饒命

重慶高金實(shí)業(yè)有限公司 重慶 401122

1 序言

齒輪常用的加工工藝為：低碳合金鋼材料經(jīng)模鍛成形、正火、銑齒機(jī)加工、表面化學(xué)處理，最后齒面精加工完成。齒輪在表面化學(xué)處理方式中，又多用碳氮共滲或滲碳淬火工藝。

2 碳氮共滲工藝

（1）碳氮共滲相對于滲碳淬火的優(yōu)點(diǎn)

1）比滲碳淬火溫度低，一般為820～860℃，齒變形小。

2）共滲溫度低，馬氏體針細(xì)小，不宜過熱，可直接淬火。

3）外表干凈光潔，表面不易形成炭黑。

4）相對于滲碳淬火具有更高的耐磨性和疲勞強(qiáng)度。

5）抗咬合性能更優(yōu)。

（2）碳氮共滲相對于滲碳淬火的缺點(diǎn)

1）由于有氮的滲入，大大降低齒輪材料的Ms點(diǎn)，淬火后表層殘留奧氏體較多，降低表層硬度及強(qiáng)度。

2）由于滲入溫度低，相對于滲碳工藝時(shí)間更長，滲層淺，一般用于輕載荷齒輪[1]。

摩托車齒輪一般為小模數(shù)齒輪，滲層要求不超過1.00mm。因此，我公司研發(fā)的摩托車齒輪表層化學(xué)處理多選用碳氮共滲工藝。

3 失效問題分析

我公司研發(fā)的E05變速箱進(jìn)行臺架耐久試驗(yàn)，6檔主、從動(dòng)齒輪出現(xiàn)過多次失效斷裂，運(yùn)行時(shí)間都在50h左右。表現(xiàn)形式為：大部分嚙合齒面出現(xiàn)麻點(diǎn)及片狀剝落，且其中一個(gè)齒在剝落處疲勞擴(kuò)展斷裂，如圖1～圖3所示。該齒輪材料為20Cr2Ni4，最終熱處理工藝為碳氮共滲處理。

齒輪麻點(diǎn)及片狀剝落都屬于接觸應(yīng)力疲勞范疇，產(chǎn)生的原因主要有以下幾個(gè)因素：

1）齒形齒向尺寸精度偏差、偏載、過載。

2）潤滑不當(dāng)。

圖1 齒嚙合面片狀剝落宏觀形貌

圖2 齒面缺陷處的微觀形貌（100×）

圖3 斷裂從動(dòng)齒疲勞源宏觀形貌

3）表面軟基層（脫碳等）。

4）表層碳化物超標(biāo)。

5）原材料不純凈，夾雜物較多。

E05變速箱進(jìn)行了4次臺架耐久試驗(yàn)。第一批試制齒輪經(jīng)過了300h臺架耐久試驗(yàn)后，表面完好無損。后三批齒輪經(jīng)臺架耐久試驗(yàn)，一次都沒有通過，大多在50h、60h時(shí)就發(fā)生擴(kuò)展性麻點(diǎn)剝落，乃至斷裂。第一批齒輪與后面幾批齒輪都為相同的20Cr2Ni4材料。最終熱處理工藝也為碳氮共滲處理。

經(jīng)過多次失效分析，排除了潤滑不足、偏載、鍛造折疊、材料缺陷等造成早期失效的原因。第一批齒輪與后批未過臺架耐久試驗(yàn)的齒輪經(jīng)金相對比檢測、滲層層深、表層碳化物、馬氏體級別、滲層硬度梯度及非金屬夾雜物等都未發(fā)現(xiàn)有質(zhì)的差別。觀察經(jīng)4%HNO3酒精侵蝕的齒輪金相樣件，在0.20mm范圍內(nèi)白相區(qū)比例較大，殘留奧氏體相對較多，如圖4所示。后經(jīng)其中一批齒輪調(diào)整熱處理淬火溫度，結(jié)合深冷處理，在臺架耐久試驗(yàn)過程中，還是在幾十個(gè)小時(shí)后出現(xiàn)相同的失效模式。

第一批齒輪的外表顏色呈黑色，而失效齒輪表面比較潔凈光亮，如圖5所示。這種現(xiàn)象一般與兩齒輪熱處理溫度及碳、氮比例差別有關(guān)。

經(jīng)前后幾批齒輪表面成分進(jìn)行對比檢測，后批齒輪件表層氮含量較高，碳含量反而較低，見表1。

圖4 失效齒輪表層組織形貌（100×）

圖5 第一批齒輪與后期齒輪表面顏色對比

二、三、四批失效斷裂齒輪表面wN在0.7%～1.0%，wC＜0.55%。結(jié)果表明該三批齒輪表層為以滲氮為主、滲碳為輔的氮碳共滲工藝。而第一批齒輪表面wN在0.25%左右，wC約0.65%，該齒輪表層成分符合碳氮共滲處理的工藝。

又經(jīng)第一、二批齒輪樣件在550℃加熱保溫30min后，經(jīng)顯微維氏硬度檢測。第一批齒輪件距表面0.10mm處硬度為408HV1。而第二批齒輪距表面0.10mm處硬度為524HV1。而試驗(yàn)前距表面0.10mm處硬度都在660HV1左右，這個(gè)試驗(yàn)結(jié)果更進(jìn)一步證實(shí)兩批齒輪件表面熱處理存在差異。后批齒輪具有氮碳共滲工藝的一些特點(diǎn)。氮碳共滲是低溫處理工藝，表面具有一定的熱硬性，因此在550℃回火，表層硬度下降幅度相對于第一批齒輪件較小，而第一批齒輪件經(jīng)過這樣的高溫回火，等同于進(jìn)行了一次調(diào)質(zhì)處理，因此硬度下降明顯。

表1 前后幾批齒輪表面化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）對比 （%）

4 分析結(jié)果

根據(jù)實(shí)際檢測結(jié)果分析造成這種現(xiàn)象的原因，是氮碳共滲的結(jié)果。第一批齒輪件為兩次淬火，由于當(dāng)時(shí)為初試階段，產(chǎn)品較少，與其他零件“配搭”進(jìn)行熱處理，碳氮共滲后直接油冷再800℃加熱淬火，這樣做的零件經(jīng)過了臺架試驗(yàn)測試過程。

而后批上量齒輪為了做得更好（防止齒輪變形及后序淬火過熱），具體工藝為：在碳氮?dú)夥罩?50℃左右共滲處理，再隨爐緩冷至室溫，最后重新800℃加熱淬火。顯然失效齒輪表面氮含量高、碳含量低，是在共滲處理緩冷至室溫環(huán)節(jié)出了問題，隨爐冷卻過程中，爐內(nèi)還保持有碳、氮?dú)夥?，如圖6所示[1]。隨著溫度的降低，氮在鋼中的溶解度越高，最終形成表面氮含量高、碳含量低的結(jié)果，實(shí)際上表層進(jìn)行了一次不完整的氮碳共滲。最后二次淬火（保溫時(shí)間較短），表面還保持有高氮?jiǎng)萏攸c(diǎn)。

圖6 共滲溫度對零件表面碳氮比例的影響

碳氮共滲齒輪滲層的碳濃度需要由表向里平緩下降，這樣硬化層與心部結(jié)合更牢固。碳氮共滲齒輪零件希望表面有大的殘余壓應(yīng)力，且要求隨著深度的變化平緩，將有利于提高疲勞強(qiáng)度及抗彎強(qiáng)度[1]。而后批齒輪件卻并非這種特點(diǎn)，表面碳含量低、氮含量高。結(jié)合其隨爐緩冷到室溫的時(shí)間加上金相檢測的情況，在約0.20mm深度范圍內(nèi)的白色區(qū)域，應(yīng)都存在這種現(xiàn)象。表面由于N元素的改性，由外到內(nèi)的比容變化并非一個(gè)遞減規(guī)律，這樣讓表層沒有大的殘余壓應(yīng)力，表面也就無法具有高的疲勞強(qiáng)度。另外，由于表層氮含量高，雖然耐磨，但韌性差，在高應(yīng)力交變載荷的臺架耐久試驗(yàn)過程中，綜合因素形成片狀及麻點(diǎn)剝落，最終在剝落處疲勞擴(kuò)展斷裂。

碳氮共滲工藝由于氮的滲入（降低A1、Acm點(diǎn)），相對于滲碳淬火溫度低，不宜過熱，本就可以直接淬火，因此只要共滲溫度適當(dāng)，可直接淬火使用，無需二次加熱淬火。后面齒輪經(jīng)過重新改進(jìn)熱處理工藝，去掉隨爐緩冷這個(gè)過程，選用直接淬火工藝處理，最終經(jīng)過了200h臺架耐久試驗(yàn)的驗(yàn)證。綜上所述，這種隨爐緩冷的碳氮共滲工藝過程無法滿足齒輪零件實(shí)際需求的表面性能。該齒輪臺架試驗(yàn)早期失效斷裂就是因自身的工藝缺陷所致。