表面脫碳對(duì)滲碳淬火工藝的影響

文/王佳佳·上海汽車變速器有限公司

本文主要針對(duì)某項(xiàng)目擋位結(jié)合齒在工藝開發(fā)試制過程中，發(fā)現(xiàn)了表面非馬氏體組織缺陷，分析與鍛坯表面脫碳有較大關(guān)系，通過幾種脫碳試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，確定了表面脫碳對(duì)滲碳熱處理工藝的影響，對(duì)鍛件表面脫碳技術(shù)要求的制定具有參考意義。

由國內(nèi)某公司研發(fā)的7 速TST 雙離合器變速箱綜合傳動(dòng)效率達(dá)到94%，最高效率達(dá)到97%，具有最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)讓消費(fèi)者擁有優(yōu)越的駕車體驗(yàn)，換擋時(shí)間低于0.2s。該變速器齒軸類零件采用冷熱復(fù)合結(jié)合鍛造、低壓真空滲氮等自動(dòng)化生產(chǎn)工藝，本文以六七擋結(jié)合齒為例，零件外貌如圖1 所示，對(duì)工藝試驗(yàn)中出現(xiàn)的齒部非馬氏體組織成因進(jìn)行分析，制定相應(yīng)措施。

問題描述

圖1 六七擋結(jié)合齒零件外貌

工藝開發(fā)試驗(yàn)階段，滲碳淬火后對(duì)齒部理化進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)齒部外緣出現(xiàn)大量黑色非馬氏體組織如圖2 所示，與此同時(shí)，其他整體式結(jié)合齒也有類似情況出現(xiàn)，主要工藝流程為溫鍛→等溫退火→冷精整→機(jī)加工→滲碳淬火，結(jié)合齒部位在冷精整成形后，不經(jīng)過后續(xù)機(jī)加工處理，直接進(jìn)行滲碳淬火，發(fā)現(xiàn)非馬氏體組織的同時(shí)，表面硬度和滲層深度也低于下限值。

圖2 六七擋結(jié)合齒非馬氏體組織形貌

問題分析

利用魚骨質(zhì)量分析方法，對(duì)該質(zhì)量問題進(jìn)行剖析如圖3 所示，由原熱鍛+車外徑工藝流程轉(zhuǎn)變?yōu)闇劐?不車外徑，其鍛造工藝存在變更情況，分析認(rèn)為表面脫碳對(duì)非馬氏體組織的形成是問題的關(guān)鍵。

圖3 “人機(jī)料法環(huán)測(cè)”質(zhì)量分析

鍛件在熱鍛成形和正火過程中，鋼材中頻快速加熱后，鍛件整體溫度快速上升，一旦達(dá)到材料Ac1溫度附近，鍛件表面便逐漸形成脫碳。脫碳與化學(xué)成分、加熱溫度、保溫時(shí)間、碳的金相形式、環(huán)境氣氛等都有很大關(guān)系。表面脫碳分為全脫碳和半脫碳，在奧氏體化過程時(shí)，全脫碳后零件表面形成鐵素體單相區(qū)，而半脫碳擴(kuò)散層呈梯度分布，過冷后形成穩(wěn)定的鐵素體和珠光體組織，脫碳越嚴(yán)重，珠光體量越少。

脫碳過程中，氧原子在工件表面聚集，并沿奧氏體晶界向晶內(nèi)擴(kuò)散，而合金元素則由晶內(nèi)向晶界、由內(nèi)層向表層擴(kuò)散并與氧結(jié)合形成氧化物，脫碳中氧化物主要分布在晶界上，其含量由表層向內(nèi)層逐漸減少。后續(xù)滲碳淬火、冷卻時(shí)由于合金元素貧化，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橥惺象w、貝氏體等非馬氏體，表面無法有效形成馬氏體，這些表面出現(xiàn)的非馬氏體組織在滲碳淬火后表現(xiàn)為硬而脆，容易導(dǎo)致成品零件表面強(qiáng)度不足，從而形成尺寸上的缺失和嚙合間隙過大。

非馬氏體組織是由內(nèi)氧化的貧合金化元素導(dǎo)致而形成。一旦形成此類組織，其后果是降低表面硬度和耐磨性以及疲勞極限，并由晶粒邊界或氧化物的應(yīng)力集中區(qū)域，萌生細(xì)微裂紋，并向更深的地方延伸。材料為S-20MnCrSH，化學(xué)成分見表1，產(chǎn)品外形如圖4 所示。

圖4 六七擋結(jié)合齒零件圖形

表1 S-20MnCrSH 化學(xué)成分(wt%)

解決問題的方法及結(jié)果驗(yàn)證

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試制中反饋的缺陷，預(yù)處理工藝進(jìn)行了七個(gè)產(chǎn)品工藝試驗(yàn)。利用增加鍛造溫度和中頻加熱時(shí)間的方式，使產(chǎn)品表面脫碳達(dá)到上公差0.1mm 左右，觀察熱后理化檢測(cè)結(jié)果與毛坯狀態(tài)對(duì)應(yīng)情況，溫鍛成坯后對(duì)表面脫碳進(jìn)行檢測(cè)，如圖5 所示。

圖5 溫鍛成坯后表面脫碳情況(100×)

因溫鍛+無氧化正火+冷精整工藝特點(diǎn)，產(chǎn)品結(jié)合齒部位精整后不經(jīng)過機(jī)加工，所以齒部的表面脫碳尤為關(guān)鍵，檢測(cè)部位均為結(jié)合齒齒面，對(duì)冷精整后的表面脫碳進(jìn)行檢測(cè)，如圖6 所示。經(jīng)過金屬流動(dòng)，齒頂和齒面表面脫碳被有效拉長(zhǎng)堆積至齒根位置。

圖6 冷精整后表面脫碳情況(100×)

冷精整后，產(chǎn)品進(jìn)入機(jī)加工和滲碳淬火，對(duì)七件殘留體進(jìn)行特別跟蹤。對(duì)表面硬度、心部硬度、滲層深度和表面非馬氏體組織各項(xiàng)進(jìn)行分別檢測(cè)，與進(jìn)熱處理前進(jìn)行對(duì)比。利用原始不同深度的脫碳層零件，與進(jìn)熱處理后的數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，表面脫碳層深的零件在熱處理后的非馬氏體組織厚度更大，表面硬度更易低于技術(shù)要求值，見表2。

通過該驗(yàn)證試驗(yàn)，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)熱處理后產(chǎn)品表面均出現(xiàn)非馬氏體組織，如圖7 所示，且根據(jù)表面脫碳層深度呈現(xiàn)正比關(guān)系，而一旦出現(xiàn)非馬氏體組織后，所有工序均已完成，該問題的出現(xiàn)將造成產(chǎn)品報(bào)廢，非馬氏體組織通過強(qiáng)噴/氣噴工藝后有所改善，但難以全部消除，且極易造成表面毛刺的產(chǎn)生，影響產(chǎn)品質(zhì)量，需要根據(jù)實(shí)際情況制定有效措施進(jìn)行改善。

圖7 進(jìn)熱處理后零件表面非馬氏體組織情況

表2 試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)

結(jié)果驗(yàn)證：當(dāng)毛坯加熱過程中，溫度高于600℃后，零件表面將容易出現(xiàn)表面脫碳，加熱時(shí)間越長(zhǎng)或加熱溫度越高，表面脫碳值越大。經(jīng)過冷精整后，結(jié)合齒齒面經(jīng)過塑性變形拉伸后，脫碳將減少，受到擠壓后，脫碳將增加。經(jīng)過滲碳淬火，非馬氏體組織因脫碳存在而出現(xiàn)，表面硬度將低于正常值，脫碳層越大，滲層深度越小，非馬氏體組織深度越大。

實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)于已出現(xiàn)非馬氏體組織的產(chǎn)品，且厚度≥0.03mm，強(qiáng)化噴丸工藝可有效消除表面非馬氏體組織，但易造成產(chǎn)品表面粗糙度問題，且影響產(chǎn)品尺寸，需綜合考慮后實(shí)施。在強(qiáng)化噴丸生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)具體技術(shù)要求進(jìn)行鋼丸和參數(shù)的調(diào)整，以減少產(chǎn)品表面非馬氏體組織厚度，減少質(zhì)量問題導(dǎo)致的損失。

制定措施

針對(duì)驗(yàn)證的結(jié)果，對(duì)預(yù)防零件表面脫碳問題進(jìn)行了措施制定。

在中頻爐加熱分區(qū)中，由原先的模塊1 和模塊2加熱，模塊3 保溫更改為模塊1 關(guān)閉，模塊2 和模塊3 加熱，達(dá)到始鍛溫度，如圖8、圖9 所示。并且鍛造溫度由1040 ～1050℃下降為1020 ～1030℃。

圖8 中頻爐加熱分區(qū)

圖9 中頻爐分區(qū)電流設(shè)定

在鍛造環(huán)節(jié)，坯料表面預(yù)涂石墨濃度由4%～5%增加到5%～7%，通過水分儀測(cè)量實(shí)際濃度，并進(jìn)行每班記錄，如圖10 所示。

圖10 水分儀測(cè)定石墨濃度

以氮?dú)獬錆M爐膛，通入丙烷作為富化氣，控制碳勢(shì)值，保證爐膛內(nèi)處于無氧狀態(tài)，保護(hù)產(chǎn)品不受脫碳問題影響，碳勢(shì)由0.1%wtC 提升至0.2%wtC。

措施同時(shí)進(jìn)行，如表3 所示，對(duì)零件熱處理前，表面脫碳進(jìn)行過程控制，將零件表面脫碳控制到≤0.05mm，進(jìn)熱后零件表面消除了非馬氏體組織如圖11 所示，表面硬度和滲層深度滿足技術(shù)要求，同時(shí)獲得了較理想的心部硬度，且重復(fù)性良好。

結(jié)論

表面脫碳對(duì)滲碳過程中非馬氏體組織的形成有直接影響，碳和合金元素的缺失將影響奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)的有效性，奧氏體將轉(zhuǎn)變?yōu)橥惺象w、貝氏體等非馬氏體，表面脫碳層越大，滲層深度越小，非馬氏體組織厚度越大。

表3 改進(jìn)措施

圖11 零件表面消除了非馬氏體組織

⑴非馬氏體組織的形成將降低表面硬度和耐磨性以及疲勞極限，并由晶粒邊界或氧化物的應(yīng)力集中區(qū)域，萌生細(xì)微裂紋，并向更深的地方延伸，對(duì)產(chǎn)品性能有重大影響，應(yīng)完全避免和預(yù)防。

⑵強(qiáng)化噴丸工藝可有效消除表面非馬氏體組織，但易造成產(chǎn)品表面粗糙度問題，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)具體技術(shù)要求進(jìn)行鋼丸和參數(shù)的調(diào)整，以減少產(chǎn)品表面非馬氏體組織厚度。

⑶結(jié)合齒位置的脫碳在塑性變形中將拉伸和破壞，隨著金屬流動(dòng)堆積在齒根位置，應(yīng)將全脫碳層深度控制在≤0.05mm 范圍內(nèi)，否則將極易導(dǎo)致結(jié)合齒位置的非馬氏體組織。

⑷可以通過設(shè)定合理的中頻加熱模塊、降低鍛造溫度、增加石墨濃度和增加預(yù)處理過程中的碳勢(shì)保護(hù)等措施，減少表面脫碳的增加。