齿轮渗碳层深度超标返修工艺探讨

2022-09-01刘少军王培科

金属加工(热加工) 2022年8期

刘少军，王培科

西安煤矿机械有限公司陕西西安 710000

1 序言

采掘机械使用的工况环境恶劣，齿轮作为关键的零件之一，其力学性能直接决定着采掘机械的使用寿命，随着采掘机械向着高可靠性发展，对采掘齿轮的性能要求越来越高，一般选用低碳合金钢，采用渗碳淬火工艺，使齿轮表面耐磨，心部韧性好[1]。但有时会存在渗碳层深度超标问题，对渗碳层过深一般无法返修，通常作报废处理。为了挽救损失，降低生产成本，笔者对渗碳层深度超标齿轮的返修进行有益的探索。

2 试验材料和方法

因渗碳设备出现故障，一批26件美标材质8210的齿轮在渗碳处理后，检测随炉试样时发现渗碳层深度为2.6mm，而工艺要求为1.8～2.2mm，随机选取一件齿轮，经解剖检测，齿轮渗层深度达2.6mm，碳化物级别为5级（工艺要求1～3级）。由此可见，齿轮渗碳层深度及碳化物级别已严重超出工艺要求，按常规热处理工艺已无法返修[2]。为减少损失，笔者选取两个齿轮进行退碳、复渗碳淬火处理试验，返修工艺详见表1，退碳及渗碳工序均装随炉试样。

表1 齿轮渗碳层超标返修工艺

3 试验结果分析

3.1 退碳试验结果

对退碳随炉试样进行剥层试验及理化检测，碳含量检测采用红外碳硫分析仪LECO CS744检测[3]，表面碳浓度分布如图1所示。由图1可见，表面碳含量最低，随距表面深度的增加，碳含量先升高、后降低。其中，距表0.1mm处wC为0.09%；距表面2.5mm处wC为0.16%；距表面3.7mm处，wC达到峰值为0.27%，心部wC为0.16%，由此可见，距表面垂直距离2.5mm的碳含量与心部组织一致。

图1 退碳后随炉试样表面浓度梯度

将已经退碳的试样进行860℃保温45min油淬后，对试样进行磨抛后，采用4%硝酸酒精溶液腐蚀后，采用金相显微镜OLYMPUS GX71观察，从组织分析，渗碳层碳化物已消除，表层组织为细小铁素体加少量贝氏体，深度为2.5mm，其余表层组织为过渡层，距表面1.8mm处组织为中碳马氏体，心部组织为低碳马氏体，如图2～图5所示。采用显微硬度计检测，结果如图6所示。由图6可知，表面硬度随距表面深度的增加先升高后降低，距表面4.0mm处的硬度为476HV（47.5HRC），心部硬度为446HV（43.0HRC）。综上检测结果，齿形试样退碳效果已达到试验目的。

图2 退碳随炉试样淬火表面组织

图3 退碳随炉试样淬火距表面0.9mm处组织

图4 退碳随炉试样淬火距表面4.0mm处组织

图5 退碳随炉试样淬火心部组织

图6 退碳随炉试样淬火硬度梯度检测结果

3.2 复渗碳试验结果

对退碳后的随炉试样按照表1中工序2经复渗碳淬火后，金相组织如图7、图8所示。渗碳层深度为1.9mm，碳化物级别为粒状2级，渗碳层组织为细小粒状碳化物加隐针马氏体及少量残留奥氏体，马氏体及残留奥氏体评为2级，心部组织为低碳板条马氏体。经显微硬度计检测，该退碳、复渗碳淬火试样有效硬化层深度为1.9mm，渗碳层硬度梯度平缓（见图9），试样表面硬度实测为58.5～59.5HRC。由此可见，经退碳、复渗碳淬火后，试样有效硬化层深度、碳化物级别、马氏体及残留奥氏体级别均符合技术要求。

对两个退碳、复渗碳淬火齿轮的尺寸检测，其外形尺寸符合工艺要求。