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大連齒輪滲碳白色斑點問題淺析

大連齒輪滲碳白色斑點問題淺析

發布日期:2016-01-06 00:00 來源:http://www.781468.live 點擊:

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摘  要 

大連齒輪加工類零件滲碳后經熱處理、機械加工、腐蝕后,發現在齒輪齒面有滲碳白色斑點出現。針對不同的白色斑點現象,對其進行分析研究,最終消除滲碳白色斑點。


1. 引言

    滲碳是將低碳鋼工件放在增碳的活性介質中加熱保溫(一般在880~950℃),使活性碳原子滲入鋼件表面獲得較高的碳濃度,并不斷向內部擴散而形成一定的滲層厚度,通過淬火加低溫回火,獲得表面具有高硬度耐磨的性能,而心部又具有韌而強的性能,可以適應承受復雜應力所提出的要求。

    白色斑點是零件經滲碳、機械加工、腐蝕后出現在滲碳表面出現的白色區域。

2. 滲碳齒輪的工藝流程


3. 技術難點

齒輪在整個生產流程中,存在以下幾個方面的技術難點:

3.1 滲碳環節

滲碳前清洗方式為航空汽油手動清洗,清洗完入爐時拿取、周轉易引起二次污染;普通井式滲碳爐上下區氣氛流動存在差異,導致零件表面滲碳層不夠均勻;

3.2 熱處理(淬、回火)環節

a.  在空氣爐采用延遲淬火,沒有合理、得當的保護措施,易引起零件表面高溫氧化脫碳;

b.  沒有合理的淬、回火專用夾具,導致零件變形的現象時有發生。

3.3  磨削環節

a.采用數控磨齒時,設定齒形兩側磨量相同,而由于滲碳層表面不均勻,齒形誤差、齒向誤差、周節累計誤差、齒圈徑向跳動等因素的影響,導致零件磨削完后齒面局部區域去余量太小,齒面碳層不均勻或未磨掉脫碳層,在硝酸腐蝕檢驗時,表面出現顏色差異,即所謂的“白斑”缺陷;

b. 采用數控磨齒時,由于高速旋轉的砂輪(線速度25m/s)與齒面摩擦而生熱,特別是局部點磨削量足夠大時,冷卻不充分或者不及時,局部溫度急劇升高,表面易形成磨削燒傷或磨削再硬化。

4. 試驗過程

針對白色斑點的出現,做了大量的試驗,以對產生白色斑點的原因進行分析,我們從以下幾個方面進行了試驗。

針對齒輪的生產流程,我們對每個關鍵工序進行大量的試驗,用“排除法”逐一分析其可能產生的原因。

4.1 改變滲碳劑進行試驗

同一批零件分成兩部分,分別在北重滲碳爐和ECM真空滲碳爐中進行滲碳

a. ECM真空滲碳前,裝爐時逐一記錄每個零件在工裝的具體位置, ECM真空滲碳爐滲劑用丙烷,而后按齒輪的正常工序進行,發現連續白斑并沒有消除,而且和具體位置無關,說明白斑與滲碳劑的關系不大。

b. 普通滲碳爐滲碳時,裝爐時同樣逐一記錄每個零件在工裝的具體位置,滲劑用煤油+甲醇,而后按齒輪的正常工序進行,發現連續白斑并沒有消除,說明白斑與滲碳劑的關系不大,但是上、下坩堝零件滲碳層存在差異,與滲碳氣氛不均勻有關。

4.3 改變滲碳前清洗方式的試驗

同一批零件分成兩部分,滲碳前分別用航空汽油和超聲波進行清洗,其余按正常工序進行,腐蝕后發現,在超聲波清洗的零件再無“單一白斑”缺陷產生,汽油清洗零件腐蝕后表面偶爾還有“單一白斑”出現。


5. 白色斑點討論分析

    對出現的不同種類缺陷(單一白斑、連續白斑)進行了理化分析,用硬度法檢測同一齒牙兩側的滲碳深度,檢測白斑處、正常區金相組織及顯微硬度,結論為:“單個白斑”系滲碳軟點類缺陷;

“連續白斑”系表面“微量”脫碳,或滲碳層不均勻,磨削、腐蝕后表面存在顏色差異,或磨削燒傷。

    單一白斑:白色斑點分布于齒面、齒頂和齒底,呈近圓形或橢圓形的淺灰色或白色斑痕,邊界不夠清晰,;

    連續白斑:在一個方向的齒面上有連續齒呈2~3mm寬的灰白亮帶,邊界較清晰,;        

5.1 白色斑點的冶金分析

金相分析:解剖白色斑點顯示的兩件滲碳齒輪,在白色斑點處沿橫截面取金相試片,顯微觀察,心部組織為回火低碳馬氏體,正常表面滲層組織為高碳馬氏體+碳化物,滲層過渡區組織為回火高碳馬氏體+二次滲碳體。滲層深度約為1mm,。白色斑點表面組織為回火高碳馬氏體+回火馬氏體+少量鐵素體,屬于滲層過渡區組織,深度約為0.3mm,,顯微硬度分析:對金相試片的心部、滲碳層及白色斑點的顯微硬度進行分析,心部的顯微硬度為450HV,滲碳層的顯微硬度為680HV,滲碳層過渡區的顯微硬度為530HV,白色斑點的顯微硬度為525HV,結果可知,白色斑點處顯微硬度與滲碳層過渡區接近。

5.2  造成白色斑點的原因分析

5.2.1綜合金相分析及顯微硬度結果可知,白色斑點處仍有較淺的滲層,因此可排除脫碳和滲碳軟點,第一類白色斑點顯示應屬于滲層深度淺。造成滲層深度淺的原因可能是零件在滲碳前沒有清洗干凈, 

表面附著油污或污物,阻礙了滲碳的進行。另一種可能是在滲碳時,零件裝爐量較多,擺放較密集,齒與齒之間的空隙太小造成兩齒間的氣氛流動性差,氣氛不均勻,造成滲層較淺。

5.2.2第二類白色斑點的出現可能是零件在進行磨削加工時裝卡位置不正,砂輪粒度的大小和磨削時進刀量的多少都可能造成齒輪加工量不均勻,一邊加工的多,一邊加工的少,使滲碳層減少,腐蝕后白色斑點呈單面沿齒面連續分布。或者說磨削時,砂輪與工件表面溫度高,沒有及時冷卻,造成磨削燒傷或過熱,導致腐蝕后表面出現白色或淺灰色區域。


6. 解決途徑

針對齒輪的加工流程,根據冶金部門對缺陷的理化分析,我們主要從以下幾個方面進行了改進:

a.改進滲碳前零件的清洗方式,消除“單個白斑”的出現;

b.改進滲碳方式,解決滲碳層表面不均勻的問題;

c.改進淬火方式,解決零件表面氧化脫碳及熱處理變形等問題;

6.1. 滲碳前清洗方式的改進

零件在機加工時,防銹油、冷卻液常附著其表面,按照工藝規程要求,滲碳前須用航空汽油清洗零件油污,保證表面潔凈、干燥,由于汽油本身去污能力有限,齒面、齒根部油污、很難被清洗徹底,目視不易被發現,導致最終硝酸腐蝕后表面出現“單個白斑”缺陷,經冶金分析為: 由于滲碳時齒輪表面污染而導致該處出現滲碳“軟點”。

針對此現象,滲碳前改用超聲波清洗線清洗零件,超聲波清洗具有清洗均勻,去污力強,尤其是對內腔、齒底目視不易發現的臟污清洗徹底,清洗線具有噴淋、漂洗、烘干的功能,能徹底凈化零件表面,為零件滲碳作好準備,確保滲碳質量。

6.2  滲碳方式的改進

針對滲碳層不均勻的問題,我們通過更換滲碳設備,采用真空滲碳的工藝。真空滲碳除具有一般真空熱處理的光亮、無脫碳、脫脂、脫氣、變形小等優點外,更重要的是因為真空滲碳氣氛中不含氧化性氣體,可以避免滲碳表面合金元素產生晶間氧化,從而進一步提高滲碳零件的耐磨性能和疲勞性能,延長使用壽命。此外,真空加熱具有活化零件表面及凈化的作用,可使滲碳處理速度加快、時間縮短、效率提高,大幅度降低了生產成本。

6.3  淬火方式的改進

對出現的“連續白斑”缺陷進行冶金分析,結論為表面微量脫碳,故采用真空油淬的方式對其進行滲碳后熱處理。真空淬火過程中,零件一直處在真空狀態下,不存在氧氣氛,因而不會產生氧化脫碳、表面非馬氏體組織、表面黑色組織等,同時零件不會產生表面合金元素貧化及其帶來的表面淬透性降低等問題,零件表面硬度、表面殘余應力水平將明顯提高,因而可以明顯降低零件的表面早期失效,提高零件的使用壽命。


7. 結論

從而找到了在今后生產中減少或避免白色斑點再發生的辦法:

a. 加強零件滲碳前的超聲波清洗,清洗完避免二次污染;

b. 選擇滲碳氣氛較均勻的設備進行生產;

c. 防止零件在熱處理過程中的氧化脫碳及熱處理變形;

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