齒輪滲碳工藝及檢驗方法
一、滲碳工藝
滲碳處理是應(yīng)用Z早和Z廣的表面化學(xué)熱處理工藝。它是將碳元素滲入到鋼的表面，使零件表面碳含量增加，隨后通過淬火使表層得到高的硬度，心部得到硬度較低具有良好強韌性的低碳馬氏體。滲碳方案有固體滲碳、液體滲碳和氣體滲碳三種，現(xiàn)在工業(yè)中主要采用的是氣體滲碳法。
滲碳鋼的碳質(zhì)量分數(shù)通常在0.1%~0.25%之間，鋼種主要合金元素有Cr、Ni、Mn、Mo和B等，其作用主要提高鋼的淬透性，使在滲碳淬火后獲得心部高的強度和韌性，目前滲碳工藝應(yīng)用Z廣泛的為齒輪鋼系列產(chǎn)品。
滲碳鋼的熱處理工序包括預(yù)備熱處理和滲碳淬火工藝，其中熱處理包括普通正火、等溫正火、正火+回火、等溫退火。滲碳淬火主要有滲碳后預(yù)冷直接淬火、滲碳后空冷后一次淬火或滲碳后空冷二次淬火，滲碳淬火后進行回火。
目前齒輪鋼常用的標準JB/T7516-1994《齒輪氣體滲碳熱處理工藝以及質(zhì)量控制》。在滲碳工序中通過控制表面碳含量、組織中的碳化物及殘留奧氏體的形態(tài)、分布、表層硬度梯度、以及有效滲碳層深度等，從而可以得到Z佳的滲碳層質(zhì)量和Z小的變形，提高齒輪的質(zhì)量。
二、滲碳件檢驗方法
滲碳層深度和有效硬化層深度均為衡量滲碳質(zhì)量的重要技術(shù)指標。合金鋼滲碳層深度為過過共析鋼+共析鋼+全部過渡層的深度，且過共析層+共析層之和應(yīng)為總深度的50%。GB/T9450-2005《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定和校核》規(guī)定了測量方法。
工件的滲碳層深度一般按照工件的載荷大小選擇，一般彎曲疲勞斷裂的齒輪滲碳層深度取下限，接觸疲勞損壞的齒輪滲碳層深度取上限，載荷大的齒輪滲碳層深度取上限。
滲碳零件通常是在淬火、回火后使用，GB/T25744-2010《鋼件滲碳淬火回火金相檢驗》規(guī)定了有限硬化層深度大于0.3mm的工件滲碳淬火回火金相組織的檢驗、金相組織級別的規(guī)定方法。
1、滲碳后淬火、回火組織
（1）直接淬火組織 滲碳溫度較高，若直接淬火得到粗大狀馬氏體和較多的殘余奧氏體，此時淬火應(yīng)力大，容易產(chǎn)生裂紋。因此，滲碳后一般采用降溫淬火，以析出部分碳化物，得到細針狀馬氏體和少量的殘余奧氏體。因此，滲碳后直接淬火工藝，應(yīng)該嚴格控制降溫淬火的溫度。
（2）一次淬火和低溫回火組織 一次淬火和低溫回火組織是表層為較細的回*狀馬氏體、少量的殘余奧氏體和少量的顆粒狀碳化物，心部組織為低碳馬氏體。應(yīng)嚴格控制一次淬火加熱溫度，以保證得到較細針狀馬氏體和不出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物。
（3）二次淬火和低溫回火組織 二次淬火的目的是消除網(wǎng)狀碳化物及細化組織。滲碳后表層碳含量偏高時，往往出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物組織。例如，一次淬火工藝溫度偏高，消除網(wǎng)狀碳化物組織效果不佳，馬氏體針較為粗大，殘余奧氏體量多時，采用二次淬火工藝。次淬火加熱溫度選擇在心部組織的Ac3以上，以消除網(wǎng)狀碳化物和細化心部組織；第二次淬火選擇在Ac1以上加熱溫度，一般為780~800℃，采用油淬得到細小針狀馬氏體、少量殘余奧氏體和顆粒狀碳化物組織。
2、金相試樣一般采用隨爐試樣，試樣應(yīng)與工件材料牌號相同，具有相同的預(yù)備熱處理狀態(tài)，表面粗糙度應(yīng)與工件相同，檢驗項目見表1。
表1 檢驗項目及檢驗方法
檢驗項目 | 檢驗部位 | 制樣條件 | 評定方法 |
馬氏體 | 距滲碳表面0.05~0.15mm之間區(qū)域 | 侵蝕后 | 500倍視野下，比較法評級 |
殘余奧實體 | 距滲碳表面0.05~0.15mm之間區(qū)域 | 侵蝕后 | 500倍視野下，比較法評級 |
碳化物 | 近滲層表層區(qū) | 深侵蝕后 | 500倍視野下，比較法評級 |
表層內(nèi)氧化層深度 | 滲層表層 | 未侵蝕 | 500倍視野下，根據(jù)內(nèi)氧化層深度評級 |
心部組織 | 試樣心部 | 侵蝕后 | 500倍視野下，比較法評級 |
有效硬化層深度 | 按GB/T9450規(guī)定制定 |
注：應(yīng)考慮熱處理后表面磨削去除因素 |
根據(jù)馬氏體針狀的大小進行評級：
表2 馬氏體的級別評級
級別 | 特征說明 |
1級 | 隱針及細針馬氏體，馬氏體針長≤3μm |
2級 | 細針馬氏體，馬氏體針長＞3μm-5μm |
3級 | 細針馬氏體，馬氏體針長＞5μm-8μm |
4級 | 針狀馬氏體，馬氏體針長＞8μm-13μm |
5級 | 針狀馬氏體，馬氏體針長＞13μm-20μm |
6級 | 粗狀馬氏體，馬氏體針長＞20μm-30μm |
根據(jù)殘余奧氏體含量進行評級：
表3 殘余奧氏體的級別評定
級別 | 特征說明 |
1級 | 殘余奧氏體含量≤5% |
2級 | 殘余奧氏體含量＞5%-10% |
3級 | 殘余奧氏體含量＞10%-18% |
4級 | 殘余奧氏體含量＞18%-25% |
5級 | 殘余奧氏體含量＞25%-30% |
6級 | 殘余奧氏體含量＞30%-40% |
根據(jù)滲層表層內(nèi)氧化物的Z深處深度進行評級：
表4 內(nèi)氧化物層的級別評定
級別 | 特征說明 |
1級 | 表層未見沿晶分布的灰色氧化物，無內(nèi)氧化層 |
2級 | 表層可見沿晶分布的灰色氧化物，內(nèi)氧化層深度≤6μm |
3級 | 表層可見沿晶分布的灰色氧化物，內(nèi)氧化層深度＞6μm-12μm |
4級 | 表層可見沿晶分布的灰色氧化物，內(nèi)氧化層深度＞12μm-20μm |
5級 | 表層可見沿晶分布的灰色氧化物，內(nèi)氧化層深度＞20μm-30μm |
6級 | 表層可見沿晶分布的灰色氧化物，內(nèi)氧化層深度＞30μm，Z深度深度用具體數(shù)字表示。 |
根據(jù)心部組織形貌及鐵素體的大小、形狀和數(shù)量評級：
表5 心部組織的級別評定
級別 | 特征說明 |
1級 | 低碳馬氏體，允許有貝氏體 |
2級 | 低碳馬氏體加不明顯的游離鐵素體，允許有貝氏體 |
3級 | 低碳馬氏體加少量的游離鐵素體，允許有貝氏體 |
4級 | 低碳馬氏體加較多量的游離鐵素體，允許有貝氏體 |
5級 | 低碳馬氏體加多量的游離鐵素體，允許有貝氏體 |
6級 | 低碳馬氏體加大量的游離鐵素體，允許有貝氏體 |
根據(jù)碳化物形態(tài)、數(shù)量、大小及分布情況評定級別：
表6 碳化物的級別評定
級別 | 特征說明 |
網(wǎng)系 | 粒塊系 |
1級 | 無或極少量細粒狀碳化物 |
2級 | 細粒狀碳化物加趨網(wǎng)狀分布的細小碳化物 | 細粒狀碳化物加稍粗的粒狀碳化物 |
3級 | 細粒狀碳化物加呈斷續(xù)網(wǎng)狀分布的小塊狀碳化物 | 細粒狀碳化物加較粗的碳化物 |
4級 | 細粒狀碳化物加呈斷續(xù)網(wǎng)狀分布的塊狀碳化物 | 細粒狀碳化物加粗塊的碳化物 |
5級 | 細粒狀碳化物加網(wǎng)狀分布的細條狀、塊狀碳化物 | 細顆粒狀碳化物加角塊狀碳化物 |
6級 | 顆粒狀碳化物加網(wǎng)狀分布的塊狀碳化物 | 顆粒狀碳化物加大量粗大角塊狀碳化物 |
3、薄層滲碳件金相檢驗
滲碳層深度不大于0.3mm的薄層滲碳件按照GB/T9451-2005《鋼件薄表面總硬化層深度或有效硬度層深度的測定》的具體規(guī)定進行檢驗，可用顯微組織測量法和顯微硬度測量法。
4、重載齒輪金相檢驗
重載齒輪的熱處理指標主要是有表面硬度（58-62HRC）、心部硬度（58-62HRC）有限硬化層深度、表面碳含量和碳勢分布、晶粒度和殘余奧氏體等。重載齒輪一般要求有效硬化層在2mm以上。
滲碳層含碳量會影響滲層的淬透性，對多數(shù)齒輪用鋼而言，在含碳量為0.8~0.9%時，滲碳層具有Z高的淬透性。滲碳層和心部的晶粒度應(yīng)保證在7~8級以上。殘余奧氏體是滲碳層淬火組織中的重要相，殘余奧氏體量過多，則可能產(chǎn)生表面殘留壓力的下降，從而降低齒輪的疲勞強度和耐磨性，但在負荷的作用下，鋼中的殘余奧氏體發(fā)生塑性變形而使齒的接觸狀況改善且維持齒輪的精度。綜合考慮，殘余奧氏體含量一般控制在10~25%之間。
（1）JB/T6141.4-1992《重載齒輪 滲碳表面含碳量金相判別法》中規(guī)定了重載齒輪滲碳表面碳含量金相檢驗的方法。
（2） JB/T6141.2-1992《重載齒輪 滲碳質(zhì)量檢驗》規(guī)定了表面硬度、心部硬度與有效硬化層深度檢驗
（3） JB/T6141.3-1992《重載齒輪 滲碳金相檢驗》規(guī)定了重載齒輪滲碳、淬火、回火金相檢驗的技術(shù)要求和評定級別。
