深层渗碳淬火齿轮剥落原因分析

材料科学,热处理,齿轮,20CrMnTi

研究与应用!$%$&’()*"++,-(&.-/0

齿轮热处理工艺与装备专辑

深层渗碳淬火齿轮剥落原因分析

南京高精齿轮股份集团有限公司

（江苏

!"##"!）

朱百智

石

斌

马红武

郭祺龙

在某小型热处理厂经过渗碳淬火处理的大模数齿轮，在使用!个月后，多个轮齿出现了程度不同的剥落现象。本文从原材料质量状况、渗碳淬火过程和组织形态特点等方面分析了剥落现象的产生原因。

二、原材料状况

!"化学成分

在!"#$%&%’齿轮的本体上进行了取样，对其成分进行了检测，检测结果如表,所示。可以看出，齿轮材料化学成分符合34567+.(—,..!标准（大型锻件标准）要求。

表!"#$%&’&(齿轮的化学成分（质量分数）

元素含量234506/1—!//"标准要求

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一、齿轮剥落的宏观形貌

一件渗碳淬火齿轮（材料：!"#$%&%’；外径：()"**；内径：++(**；齿宽：+,"**；模数：,-；齿数：!.）在使用!个月后，,!个轮齿的齿面出现了程度不同的剥落现象，如图,、图!所示。主要表现出以下特点：

（,）剥落现象集中分布于/"0连续排列的轮齿。（!）剥落现象集中在轮齿的工作面。

（+）剥落深度在"1(2!**，剥落面积在(2+"**!，剥落范围接近齿宽的,""0

。

（)）

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#"力学性能

在"#$%&’&(齿轮的本体上进行取样，对其力学性能进行了检测，检测结果如表"所示。可以看出，齿轮材料的力学性能符合234506/1—!//"标准（大型锻件标准）要求。

表""#$%&’&(齿轮的力学性能

指标

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"（0#（0"<53,+17

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图,

齿轮工作面的剥落现象

测试值34

567+.(—,..!标准要求

","-""-+(",""/("((

$"非金属夹杂

在!"#$%&%’齿轮的本体上进行了取样，对其非金属夹杂指标进行了检测，检测结果如表+所示。可以看出，齿轮材料的非金属夹杂指标符合=456,"(7,—,.-.

图!齿轮非工作面未发生剥落现象

标准要求。

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!"#"$%&’()**+,&$-,./研究与应用

表!"#$%&’&(行星齿轮的非金属夹杂指标

项目评级’"()&%*+&—&,-,

标准要求

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（位置.）和心部（位置:）进行了分析测试。

细系粗系细系粗系细系粗系细系粗系

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!"探伤检查

.%#/0102齿轮经过了正火、粗车、滚齿、渗碳淬火和磨齿等加工工序。在零件出厂前的超声波和磁粉探伤检查过程中，均未发现裂纹和其他缺陷存在。

图*.%#/0102齿轮本体取样示意图

（&）轮齿渗层表面和心部的金相组织齿面渗层、

轮齿心部和齿根的金相组织分别如图

+=

、图+>和图+?所示。由图+=可以看出，磨齿后的齿面组织由回火马氏体、残余奥氏体和少量的粒状碳化物组成，此外齿面也出现了大量的贝氏体和托氏体等非马氏体组织；由图+>可以看出，轮齿的心部组织没有发现正常的心部淬火组织板条状马氏体，组织为铁素体和少量的碳化物；由图+?可以看出，未经磨削的齿根组织由回火马氏体、

三、热处理结果

#"热处理技术要求

.%#/0102齿轮渗碳淬火技术要求如表3所示。

表)"#$%&’&(齿轮的渗碳淬火要求

图样(工艺

齿面

有效硬化

硬度层深要求

(44

57#

（以**%56为限）

.8+9:8.(:8%9:8+

*;9+.

心部硬度57#

<"()+&3&".*

+:—&,,.相关要求

材料

渗层金相组织

残余奥氏体和连续的网状碳化物组成，此外，在齿根表面也发现了贝氏体和托氏体等非马氏体组织。

.%#/0102齿轮&-

$"渗碳淬火流程

.%#/0102齿轮的渗碳工艺过程发生于自动化程度较低的小型渗碳炉（人工数介质滴量方法控制），如图:和图3所示。

图+轮齿渗层表面和心部的金相组织

（.）渗层的硬度梯度

图:.%#/0102齿轮渗碳工艺流程

非工作面（位置&）和齿根

（位置.）渗层的硬度梯度如图;所示。

图3.%#/0102齿轮淬火工艺流程

%"渗碳淬火结果与分析讨论

在.%#/0102齿轮的零件实物的齿宽中间位置截面上，任意选取用线切割的方法截取的一块试样（包含，如图*所示。如前所述，由于工作面剥落&+*个轮齿）

深度在%8*

9:44之间，无法对剥落位置进行测试，因此，分别选择了未发生失效的非工作面（位置&）、齿根

图;轮齿不同位置渗层的硬梯度

年第+#期37

!!!8"#$%&’&()8$*"8$’

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研究与应用!"#"$%&’()**+,&$-,./

第一，齿面硬度及层深。由图!可以看出，渗层的最高硬度位于距齿面"#$%%处，硬度为&’"()（，有效硬化层深度为-#-%%（以&&"()为&*#&(+,）

限）。齿面硬度和有效硬化层深与表.中的下限要求（&!(+,和$#/0&&"()）差距较大。

第二，齿根硬度及层深。由图!可以看出，渗层的最高硬度位于距齿面"#$%%处，硬度为/-"()（，有效硬化层深度为-#-%%（以&&"()为&&#&(+,）

限）。未经磨削齿根的表面硬度不能满足表.中的下限要求（。&!(+,）

第三，心部硬度。本文对轮齿的心部（图&中位置*）进行了测试，硬度为-$"(12左右，远低于表.中$&(+,的要求。

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夹杂和加工过程探伤结果均符合要求，因此可以排除非金属夹杂或裂纹缺陷因素。

（$）热处理因素轮齿渗层出现了大量的非马氏体组织和不良碳化物，心部主要组织为铁素体，这导致了轮齿的渗层最高硬度值（、有效硬化层深和心&*#&(+,）部硬度值（-$"(12）均远低于实际要求，进而导致渗层出现剥落现象。造成渗碳淬火不良组织的可能原因包括：处理该齿轮的设备碳势控制精度低（工件实物层深严重偏浅、有连续网状碳化物产生），淬火实际保温温度严重偏低或时间严重偏短，油冷速度不足等。

五、结语

通过对渗碳淬火齿轮原材料和热处理因素的分析讨论，可以得到以下结论：

（-）轮齿硬度梯度不合理。渗层最高硬度&*#&(+,，心部硬度值严重偏低（，以及有效硬化层深严-$"(12）重偏浅，不足设计要求&"3，这些是渗层出现的剥落现象的直接原因。

（$）由于渗碳淬火设备控制精度低、过程失控导致了渗层和心部均产生了大量的非渗碳淬火组织，导致了渗层和心部硬度值严重偏低、有效硬化层深严重偏浅。

（*）深层渗碳淬火齿轮不宜在自动化程度较差的设备系统中处理。

（$""!"!$’）

四、分析讨论

一般来说，齿轮副在啮合运转时，当距表面某一深度的剪切应力超过剪切强度时，容易发生剥落。如果渗层某一部位存在非金属夹杂或裂纹等缺陷，将导致该处强度降低，可能产生剥落。此外，由于齿轮表面硬化层的硬度梯度与强度分布有一定的比例关系，因此，对渗碳淬火齿轮而言，硬度梯度不合理、硬化层深不足以及渗层硬度和心部硬度不足都有可能产生剥落。

（-）原材料因素本文中发生剥落的齿轮，非金属

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（上接第$&

页）

其应用领域，尤其是用于在工业齿轮的渗碳，提高了工业齿轮的质量，大大改善了操作环境，提高了自动化程

度，减少了人为因素对产品质量的影响。

图’

（见图4）.）工业齿轮（材料：-’,56789!—/；渗

图4

碳层深度：-#&:*#&%%；装炉量：$&"":&""";<；渗碳温度：4*&=；处理周期：-&:!$>。

!"结语

（-）经过几年的生产运行，实践证明超大型可控气氛多用炉设计先进、可靠、运行稳定。

（$）大型可控气氛箱式多用炉的问世，大大扩大了

（*）特殊的淬火槽设计及油搅拌器的变频驱动，为优化冷却工艺、控制淬火变形提供了有效的工具。

（.）超大型可控气氛多用炉是一个值得广泛推广的高科技产品。

（$""!"!$&）

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/9k84.html