滲碳齒輪內(nèi)氧化控制技術(shù)研究
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梁 通1,2，王文先1，袁曉丹1
（1．太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024;2．國(guó)電聯(lián)合動(dòng)力技術(shù)（包頭）有限公司，內(nèi)蒙古包頭014030）
摘要：針對(duì)齒輪在滲碳過(guò)程中容易產(chǎn)生較深的內(nèi)氧化這一現(xiàn)象，提出通過(guò)調(diào)節(jié)碳勢(shì)的手段抑制內(nèi)氧化的產(chǎn)生，探討了18CrNiM07-6材料的滲碳齒輪內(nèi)氧化控制技術(shù)。采用控制變量法改變擴(kuò)散區(qū)的碳勢(shì)，調(diào)節(jié)試樣在滲碳過(guò)程中碳勢(shì)的變化，分析試樣的金相顯微組織，比較內(nèi)氧化層深度。試驗(yàn)結(jié)果表明：擴(kuò)散期碳勢(shì)從0. 7%C上升到0.8%C時(shí)，內(nèi)氧化深度從22μm下降到15μm。由此可見(jiàn)碳勢(shì)是影響內(nèi)氧化深度的一個(gè)重要因素，可適當(dāng)提高擴(kuò)散期碳勢(shì)，抑制內(nèi)氧化產(chǎn)生。隨著碳勢(shì)的增加，硬化層層深有所提高，碳化物也隨之增加。
關(guān)鍵詞：滲碳齒輪；內(nèi)氧化；碳勢(shì) 中圖分類(lèi)號(hào)：TG162. 73
0 引言
在合金的高溫氧化過(guò)程中，除了形成表面氧化物以外，氧可能溶解并擴(kuò)散進(jìn)入合金內(nèi)部，并與合金中較活潑的組元發(fā)生反應(yīng)而形成顆粒狀氧化物沉積在合金內(nèi)部，相應(yīng)的氧化物稱(chēng)為內(nèi)氧化物。行星齒輪承載力較大，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)的行星輪表面內(nèi)氧化劇烈時(shí)會(huì)成為疲勞源，最終導(dǎo)致斷裂失效；另外，內(nèi)氧化后的區(qū)域合金元素減少，會(huì)導(dǎo)致鋼的淬透性下降。因此，在滲碳過(guò)程中嚴(yán)格控制內(nèi)氧化程度，對(duì)提高風(fēng)機(jī)齒箱使用壽命和穩(wěn)定性非常重要。
氧化劑的存在是產(chǎn)生內(nèi)氧化的根本原因。滲碳爐中的氧化劑有H2O、CO2和O2等成分，它們能滲入鋼材表面，導(dǎo)致滲碳層內(nèi)氧化。王有銘等人曾分析了造成內(nèi)氧化現(xiàn)象的主要原因：①滲碳爐的密封性不好有空氣侵入；②滲碳爐中氧化性氣體如H2O、CO2、O2過(guò)多；③滲碳爐內(nèi)有殘余物等。對(duì)于滲碳鋼而言，一般在900℃～930℃下進(jìn)行滲碳。鋼在工藝溫度下滲碳時(shí)，碳勢(shì)控制值通常應(yīng)小于A(yíng)m點(diǎn)對(duì)應(yīng)的碳溶解度，一般設(shè)定為略小于該溶解度，這樣滲碳中可以抑制高溫時(shí)粗大碳化物的形成。潘一凡等人曾對(duì)在930℃滲碳條件下鋼基體未發(fā)生外氧化而其他合金元素發(fā)生內(nèi)氧化的最大氧分壓做了計(jì)算，得出在合金元素以溶質(zhì)元素形式存在于滲碳鋼中時(shí)，內(nèi)氧化不可避免，但隨著碳勢(shì)的增加，氧分壓降低，內(nèi)氧化程度可以有所降低。
本文針對(duì)材料為18CrNiM07-6的風(fēng)機(jī)齒輪箱一級(jí)行星輪的內(nèi)氧化深度進(jìn)行研究，通過(guò)試驗(yàn)在不改變其他條件下通過(guò)改變滲碳擴(kuò)散期碳勢(shì)的手段來(lái)研究齒輪的內(nèi)氧化程度，找出控制內(nèi)氧化的預(yù)防措施，以解決滲碳齒輪內(nèi)氧化超標(biāo)的問(wèn)題。
1 試驗(yàn)材料及方法
1.1 試驗(yàn)材料
齒輪的基本參數(shù)為：齒頂圓直徑為Φ428 mm，內(nèi)孔徑為Φ310 mm，齒寬為180 mm，法向模數(shù)為9，齒輪重90 kg。每爐附帶一個(gè)隨爐終檢齒形樣作為試驗(yàn)樣品。
使用SPECTROMAXx原子直讀光譜儀對(duì)試驗(yàn)材料18CrNiM07-6進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表1。
1.2試驗(yàn)方法
滲碳時(shí)采用箱式多用爐，其型號(hào)為VKEs6/4-150/115/180CN愛(ài)協(xié)林熱處理系統(tǒng)。采用的熱處理工藝如圖1所示。通過(guò)控制變量法，只改變擴(kuò)散期的碳勢(shì)而不改變其他參數(shù)，從而研究碳勢(shì)與內(nèi)氧化之間的關(guān)系。本次試驗(yàn)采用甲醇十丙酮作為滲碳介質(zhì)，通過(guò)控制丙酮的流量調(diào)節(jié)擴(kuò)散期碳勢(shì)。
2試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 金相檢驗(yàn)結(jié)果
圖2為滲碳過(guò)程中碳勢(shì)隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)。從圖2中可以看出，滲碳后半段擴(kuò)散期的十幾個(gè)小時(shí)內(nèi)的平均碳勢(shì)的高低不同，1#爐試樣平均碳勢(shì)最高，其次為2#爐試樣，平均碳勢(shì)最低為3#爐試樣，可以看出擴(kuò)散期碳勢(shì)明顯都高于工藝值0. 7%C。
分別對(duì)3組試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，主要對(duì)內(nèi)氧化深度、硬化層層深、碳化物級(jí)別進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表2。從表2中得出：①隨著擴(kuò)散期碳勢(shì)的升高內(nèi)氧化深度隨之降低，主要原因是隨著碳勢(shì)的增加，氧分壓降低，因此內(nèi)氧化程度有所降低；②碳勢(shì)的升高，導(dǎo)致硬化層層深增加，因此在實(shí)際生產(chǎn)中也不能一味地提高碳勢(shì)，由于有效硬化層層深要求為2.2 mm～2.5 mm，所以1#爐試樣的擴(kuò)散期碳勢(shì)已經(jīng)接近最高限，如果再提高碳勢(shì)，勢(shì)必會(huì)造成硬化層層深超標(biāo)；③由于碳勢(shì)的升高，表面滲碳組織在回火后析出碳化物，形成粒狀和斷續(xù)網(wǎng)狀碳化物，表面碳化物的彌散程度有所降低。
2.2金相組織分析
圖3為3組試樣內(nèi)氧化深度組織形貌。由圖3可看出，1#試樣內(nèi)氧化深度控制很好，并沒(méi)有形成連續(xù)網(wǎng)狀或爪狀的較為惡劣的內(nèi)氧化，而是表現(xiàn)出單根向內(nèi)延伸且末端分叉的形貌，而且其深度為15μm，小于技術(shù)文件要求的25μm，較薄的氧化層在后續(xù)的磨齒工序中能有效去除；2#、3#試樣中均發(fā)現(xiàn)表面層存在連續(xù)或不連續(xù)的網(wǎng)狀或塊狀黑色組織，這是由于內(nèi)氧化導(dǎo)致貧合金化元素形成的屈氏體類(lèi)組織，也常被稱(chēng)為非馬氏體組織，這類(lèi)組織會(huì)降低表面硬度和耐磨性以及疲勞極限。
圖4為3組試樣碳化物級(jí)別。3組試樣組織中都包括細(xì)粒狀彌散分布的碳化物，隱針馬氏體及少量的殘余奧氏體。碳化物也是很重要的一項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)，高度彌散的碳化物顆粒能使?jié)B層強(qiáng)韌化，從而在提高耐磨性的同時(shí)提高了接觸疲勞強(qiáng)度。圖4(a)中1#試樣碳化物相比其他兩組試樣要差，可看出有少量呈斷續(xù)網(wǎng)的粒狀碳化物存在。
3結(jié)論
(1)擴(kuò)散期碳勢(shì)由0.7%C上升到0.8%C，內(nèi)氧化深度從22μm下降到15 μm。因此可適當(dāng)提高擴(kuò)散期碳勢(shì)，抑制內(nèi)氧化產(chǎn)生。本試驗(yàn)手段是采用滲碳控制系統(tǒng)，對(duì)滲碳工藝參數(shù)嚴(yán)格控制，特別是與表面碳濃度密切相關(guān)的擴(kuò)散碳勢(shì)。
(2)隨著碳勢(shì)的增加，有效硬化層層深有所提高，碳化物也隨之增加。所以在當(dāng)前的滲碳工藝下，應(yīng)控制擴(kuò)散期碳勢(shì)在0.8%C附近，再適當(dāng)縮短擴(kuò)散期保溫時(shí)間。
