策

1）气体和固体渗碳齿轮表面碳化物过多原因分析与对策。齿轮经渗碳淬火后，表层碳化物过多（见图9-8和图9-9），极易形成裂纹和剥落（见图9-10）。

图9-8 渗碳淬火齿轮齿角碳化物形貌 400×

图9-9 渗碳淬火齿轮节圆碳化物形貌 400×

图9-10 渗碳淬火主动弧齿锥齿轮的失效形态

气体和固体渗碳齿轮表面碳化物过多原因与对策见表9-27

表9-27 气体和固体渗碳齿轮表面碳化物过多原因与对策

（续）

2）渗碳淬火齿轮表面出现内氧化和非马氏体组织原因与对策。齿轮渗碳时，由于内氧化而导致合金元素的迁移和碳的浓度下降，结果使该层的淬透性相应下降。在常规淬火时，就会导致非马氏体组织的形成，这些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（连成一片称黑带，未连成一片称黑网），部分钢种出现的贝氏体，如图9-11所示。

图9-11 20CrMnTi钢齿轮渗碳淬火后表层非马氏体组织形态（轻度腐蚀）100×

德国波尔舍、奔驰、宝马公司要求非马氏体层厚度必须控制在3μm以下，具体见表9-28内氧化的检测用光学显微镜在未浸蚀状态下进行。渗层组织采用辉光放电分光仪测定。

表9-28 非马氏体组织的相关标准

渗碳淬火齿轮表面出现内氧化和非马氏体组织原因与对策见表9-29

表9-29 渗碳淬火齿轮表面出现内氧化和非马氏体组织原因与对策

3）气体和固体渗碳淬火齿轮晶粒或马氏体粗大原因与对策。齿轮原材料奥氏体晶粒尺寸粗大时，其转变产物如马氏体、残留奥氏体以及非马氏体组织相应也粗化。渗碳淬火齿轮表层形成的粗大马氏体形貌如图9-12所示。

图9-12 渗碳淬火齿轮表层粗大马氏体组织 400×

气体和固体渗碳淬火齿轮晶粒或马氏体粗大原因与对策见表9-30

表9-30 气体和固体渗碳淬火齿轮晶粒或马氏体粗大原因与对策

4）气体和固体渗碳淬火齿轮表面残留奥氏体过多原因与对策。齿轮渗碳淬火、回火后，适量的残留奥氏体（通常认为体积分数小于25％），能够提高渗碳层的韧性、接触疲劳强度及改善

齿轮啮合条件，扩大接触面积，但残留奥氏体过量（见图9-13），常会伴随马氏体针粗大

图9-13 20CrMnTi钢齿轮渗碳淬火后表层残留奥氏体形态 400×

气体和固体渗碳淬火齿轮表面残留奥氏体过多原因与对策见表9-31

表9-31 气体和固体渗碳淬火齿轮表面残留奥氏体过多原因与对策

5）气体和固体渗碳淬火齿轮表面碳含量过低原因与对策。图9-14所示为20CrMnTi钢齿轮经920℃渗碳后缓冷表面出现贫碳情况。图9-14中渗碳层表面无共析和过共析层，仅出现亚共析层。渗碳层表面基体为细珠光体和少量铁素体。

图9-14 20CrMnTi钢齿轮渗碳后缓冷表面出现贫碳情况 100×

气体和固体渗碳淬火齿轮表面碳含量过低原因与对策见表9-32

表9-32 气体和固体渗碳淬火齿轮表面碳含量过低原因与对策

6）齿轮气体和固体渗碳后表面脱碳原因与对策。渗碳齿轮表面脱碳与氧化一样，都是由于钢中的元素与O₂、CO₂和H₂O等氧化性气氛相互作用的结果，从而使齿轮钢材表面脱碳。在实际生产中，氧化与脱碳现象总是同时出现在同一齿轮上，但两者是有区别的。

图9-15所示为20钢齿轮经930℃渗碳后空冷表面形成的脱碳层。图中渗碳层最表面为全脱碳层，金相组织为铁素体；次表层为半脱碳层，靠近全脱碳层处为片状珠光体及少量呈白色条块状分布的铁素体，稍向里为片状珠光体。

图9-15 20钢齿轮渗碳后空冷表面形成的脱碳层 200×

气体和固体渗碳齿轮表面脱碳原因与对策见表9-33

表9-33 气体和固体渗碳齿轮表面脱碳原因与对策

7）气体和固体渗碳淬火齿轮心部组织不良（铁素体过多、晶粒粗大）原因与对策。渗碳淬火齿轮心部铁素体过多（见图9-16）时，将会降低齿轮的疲劳强度，并使齿面硬化层抗剥落性能及齿根弯曲疲劳强度下降，齿轮在承受较大负荷时容易压溃而发生早期损坏。如果心部晶粒粗大，将会降低齿轮的韧性和弯曲疲劳强度，减小最大冲击值。

气体和固体渗碳淬火齿轮心部组织不良原因与对策见表9-34。

（3）气体和固体渗碳齿轮渗层深度缺陷与对策

渗碳层深度不足和渗碳层碳浓度过低，容易引起轮齿硬化层剥落，并容易产生点蚀现象，从而导致齿轮早期失效。

图9-16 渗碳淬火齿轮心部铁素体过多情况 400×

表9-34 气体和固体渗碳淬火齿轮心部组织不良原因与对策

通常，渗碳淬火齿轮过共析及共析层深度之和为总渗层深度的50％～75％比较适宜。大于其上限，过渡层太陡，使过渡区残余应力变化太大，性能变化太剧烈，而且在表层容易出现拉应力，因而在磨削、使用中，甚至在放置时，出现硬化层开裂和剥落现象；而小于其下限，则表面表层碳含量太低，高硬度层太薄，也影响齿轮的使用寿命。

图9-17所示为20CrNi钢齿轮经920℃渗碳空冷后渗碳过共析层＋共析层比例过大情况其占渗碳层总深度的80％。这种组织易使齿轮在淬火冷却时，在共析层与心部的交界处发生开裂。