齿轮渗碳工艺及检验方法

江湖狼

一、渗碳工艺

渗碳处理是应用最早和最广的表面化学热处理工艺。它是将碳元素渗入到钢的表面，使零件表面碳含量增加，随后通过淬火使表层得到高的硬度，心部得到硬度较低具有良好强韧性的低碳马氏体。渗碳方案有固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳三种，现在工业中主要采用的是气体渗碳法。
  渗碳钢的碳质量分数通常在0.1%~0.25%之间，钢种主要合金元素有Cr、Ni、Mn、Mo和B等，其作用主要提高钢的淬透性，使在渗碳淬火后获得心部高的强度和韧性，目前渗碳工艺应用最广泛的为齿轮钢系列产品。
渗碳钢的热处理工序包括预备热处理和渗碳淬火工艺，其中热处理包括普通正火、等温正火、正火+回火、等温退火。渗碳淬火主要有渗碳后预冷直接淬火、渗碳后空冷后一次淬火或渗碳后空冷二次淬火，渗碳淬火后进行回火。
目前齿轮钢常用的标准JB/T7516-1994《齿轮气体渗碳热处理工艺以及质量控制》。在渗碳工序中通过控制表面碳含量、组织中的碳化物及残留奥氏体的形态、分布、表层硬度梯度、以及有效渗碳层深度等，从而可以得到最佳的渗碳层质量和最小的变形，提高齿轮的质量。
二、渗碳件检验方法
渗碳层深度和有效硬化层深度均为衡量渗碳质量的重要技术指标。合金钢渗碳层深度为过过共析钢+共析钢+全部过渡层的深度，且过共析层+共析层之和应为总深度的50%。GB/T9450-2005《钢件渗碳淬火硬化层深度的测定和校核》规定了测量方法。
   工件的渗碳层深度一般按照工件的载荷大小选择，一般弯曲疲劳断裂的齿轮渗碳层深度取下限，接触疲劳损坏的齿轮渗碳层深度取上限，载荷大的齿轮渗碳层深度取上限。
渗碳零件通常是在淬火、回火后使用，GB/T25744-2010《钢件渗碳淬火回火金相检验》规定了有限硬化层深度大于0.3mm的工件渗碳淬火回火金相组织的检验、金相组织级别的规定方法。
    1、渗碳后淬火、回火组织
   （1）直接淬火组织   渗碳温度较高，若直接淬火得到粗大状马氏体和较多的残余奥氏体，此时淬火应力大，容易产生裂纹。因此，渗碳后一般采用降温淬火，以析出部分碳化物，得到细针状马氏体和少量的残余奥氏体。因此，渗碳后直接淬火工艺，应该严格控制降温淬火的温度。
   （2）一次淬火和低温回火组织   一次淬火和低温回火组织是表层为较细的回火针状马氏体、少量的残余奥氏体和少量的颗粒状碳化物，心部组织为低碳马氏体。应严格控制一次淬火加热温度，以保证得到较细针状马氏体和不出现网状碳化物。
（3）二次淬火和低温回火组织   二次淬火的目的是消除网状碳化物及细化组织。渗碳后表层碳含量偏高时，往往出现网状碳化物组织。例如，一次淬火工艺温度偏高，消除网状碳化物组织效果不佳，马氏体针较为粗大，残余奥氏体量多时，采用二次淬火工艺。第一次淬火加热温度选择在心部组织的Ac3以上，以消除网状碳化物和细化心部组织；第二次淬火选择在Ac1以上加热温度，一般为780~800℃，采用油淬得到细小针状马氏体、少量残余奥氏体和颗粒状碳化物组织。
2、金相试样一般采用随炉试样，试样应与工件材料牌号相同，具有相同的预备热处理状态，表面粗糙度应与工件相同，检验项目见表1。

表1 检验项目及检验方法

检验项目	检验部位	制样条件	评定方法
马氏体	距渗碳表面0.05~0.15mm之间区域	侵蚀后	500倍视野下，比较法评级
残余奥实体	距渗碳表面0.05~0.15mm之间区域	侵蚀后	500倍视野下，比较法评级
碳化物	近渗层表层区	深侵蚀后	500倍视野下，比较法评级
表层内氧化层深度	渗层表层	未侵蚀	500倍视野下，根据内氧化层深度评级
心部组织	试样心部	侵蚀后	500倍视野下，比较法评级
有效硬化层深度	按GB/T9450规定制定
注：应考虑热处理后表面磨削去除因素

根据马氏体针状的大小进行评级：

表2 马氏体的级别评级

级别	特征说明
1级	隐针及细针马氏体，马氏体针长≤3μm
2级	细针马氏体，马氏体针长＞3μm-5μm
3级	细针马氏体，马氏体针长＞5μm-8μm
4级	针状马氏体，马氏体针长＞8μm-13μm
5级	针状马氏体，马氏体针长＞13μm-20μm
6级	粗状马氏体，马氏体针长＞20μm-30μm

根据残余奥氏体含量进行评级：

表3 残余奥氏体的级别评定

级别	特征说明
1级	残余奥氏体含量≤5%
2级	残余奥氏体含量＞5%-10%
3级	残余奥氏体含量＞10%-18%
4级	残余奥氏体含量＞18%-25%
5级	残余奥氏体含量＞25%-30%
6级	残余奥氏体含量＞30%-40%

根据渗层表层内氧化物的最深处深度进行评级：

表4 内氧化物层的级别评定

级别	特征说明
1级	表层未见沿晶分布的灰色氧化物，无内氧化层
2级	表层可见沿晶分布的灰色氧化物，内氧化层深度≤6μm
3级	表层可见沿晶分布的灰色氧化物，内氧化层深度＞6μm-12μm
4级	表层可见沿晶分布的灰色氧化物，内氧化层深度＞12μm-20μm
5级	表层可见沿晶分布的灰色氧化物，内氧化层深度＞20μm-30μm
6级	表层可见沿晶分布的灰色氧化物，内氧化层深度＞30μm，最深度深度用具体数字表示。

根据心部组织形貌及铁素体的大小、形状和数量评级：

表5 心部组织的级别评定

级别	特征说明
1级	低碳马氏体，允许有贝氏体
2级	低碳马氏体加不明显的游离铁素体，允许有贝氏体
3级	低碳马氏体加少量的游离铁素体，允许有贝氏体
4级	低碳马氏体加较多量的游离铁素体，允许有贝氏体
5级	低碳马氏体加多量的游离铁素体，允许有贝氏体
6级	低碳马氏体加大量的游离铁素体，允许有贝氏体

根据碳化物形态、数量、大小及分布情况评定级别：

表6 碳化物的级别评定

级别	特征说明
	网系	粒块系
1级	无或极少量细粒状碳化物
2级	细粒状碳化物加趋网状分布的细小碳化物	细粒状碳化物加稍粗的粒状碳化物
3级	细粒状碳化物加呈断续网状分布的小块状碳化物	细粒状碳化物加较粗的碳化物
4级	细粒状碳化物加呈断续网状分布的块状碳化物	细粒状碳化物加粗块的碳化物
5级	细粒状碳化物加网状分布的细条状、块状碳化物	细颗粒状碳化物加角块状碳化物
6级	颗粒状碳化物加网状分布的块状碳化物	颗粒状碳化物加大量粗大角块状碳化物

3、薄层渗碳件金相检验

    渗碳层深度不大于0.3mm的薄层渗碳件按照GB/T9451-2005《钢件薄表面总硬化层深度或有效硬度层深度的测定》的具体规定进行检验，可用显微组织测量法和显微硬度测量法。

4、重载齿轮金相检验

    重载齿轮的热处理指标主要是有表面硬度（58-62HRC）、心部硬度（58-62HRC）有限硬化层深度、表面碳含量和碳势分布、晶粒度和残余奥氏体等。重载齿轮一般要求有效硬化层在2mm以上。

    渗碳层含碳量会影响渗层的淬透性，对多数齿轮用钢而言，在含碳量为0.8~0.9%时，渗碳层具有最高的淬透性。渗碳层和心部的晶粒度应保证在7~8级以上。残余奥氏体是渗碳层淬火组织中的重要相，残余奥氏体量过多，则可能产生表面残留压力的下降，从而降低齿轮的疲劳强度和耐磨性，但在负荷的作用下，钢中的残余奥氏体发生塑性变形而使齿的接触状况改善且维持齿轮的精度。综合考虑，残余奥氏体含量一般控制在10~25%之间。

（1）JB/T6141.4-1992《重载齿轮 渗碳表面含碳量金相判别法》中规定了重载齿轮渗碳表面碳含量金相检验的方法。

   （2） JB/T6141.2-1992《重载齿轮 渗碳质量检验》规定了表面硬度、心部硬度与有效硬化层深度检验

   （3） JB/T6141.3-1992《重载齿轮 渗碳金相检验》规定了重载齿轮渗碳、淬火、回火金相检验的技术要求和评定级别。