渗碳齿轮渗碳“麻点”分析

2020-05-13郝丰林敬代云陈德义

金属加工(热加工) 2020年3期

关键词：喷丸渗碳齿面

郝丰林，敬代云，陈德义

1.江苏双环齿轮有限公司江苏淮安 223200

2.浙江双环传动股份有限公司浙江台州 317600

3.赫菲斯热处理系统江苏有限公司江苏溧阳 213300

齿轮在渗碳过程中，有时会出现“麻点”问题。“麻点”的存在不仅影响齿轮外观、降低齿轮精度，使齿轮表面质量下降，而且还改变齿轮表面应力分布，并使渗层局部产生拉应力，降低其疲劳寿命，更重要的是在使用过程中出现断齿，产生安全危害。

1 “麻点”缺陷出现的原因

经过查阅文献和总结生产中遇到的一些问题，造成“麻点”缺陷的原因一般有以下几种：

1）齿轮在渗碳过程中，有的工件要涂防渗剂，由于防渗剂涂得太多，造成在高温时滴落到工件上，致使局部位置存在防渗剂。在热处理过程中没有发现这个问题，最后在清理喷丸或强力喷丸工序发现局部有喷麻现象。

2）齿轮在转运时由于转运箱有杂质，沾到齿轮上，齿轮没有经过前清洗，渗碳加热时杂质在高温下会顺着齿部往下流，齿轮如果平放一般在齿轮下端面，如果串放一般在下面的几个齿。对于轴类也是下端面[1]。

3）齿轮渗碳前一般要经过前清洗，由于选用的清洗剂不合适，清洗剂的主要成分是无机盐，在预氧化时不能燃烧，且使用量大，使用时间长会带到炉体内；即使使用时间短，如果长期保持这种状态清洗剂浓度会逐渐升高，工件烘干后会发现有粉末在上面，一旦加热会形成一熔融层，一部分落到炉体导轨上，另一部分留在工件上，渗碳淬火后会在工件表面发现白点，工件经过清理喷丸或强力喷丸后，白点位置会形成麻点[2]。金相检查，渗层偏浅，表面是屈氏体或板条马氏体，硬度在500～620HV。图1所示就是无机盐清洗剂造成的白点。

图1 无机盐清洗剂造成的白点

4）齿轮经过盐浴处理，硫酸盐腐蚀，经过喷丸后发现有麻点[3-4]。

5）由于淬火油油量不足，造成齿轮淬火时，没有全部浸入油中，生产过程中没有发现，在喷丸工序会发现齿轮有麻点。

对于上述类型的麻点，事先都是没有规律的，且都是在生产过程中检测发现的。

2 “麻点”问题的热处理工艺追查

恰巧我们也遇到了无规律可循的“麻点”问题，对于这种问题只能层层抽丝剥茧。

2.1 “麻点”工件描述

生产中发现个别工件渗碳后转磨齿强力喷丸，产品表面出现麻点，出现的位置不固定，有时在齿面的一个点，有时在齿根，有时在整个齿面。问题工件如图2所示。

图2 出现麻点的问题工件

图2 a中只是齿根有硬化层，齿面基本没有，喷丸后整个齿面都是麻点。图2b是在工件强力喷丸后，齿面有一个麻点，切开后检测金相，发现局部位置组织是屈氏体，硬度偏低，喷丸后出现麻点。

2.2 “麻点”原因追踪

调查生产过程没有发现异常：

1）没有采用盐浴处理。

2）由于是干切齿，因此工件非常干净。

3）没有经过前清洗，即与清洗剂无关。

4）整个过程没有涂防渗剂的产品。

5）淬火油方面，渗碳炉都是新采购的，没有问题。

6）炉子碳势均匀性没有问题，检测9点硬化层在0.1mm之内，符合炉子设计要求。

7）炉子9点测温温度误差在±5℃之间，符合要求。

8）齿轮单边磨量只有0.08mm。

出现麻点的工件位置：有的在齿面一个点，有的就是齿面全麻。对于有麻点的位置多次进行金相检测，组织是屈氏体或板条马氏体。且对于此类型的产品，使用多用炉、推杆炉时都出现过，没有规律可循。

对于这种现象我们查阅了大量文献，也询问了许多行业内专家，始终没有找到原因。

3 考察干切削加工

为了防止产品流出，对其进行强力喷丸分选，工件偶尔出现麻点，出现的工件时间也没有规律，有时一天出1件，有时一天出10件，但并不是每个品种的工件都有，只集中在两个型号的工件。

我们发现出现问题的工件，加工过程都是采用格里森机床进行干切削的，是否是由于干切削问题造成的呢？干切削是加工趋势，对于环境友好，但以前采用湿切削没有出现过此类问题。对于出现问题的工件，在没有经过齿形加工的位置，对金相进行检测，如图3所示，渗层均匀。

图3 无齿形加工部位的问题工件

为了证明猜测，对齿轮加工应力进行检测。对于出现问题的工件加工参数进行试验，每个工件分120°，切取A、B、C三个点，每个点检测齿面和齿根各一点，检测位置距离表面0.025mm。检测结果见表1（表中正值为拉应力，负值为压应力）。

根据检测结果可以看出，切齿齿根出现压应力，根据加工方式来说应该是拉应力，我们认为是否检测有问题。再次随机抽取现有的两件工件，调来兄弟公司一件采用干切削加工的相同工件；每件检测两个位置，每个位置检测0.005mm、0.02mm位置的残余应力。检测结果见表2。

其中一个重要的信息是兄弟公司加工的此工件没有出现类似的“麻点”问题，但根据检测结果来看，我们现有的两件工件的检测结果是优于他们的，但为什么他们没有遇到该问题，而我们却遇到了呢？

表1 工件加工参数和应力值

表2 残余应力检测值

为了验证预氧化温度对于应力的关系，对其中一个工件先切下一试块，然后对剩下的工件进行480℃、保温90min处理，最后再检测残余应力，检测结果见表3。

表3 预氧化后残余应力检测值

从这个试验可以看出，对于工件进行预氧化不仅有活化表面加速渗碳的作用，还有降低残余应力的作用。这次检测结果与以前检测结果差别很大，是检测出现了问题，还是工件本身的确存在问题？我们去现场调查，发现现场有两种刀具在用，一种是厂家原装进口的，另一种是国内仿制的。两种刀具采用相同的加工参数进行加工，于是对厂家刀具材质、镀层、硬度、切削速度等进行了解，调查结果见表4。

表4 两种刀具参数值

根据调查结果可以看出，两种刀具的加工参数差别很大，上面出现的检测残余应力差别很大，正是不同的刀具加工造成的，并不是检测手段本身的问题。对于冷加工来说切齿本就应该出现拉应力，出现压应力可能与刀具有很大的关系。新的刀具初始加工时刀具没有问题，随着时间的增加，切削刃变钝，采用挤压方式切齿，造成齿面有很大的拉应力，齿根有时存在压应力。

为了证明这个问题的真实性，先对仿制刀具全部封存，并找原装进口刀具厂家对刀具加工速度进行模拟，严格按照厂家要求的速度加工，对加工工件做好标识。经过半年运行，原装刀具新参数加工的工件没有再出现麻点的工件。后对仿制刀具也进行相同的操作，并按照其厂家提供的加工速度进行加工，也没有再出现有麻点的工件。由此说明，工件出现“麻点”的问题就是刀具加工参数不合理造成的。