分享：２０MnCr５钢齿轮轴渗碳淬火后表面缺陷原因分析

杨 娥,周 杨,杨 智,李 波

(大冶特殊钢股份有限公司 高品质特殊钢湖北省重点实验室,黄石 ４３５００１)

摘 要:某公司生产的２０MnCr５钢齿轮轴经渗碳淬火处理,精加工后发现齿轮轴表面局部可见明显斑疤.采用宏观观察、化学成分分析、扫描电镜分析和金相检验等方法对齿轮轴表面缺陷的产生原因进行了分析.结果表明:渗碳热处理前使用的防渗碳涂料中的金属铜渗入钢材的晶界,使钢材发生脆化开裂,继而防渗碳涂料中其他低熔点物质也渗入钢材的晶界,破坏钢材基体的连续性,因此精加工后齿轮轴表面出现斑疤状的缺陷.

关键词:齿轮轴;渗碳淬火;斑疤;防渗碳涂料;脆化开裂

中图分类号:TG１１５．２ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１９)０５Ｇ０３４１Ｇ０３

齿轮轴是各种机械设备传动系统中的关键零件,一般要求齿轮轴既具有优良的耐磨性、又具备高的抗接触疲劳和抗弯曲疲劳性,因此热处理对齿轮轴的寿命起至关重要的作用[１].某公司选用２０MnCr５合金结构钢生产齿轮轴,具体生产工艺为:?１９０mm 热轧棒料→下料→车加工→局部涂防渗碳涂料→渗碳热处理→车加工.最终车加工后发现工件表面局部有明显的斑疤,导致零件全部报废.为查明工件表面斑疤形成的原因,笔者对该齿轮轴进行了一系列检验与分析,以期避免再次出现该类缺陷.

１ 理化检验

１．１ 宏观观察

齿轮轴表面斑疤宏观形貌如图１所示,可见斑疤均位于零件不需要表面渗碳的区域,即渗碳热处理时表面刷涂防渗碳涂料的区域,斑疤的大小不同、形状各异.

１．２ 化学成分分析

对该齿轮轴进行化学成分分析,结果见表１,可见该齿轮轴的化学成分满足企业标准对２０MnCr５合金结构钢的技术要求.

１．３ 扫描电镜分析

切取斑疤集中部位,经酒精超声波清洗后使用FEIQUANTA４００F 型 扫 描 电 镜 (SEM)观 察,如

２ 分析与讨论

该齿轮轴的化学成分符合标准要求,齿轮轴上的斑疤仅出现在齿轮轴表面不需要渗碳的部位,渗碳部位则未见此类缺陷.SEM 分析结果表明,造成齿轮轴车削后表面有斑疤的主要原因为钢材基体中有异物渗入.异物的渗入破坏了钢材基体的连续性,从而导致车削后表面不光滑.从斑疤部位横截面金相检验结果可知,缺陷区域呈弧形分布,说明异物是由某一个点开始逐渐向钢材深度及宽度方向渗透.缺陷区域有部分碳元素渗入,说明在渗碳过程中防渗碳涂料没有起到防渗作用。

因齿轮轴各部位性能要求不一样,因此在渗碳热处理时需要对不允许渗碳的部位进行保护.一般采用涂覆防渗碳涂料等方法进行局部防渗,渗碳热处理后再清除零件表面的涂层,从而使整个零件在渗碳热处理后得到较好的综合性能.该齿轮轴渗碳热处理前使用的防渗涂料为某公司生产的 FCＧ１０８型防渗涂料,其主要成分为二氧化硅、三氧化二铝、氧化钾、氧化钠、铜粉、锡粉等.与齿轮轴表面渗入的异物成分相似,说明齿轮轴表面的异物来源于防渗碳涂料.防渗碳涂料中含有铜粉、锡粉等低熔点金属及其合金,且这些金属聚集在钢材表面极易使钢材表面产生脆性开裂[２Ｇ４].渗碳过程中温度较高,防渗碳涂料中低熔点的物质沿钢材最薄弱的晶界渗入钢中.在随后的淬回火冷却过程中,渗入了低熔点物质的晶界容易开裂[５],从而破坏基体的连续性.正常情况下,防渗碳涂料渗入钢材的深度应该是一致的,通过后续的机加工可以将表面异常层完全去除.一旦防碳渗涂料在局部堆积,堆积部位防渗碳涂料渗入钢材的深度肯定会加深,正常的机加工余量不能保证完全去除表面异常层,从而有少许渗层残留在工件表面。

以上分析结果表明,防渗碳涂料在使用过程中出现异常.可从防渗碳涂料本身质量、零件刷涂前

表面是否清理干净、是否刷涂均匀等方面进行具体分析[６Ｇ７].具体可参考JB/T５０７２－２００７«热处理保护涂料一般技术要求»及JB/T９１９９－２００８«防渗涂料 技术条件»。

３ 结论及建议

防渗碳涂料中低熔点物质沿齿轮轴基体的晶界渗入齿轮轴基体中,在随后的淬回火过程中导致齿轮轴基体连续性被破坏,从而在车加工后表面出现斑疤缺陷.建议加强防渗碳涂料的质量检查,严格控制零件刷涂前 表 面 质 量 及 刷 涂 质 量,杜 绝 此 类 缺 陷 的产生。

（文章来源：材料与测试网-理化检验－物理分册 > 2019年 > 5期 > pp.341）