文/張軍改·河北東安精工股份有限公司

在實(shí)際生產(chǎn)中，鍛件廠家和其客戶之間經(jīng)常發(fā)生因無(wú)法判定供需雙方責(zé)任，而產(chǎn)生各種質(zhì)量糾紛的事件，鍛件廠家認(rèn)為自己供貨各項(xiàng)指標(biāo)均合格，而其客戶在后續(xù)加工中出現(xiàn)某些質(zhì)量問(wèn)題卻找不到原因。我公司也曾發(fā)生過(guò)類似的事件，圖1是我公司為某客戶生產(chǎn)的汽車(chē)變速箱齒輪軸毛坯，材質(zhì)為20CrMnTiH，客戶后續(xù)淬火時(shí)硬度達(dá)不到規(guī)范要求，遂對(duì)毛坯進(jìn)行端淬試驗(yàn)，其檢驗(yàn)結(jié)果低于規(guī)范要求，則認(rèn)為這是導(dǎo)致淬火硬度不足的原因，要求退貨。接到客戶反饋后，我們對(duì)此展開(kāi)了調(diào)查，最終找到了問(wèn)題的真正原因。

圖1 輸出軸毛坯

鍛件淬火硬度的影響因素

原材料

(1)材質(zhì)影響。在實(shí)際生產(chǎn)中，因管理不善造成原材料混料，本應(yīng)是合金鋼的，因混料錯(cuò)用成碳鋼或其他鋼號(hào)的鋼材，致使淬火硬度不合格。還有可能在設(shè)計(jì)時(shí)，因選擇鋼材不當(dāng)，使淬火硬度不能滿足預(yù)期要求。

(2)顯微組織的影響。原材料的顯微組織不均勻也會(huì)造成局部硬度不足或出現(xiàn)軟點(diǎn)。

(3)材料末端淬透性的影響。原材料末端淬透性越高，淬火硬度就越容易提高。

淬火工藝

(1)加熱溫度和保溫時(shí)間的影響。對(duì)于亞共析鋼來(lái)說(shuō)，加熱溫度低（在Ac1與Ac3之間）、保溫時(shí)間不足，鋼不能完全奧氏體化，鐵素體不能完全融入奧氏體，淬火后，得到的組織為鐵素體和馬氏體，而非均勻一致的馬氏體，使硬度低于純馬氏體組織。這種現(xiàn)象多發(fā)于溫控裝置失靈、儀表指示出現(xiàn)偏差或爐溫不均勻的情況。

(2)淬火介質(zhì)對(duì)于冷卻速度的影響。冷卻介質(zhì)選擇不當(dāng)，將影響冷卻速度，從而影響淬火硬度。冷卻能力差的介質(zhì)，冷卻速度慢，奧氏體在冷卻過(guò)程中轉(zhuǎn)化為珠光體類組織，得不到馬氏體，使工件硬度降低。一般水比油冷卻能力強(qiáng)，油比氣冷卻能力強(qiáng)。

(3)淬火介質(zhì)溫度對(duì)于冷卻速度的影響。冷卻介質(zhì)溫度越高，冷卻速度越慢，冷卻能力越差，工件硬度越低。

(4)裝爐量及裝爐方式的影響。裝爐量越大，需要的加熱和冷卻時(shí)間越長(zhǎng)，在加熱溫度、保溫時(shí)間和冷卻時(shí)間相同時(shí)，裝爐量越大，硬度越低。裝爐方式對(duì)加熱和冷卻能力也有較大影響，工件與工件之間間隙越大，越容易透熱和冷卻，同樣條件下，硬度會(huì)越高；工件與工件之間越密集，越不容易熱透和冷透，硬度就越低。

試驗(yàn)方法

(1)原材料端淬方法的影響。如果未按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行末端淬透性試驗(yàn)，或者供需雙方端淬試驗(yàn)方法不同，將會(huì)影響端淬結(jié)果，甚至?xí)蚪Y(jié)果誤差過(guò)大，不能給淬火提供正確的參數(shù)指導(dǎo)，導(dǎo)致后續(xù)淬火工藝調(diào)整錯(cuò)誤，影響淬火硬度。

(2)淬火后硬度檢驗(yàn)方法的影響。不同的試驗(yàn)方法，對(duì)試樣的要求不同，例如：試塊鑲嵌法適用于維氏硬度，而不適用于洛氏硬度。如果洛氏硬度使用了鑲嵌試塊，則對(duì)結(jié)果影響較大，出現(xiàn)誤判。另外，直接讀數(shù)和通過(guò)硬度轉(zhuǎn)化得出的結(jié)果也有較大的差異。

問(wèn)題排查

原材料

(1)原材料材質(zhì)。我公司使用的是客戶指定材料，不存在材料選擇錯(cuò)誤。又經(jīng)過(guò)對(duì)我公司和鋼材供應(yīng)廠家的追溯，認(rèn)為沒(méi)有混料的可能，因此，排除用錯(cuò)材料的因素。

(2)原材料顯微組織。我公司產(chǎn)品是經(jīng)過(guò)楔橫軋制和等溫正火后供貨的，楔橫軋可以細(xì)化晶粒，等溫正火可再次細(xì)化晶粒，不易出現(xiàn)大小晶粒問(wèn)題；同時(shí)，經(jīng)過(guò)抽樣檢驗(yàn)，也未發(fā)現(xiàn)大小晶?，F(xiàn)象，因此，該因素也可以排除。

(3)原材料端淬?？蛻舴答仯?件，端淬結(jié)果分別為：J9=28.3HRC和29.2HRC，不符合規(guī)范要求的J9=30～36HRC。于是我們分別進(jìn)行了調(diào)查：查進(jìn)廠材質(zhì)單，端淬為J9=30HRC，符合規(guī)范要求；將客戶返回的一件產(chǎn)品送有資質(zhì)的單位進(jìn)行端淬試驗(yàn)，結(jié)果為30HRC，符合規(guī)范要求；以往發(fā)貨材質(zhì)單查驗(yàn)，端淬分別為30HRC、31HRC、32HRC、33HRC等，其中30HRC的材料未反饋淬火硬度不足，說(shuō)明并不一定是端淬低導(dǎo)致的淬火硬度不足。于是我們同原材料廠家到客戶現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)一步核查原因，經(jīng)與客戶深入溝通，發(fā)現(xiàn)供需雙方存在差異：客戶在產(chǎn)品中取樣，鋼廠在原材中取樣；客戶正心取樣，鋼廠偏心取樣（見(jiàn)圖2、圖3）；客戶未經(jīng)正火，直接淬火，鋼廠先正火再淬火；客戶加熱保溫時(shí)間40分鐘，鋼廠和標(biāo)準(zhǔn)加熱保溫時(shí)間均不低于50分鐘，這些差異再加上操作和讀數(shù)等因素，可能導(dǎo)致端淬結(jié)果存在差異。

圖2 正心取樣

工藝方面

(1)客戶淬火工藝。真空爐氮?dú)饫鋮s滲碳淬火，先將工件加熱到滲碳溫度960℃，然后，冷卻到淬火溫度880℃，再將工件傳送到氮?dú)饫鋮s室冷卻至室溫后取出。滲碳加熱室有測(cè)溫裝置，冷卻室沒(méi)有測(cè)溫裝置，因此無(wú)法控制工件到達(dá)冷卻室的溫度和冷卻室中冷卻介質(zhì)的溫度，進(jìn)而無(wú)法控制冷卻速度。

(2)工藝參數(shù)選擇依據(jù)。每批產(chǎn)品到貨后，未根據(jù)端淬調(diào)整淬火工藝參數(shù)，而是先試驗(yàn)6件產(chǎn)品，合格后，按此工藝批量滲碳淬火，批量生產(chǎn)的裝爐量是96件。

(3)進(jìn)一步與客戶交流得知，通過(guò)減少裝爐量和改變冷卻介質(zhì)（將氮?dú)飧臑橛屠洌┦强梢蕴岣哂捕鹊?，只是?chē)間擔(dān)心增加成本，降低產(chǎn)量，從而減少收入。

圖3 偏心取樣

據(jù)以上分析認(rèn)為存在如下問(wèn)題：(1)氮?dú)饫鋮s能力差是硬度提不上去的主要原因，在這種冷卻方式下，應(yīng)根據(jù)端淬高低，調(diào)整工藝參數(shù)。(2)冷卻室沒(méi)有溫控裝置，無(wú)法控制溫度和冷卻速度，可能會(huì)導(dǎo)致工件硬度低。(3)6件試驗(yàn)品淬火和96件批量淬火需要的加熱時(shí)間和冷卻時(shí)間顯然不同，如果用同樣的工藝，勢(shì)必造成批量淬火時(shí)的硬度偏低。

試驗(yàn)方法

試樣對(duì)硬度的影響。客戶進(jìn)行洛氏硬度試驗(yàn)時(shí)，采用的是試塊鑲嵌法，如圖4所示，即用熱壓鑲嵌法將試樣鑲嵌到樹(shù)脂中，然后再按洛氏硬度試驗(yàn)方法，對(duì)試樣施加150公斤力后讀取硬度值，該做法不符合GB/T230.1規(guī)定的將試樣平穩(wěn)地放在剛性支承物上的要求，洛氏硬度是通過(guò)壓痕深度讀數(shù)的，樹(shù)脂和鋼材的硬度和彈性均不同，在150公斤力的作用下，有樹(shù)脂鑲嵌塊和直接用鋼試樣產(chǎn)生壓痕肯定不同。

為驗(yàn)證鑲嵌法的誤差，我公司用硬質(zhì)樹(shù)脂墊在試樣下模擬客戶鑲嵌試樣在洛氏硬度計(jì)和布氏硬度計(jì)（模擬維氏硬度計(jì)）做了4組試驗(yàn)，洛氏硬度計(jì)分別使用示值為25.5HRC和62.4HRC兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行模擬試驗(yàn)，共計(jì)模擬3組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)3個(gè)位置，每個(gè)位置分別用加樹(shù)脂墊和不加樹(shù)脂墊的標(biāo)準(zhǔn)試塊打3個(gè)點(diǎn)，共計(jì)打點(diǎn)54個(gè)，整體誤差在-4～3HRC，見(jiàn)表1～表3。布氏硬度計(jì)用示值為201HB的標(biāo)準(zhǔn)試塊做了一組試驗(yàn)，最大誤差1HB，見(jiàn)表4。

圖4 試塊鑲嵌法

表1 洛氏硬度試驗(yàn)對(duì)比（第一組數(shù)據(jù)）

表2 洛氏硬度試驗(yàn)對(duì)比（第二組數(shù)據(jù)）

由于洛氏硬度計(jì)測(cè)量第一組數(shù)據(jù)時(shí)是在硬度計(jì)停用一段時(shí)間后測(cè)量的，有些不穩(wěn)定，用了一段時(shí)間后，打第二、第三組數(shù)據(jù)時(shí)，硬度計(jì)基本穩(wěn)定，且均呈現(xiàn)出加墊硬度值低于不加墊硬度值的趨勢(shì)（誤差在10%左右）。而布氏硬度加墊與不加墊誤差很?。ㄇХ种澹?。由此可以驗(yàn)證，洛氏硬度計(jì)不適用于鑲嵌試塊，如果必須加鑲嵌塊，則需要先在維氏硬度上打硬度，再轉(zhuǎn)化為洛氏硬度。客戶用鑲嵌試塊直接打洛氏硬度是偏低的。

硬度轉(zhuǎn)化誤差?？蛻糁苯佑寐迨嫌捕扔?jì)打硬度和用維氏硬度計(jì)打硬度后轉(zhuǎn)化為洛氏硬度，誤差在10HRC左右，見(jiàn)表5。也就是說(shuō)，如果用維氏硬度打硬度后再轉(zhuǎn)化為洛氏硬度，其結(jié)果是符合規(guī)范要求的。因?yàn)榫S氏硬度試驗(yàn)時(shí)加載力為30公斤力，比洛氏硬度的150公斤力小得多，對(duì)樹(shù)脂的影響比較小，而且維氏硬度標(biāo)準(zhǔn)GB/T4340.1規(guī)定可以用鑲嵌試塊方法進(jìn)行維氏硬度試驗(yàn)。

表3 洛氏硬度試驗(yàn)對(duì)比（第三組數(shù)據(jù)）

表4 布氏硬度試驗(yàn)對(duì)比

表5 直接用HRC讀數(shù)與HV30讀數(shù)后轉(zhuǎn)為HRC對(duì)比

原因確定

影響端淬結(jié)果的主要因素

(1)供需雙方端淬試驗(yàn)取樣時(shí)機(jī)不同，一個(gè)是原材料，一個(gè)是楔橫軋產(chǎn)品。

(2)端淬試樣取樣位置不同，鋼廠在原材料中偏心取樣，客戶在楔橫軋后的毛坯中正心取樣。

(3)端淬工藝流程不一致。鋼廠嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定流程：取樣→正火→淬火→打硬度。客戶：取樣→淬火→打硬度。

(4)加熱溫度和保溫時(shí)間不一致。鋼廠加熱和保溫時(shí)間不低于50分鐘（一般1小時(shí)以上），客戶40分鐘。

影響齒輪軸淬火硬度的主要因素

(1)工件傳送過(guò)程溫降的影響。工件在滲碳爐傳送到冷卻室有一定的距離，在此期間溫度會(huì)降低，降低多少無(wú)法測(cè)量。

(2)溫度控制的影響。冷卻室沒(méi)有測(cè)溫裝置，無(wú)法控制工件初始冷卻溫度和冷卻速度，也無(wú)法控制冷卻介質(zhì)的溫度。

(3)冷卻介質(zhì)的影響。氮?dú)獾睦鋮s速度比油和水都慢，因此在遇到端淬數(shù)值低的產(chǎn)品時(shí)，必須減少裝爐量，以提高冷卻速度。

(4)裝爐量的影響。用6件產(chǎn)品試驗(yàn)的淬火工藝作為96件批量淬火工藝是不合適的，6件冷卻速度要比96件高的多。

硬度檢驗(yàn)方法會(huì)對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果有影響

(1)鑲嵌試塊不能用于洛氏硬度試驗(yàn)，否則影響檢驗(yàn)結(jié)果，硬度整體趨勢(shì)偏低。

(2)用維氏硬度轉(zhuǎn)化為洛氏硬度比直接用洛氏硬度計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果高。

結(jié)論

(1)試樣制取時(shí)機(jī)、取樣位置、端淬工藝流程、工藝參數(shù)等均可能對(duì)端淬結(jié)果有影響，因此，供需雙方應(yīng)經(jīng)常對(duì)標(biāo)。

(2)試塊鑲嵌后，不能用洛氏硬度計(jì)直接讀數(shù)，可用維氏硬度轉(zhuǎn)化為洛氏硬度，否則會(huì)造成誤判。

(3)滲碳淬火時(shí)，應(yīng)安裝測(cè)溫裝置，確保溫度和冷速受控。

(4)滲碳淬火時(shí)，應(yīng)根據(jù)原材料的端淬、裝爐量的多少、冷卻介質(zhì)的冷卻能力等實(shí)時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)。

(5)不能用試樣淬火工藝代替批量淬火工藝。