脫碳對真空滲碳齒面組織影響及原因探討

楚大鋒，卞凱強(qiáng)，曾曉蕾

(上海汽車變速器有限公司，上海 201822 )

0 引言

汽車變速器廠家對齒輪牙脫碳均有明確的規(guī)定，脫碳可能會造成牙齒表面硬度偏低、牙齒表面產(chǎn)生非馬氏體組織等問題，嚴(yán)重影響齒輪的正常使用。所以在進(jìn)行齒輪熱處理(滲碳-淬火，回火)時需對齒輪脫碳程度進(jìn)行控制。與常規(guī)可控氣氛滲碳淬火熱處理[1]不同，此零件為真空熱處理，采用低壓真空滲碳，高壓N2淬火工藝[2]，零件一直處于真空狀態(tài)下，不會產(chǎn)生內(nèi)氧化，避免了滲碳過程中由于氧化氣氛造成的非馬氏體等不良組織。另外真空熱處理滲碳溫度高[3]，零件具有高的表面活性，進(jìn)而降低滲碳時間，高壓N2淬火；同時可合理控制殘余奧氏體含量[4]，獲得良好的齒面組織；不排放廢氣，環(huán)保節(jié)能。

1 原材料及零件基本信息

此自動變速箱從動一擋齒輪，形貌見圖1(a)，圖1(b)為剖視圖；材料為SAE5120H-M，基本尺寸見表1，主要元素含量見表2。

圖1 零件形貌及剖視圖

表1 零件基本尺寸mm

表2 化學(xué)成分(各元素含量僅供參考) %

零件鍛坯采用熱鍛+冷精整工藝。鍛造成型后結(jié)合齒不再進(jìn)行機(jī)加工，待輪齒及端面加工完成后整體進(jìn)行低壓真空滲碳+高壓N2淬火，所以在鍛造過程中結(jié)合齒牙產(chǎn)生的脫碳問題將直接影響滲碳淬火后輪齒的組織和使用性能。

2 熱處理工藝

為了得到脫碳深度對零件熱處理后輪齒組織的影響，本文作者針對不同脫碳深度的試件進(jìn)行熱處理跟蹤試驗。選取不同脫碳深度的零件3件，分別標(biāo)示為A、B、C。對3個零件分別用砂輪片割開，一半用于熱前脫碳情況監(jiān)測，另一半隨正常零件進(jìn)爐進(jìn)行熱處理(滲碳溫度：940 ℃)，熱處理工藝見表3(數(shù)值僅供參考)，出熱后進(jìn)行金相檢測。

表3 此零件隨爐熱處理工藝(參數(shù)僅供參考) s

熱前鍛坯件結(jié)合齒脫碳情況檢測數(shù)據(jù)匯總于表4，齒面經(jīng)4%硝酸酒精腐蝕后金相組織照片見圖2。另半塊試件隨爐(隨正常生產(chǎn)零件一起)進(jìn)行熱處理。

表4 試件A、B、C熱前脫碳及熱后檢測數(shù)據(jù)匯總表

圖2 熱前齒面金相組織照片

試件的裝架方式及熱處理工藝完全與正常零件一致。出熱后表面硬度、有效硬化層深度等檢測結(jié)果統(tǒng)計于表4中；經(jīng)4%硝酸酒精腐蝕后齒面組織照片見圖3，齒面表層位置非馬氏體組織深度統(tǒng)計見表4。

圖3 熱后齒面滲碳組織及齒面非馬氏體組織金相照片

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 零件齒面位置熱前脫碳及熱后組織觀察

試件A熱前金相照片見圖2(a)，組織為均勻分布的珠光體，未見明顯脫碳。真空熱處理后齒面組織金相照片見圖3(a)，齒面為馬氏體和少量殘余奧氏體組織(含量約為10%)，未檢測出明顯非馬氏體組織；熱后有效硬化層深度為0.64 mm(硬度513HV1)，位于中差附近，次表面0.05 mm處硬度為713HV1(約為60.6 HRC)，均符合產(chǎn)品要求。從試件A的結(jié)果可見：對于真空滲碳、高壓N2淬火工藝，熱處理過程中是不會產(chǎn)生齒面非馬氏體組織的，這也是真空爐的優(yōu)勢之一。

試件B熱前金相照片見圖2(b)，芯部組織為分布較均勻的珠光體，牙齒表面可見較為明顯的脫碳。齒面存在深度為0.126 mm的總脫碳深度，其中全脫碳深0.064 mm，部分脫碳層深0.062 mm；齒根圓角位置同樣存在一定程度的脫碳，數(shù)據(jù)統(tǒng)計于表4中。真空熱處理后齒面組織金相照片見圖3(b)，齒面表面存在較為明顯的非馬氏體組織，厚度為0.015 mm，次表面為馬氏體和少量殘余奧氏體組織(含量約為15%)；熱后有效硬化層深度為0.58 mm(硬度513HV1)，偏技術(shù)要求下差，次表面0.05 mm處硬度為689HV1(約為59.7HRC)?？梢娧例X表面脫碳對熱后齒面非馬氏體組織的產(chǎn)生有直接影響，對齒面有效硬化層深度和次表面0.05 mm處硬度值影響不明顯。

試件C熱前金相照片見圖2(c)，芯部組織為分布較均勻的珠光體，牙齒表面可見嚴(yán)重的脫碳。齒面存在深度為0.214 mm的總脫碳深度，其中全脫碳深0.143 mm，部分脫碳層深0.071 mm；齒根圓角位置同樣存在一定程度的脫碳，數(shù)據(jù)統(tǒng)計于表4中。真空熱處理后齒面組織金相照片見圖3(c)，齒面表面存在非常明顯的非馬氏體組織，厚度為0.029 mm，次表面為馬氏體和少量殘余奧氏體(含量約為15%)組織；熱后有效硬化層深度為0.57 mm (硬度513HV1)，同樣偏技術(shù)要求下差，次表面0.05 mm處硬度為685HV1(約為59.6HRC)。

對比試件B和C試件熱前和熱后齒面組織可知：脫碳層深度直接影響熱后齒面非馬氏體組織的深度；對齒面有效硬化層深度和次表面0.05 mm處硬度值同樣存在影響，但不明顯；非馬氏體組織的產(chǎn)生主要由于表面淬透性的下降，除了碳元素的作用外，主要為合金元素的影響[5]。下面運(yùn)用掃描電鏡(Scanning Electron Microscope，SEM。設(shè)備廠家Zeiss，型號為Sigma-04-82。)及能譜儀(Energy Dispersive Spectrometer，EDS)分析熱前和熱后齒面脫碳表層合金元素的含量。

3.2 齒面脫碳層合金元素分析

金相分析顯示，齒面脫碳層深度直接影響到熱后齒面非馬氏體組織的深度。熱前C元素的流失會在真空滲碳(滲碳溫度940 ℃)過程中得到一定的補(bǔ)充，但如果合金元素(主要為Cr、Mn)流失，將直接降低齒面淬透性。下面選取試件C分析脫碳層及基體合金元素含量。

3.2.1 熱前合金元素含量分析

首先對熱前試塊進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見圖4所示。圖4(a)為距齒面0.02 mm(±0.005 mm，下同)處能譜結(jié)果，可知Cr元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%，并沒有發(fā)現(xiàn)Mn的波峰，可見Mn元素已完全流失。圖4(b)和(c)分別為距齒面0.10 mm處和牙齒芯部的能譜圖，結(jié)果顯示合金元素Mn、Cr、Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)符合材料化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求，可見在距齒表面0.10 mm處，只是脫碳嚴(yán)重并未出現(xiàn)合金元素的流失，所測合金元素含量統(tǒng)計于表5中。

圖4 熱前狀態(tài)C試塊齒面及芯部能譜圖

表5 試件C熱前和熱后合金元素含量數(shù)據(jù)匯總表

3.2.2 熱后合金元素含量分析

熱后能譜分析結(jié)果見圖5所示。圖5(a)為距齒面0.02 mm處能譜圖，可知Cr元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.1%，同樣未發(fā)現(xiàn)Mn的波峰，與熱前檢測結(jié)果吻合。齒面的表層位置Mn元素已完全流失。圖5(b)和(c)分別為距齒面0.10 mm處和牙齒芯部的能譜圖，結(jié)果顯示合金元素Mn、Cr、Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)符合材料化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求，所測合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)統(tǒng)計于表5中。

通過對試件C熱前和熱后不同位置EDS數(shù)據(jù)分析，距齒面0.02 mm處Mn元素已經(jīng)完全流失?？梢婟X面表層非馬氏體組織[見圖3(b)及圖3(c)，齒面表層非馬氏體組織深度為0.015 mm及0.029 mm]產(chǎn)生的原因主要為合金元素Mn的流失。

圖5 熱后狀態(tài)C試塊齒面及芯部能譜圖

4 結(jié)論

(1)未脫碳的齒輪齒面經(jīng)真空滲碳熱處理后不會產(chǎn)生非馬氏體組織；

(2)齒面脫碳深度對真空熱處理后齒面非馬氏體組織的產(chǎn)生有直接關(guān)聯(lián)，對齒面次表面(0.05 mm)處硬度值及齒面有效硬化層深度影響不明顯；

(3)脫碳層區(qū)域熱后非馬氏體組織的產(chǎn)生主要是由于合金元素Mn的流失；

(4)文中試驗所得脫碳層深度與齒面非馬氏體組織深度之間數(shù)據(jù)關(guān)系可為熱前齒面脫碳層深度控制提供一定的參考。