27MnCr5鋼齒輪滲碳淬火回火后組織粗大的工藝改進＊

李衛民，左 彪

1.泰州職業技術學院機電技術學院（江蘇泰州 225300）

2.江蘇飛船股份有限公司（江蘇泰州 225300）

1 引言

27MnCr5鋼齒輪經過滲碳、淬火、低溫回火后的金相組織出現異常現象：經4%硝酸酒精腐蝕后，有許多目視可見的粗亮黑點，黑點處齒輪組織晶粒非常粗大，大大降低了27MnCr5鋼齒輪的接觸疲勞和彎曲疲勞等力學性能指標，縮短了齒輪的使用壽命，對27MnCr5鋼齒輪的使用性能和壽命影響都很大。筆者認為應該對這種現象加以重視，通過分析，找出原因，加以預防，并通過對27MnCr5鋼滲碳直淬齒輪生產工藝進行工藝改進來找出解決問題的方法[1]。

2 齒輪黑色區域的分布形態及其金相組織

27MnCr5鋼齒輪經過滲碳、淬火、低溫回火后，常見黑點分布形態有3種，都伴隨著出現粗大的晶粒組織。

（1）少量黑色區域的形態分布及其內部組織。

如圖1所示，27MnCr5鋼齒輪經過滲碳、淬火、低溫回火后，出現少量黑色區域的齒輪表面組織細致，組織為細小的馬氏體M和細小的殘余奧氏體Ar，2級；但黑色區域組織出現異常，既有粗大的馬氏體M，而且有大量的塊狀、網狀鐵素體F組織[2]。

（2）中量黑色區域的形態分布及其內部組織。

如圖2所示，27MnCr5鋼齒輪經過滲碳、淬火、低溫回火后，出現中量黑色區域的齒輪表面組織為粗大高碳針狀馬氏體M；黑色區域的組織既有粗大低碳板條狀馬氏體M，而且有大量的塊狀、網狀鐵素體F組織[2]。

圖1 少量黑色區域的金相組織

圖2 中量黑色區域的金相組織

（3）大量黑色區域的形態分布及其內部組織。

如圖3所示，27MnCr5鋼齒輪經過滲碳、淬火、低溫回火后，出現大量黑色區域的齒輪表面組織為粗大的馬氏體+殘余奧氏體；黑色區域的組織既有粗大低碳板條狀馬氏體，而且有大塊狀鐵素體組織。

3 黑色區域的危害性

（1）這樣的黑色區域的出現對滲碳層的深度的檢測容易引起誤判，對有效硬化層的測定同樣影響很大[3]。

（2）無論是大量的黑色區域，還是少量的黑色區域，它們都有一個共同點：一旦有這種黑點現象出現，該處的金相組織（馬氏體和殘余奧氏體M+Ar、低碳馬氏體M等）都很粗大，而且還摻雜些其它異常組織包括大塊狀的鐵素體F或者沿晶界分布的鐵素體F。

這樣的粗大組織或者異常組織產生的組織應力都很大，勢必造成齒輪應力局部集中，在使用中容易造成輪齒崩斷。

（3）黑色區域這種粗大組織或者異常組織的存在會破壞金屬基體的連續性，勢必影響齒輪的接觸疲勞強度、彎曲疲勞強度等齒輪的各項力學性能，造成齒輪早期崩裂、破損，嚴重影響齒輪的使用壽命。

圖3 大量黑色區域的金相組織

4 齒輪生產工藝改進

（1）原材料的控制。

通過進貨記錄檢查發現，產生黑色區域粗大組織或異常組織的原材料的帶狀組織嚴重，達到4級。帶狀組織是材料元素偏析的一種現象，為此，對原材料要嚴加控制，對元素偏析嚴重、奧氏體晶粒粗大的材料要杜絕流入生產，從源頭上斬斷這種黑色區域的產生。

（2）中間熱加工工序的控制。

27MnCr5鋼齒輪經過滲碳、淬火、低溫回火后一旦出現黑色區域，該區域的金相組織必然粗大或者異常。為此，對引起齒輪組織粗大的生產環節要加以嚴格控制，比如鍛造、滲碳、淬火等環節，防止齒輪局部過熱、過燒等。

另外從齒輪流轉的各熱加工工序上確保齒輪的晶粒不長大，使黑色區域產生的基礎消失。特別是對鍛造溫度的控制，溫度過高或過低都會對晶粒長大產生不利影響，有必要對鍛造過程不定期進行溫度監控[4]。

（3）對已形成黑色區域的齒輪的修復工藝。

對生產中出現有黑色區域的齒輪，我們選取中量黑色區域齒輪和大量黑色區域齒輪做了相應的修復工藝試驗。

a.修復工藝一：對選取的中量黑色區域齒輪和大量黑色區域齒輪重新加熱淬火、低溫回火，淬火、低溫回火工藝曲線如圖4所示。

圖4 淬火低溫回火工藝

經過重新淬火低溫回火修復工藝處理后，中量黑色區域齒輪和大量黑色區域齒輪金相組織如圖5和圖6所示。

其組織粗大的現象并沒有改觀，修復處理后表面馬氏體和殘余奧氏體仍然達到七級；心部組織仍很粗大，達不到改進的效果。

b.修復工藝二：對選取的大量黑色區域齒輪先進行球化退火，球化退火工藝曲線如圖7所示，再重新加熱淬火、低溫回火。淬火、低溫回火工藝曲線如圖8所示。

圖5 中量黑色區域齒輪金相組織

圖6 大量黑色區域齒輪金相組織Z

有大量黑色區域的齒輪，雖經過球化退火，但其加熱溫度在780℃左右，在此溫度下，材料不能完全奧氏體化，內部組織改善不大，經過該修復處理后表面和心部組織如圖9所示，仍然很粗大，達6級，達不到改進的效果。

圖7 球化退火工藝

圖8 淬火低溫回火工藝

圖9 球化退火淬火低溫后金相組織

c.修復工藝三：對選取的大量黑色區域齒輪先進行等溫正火，等溫正火工藝曲線如圖10所示，再重新加熱淬火、低溫回火。淬火、低溫回火工藝曲線如圖8所示。

圖10 等溫正火工藝

有大量黑色區域的齒輪，經過等溫正火后再淬火低溫回火，齒輪表面和心部金相組織均勻細小，如圖11所示，經檢驗，黑點區域消除，金相組織合格。這主要是由于等溫正火能保證齒輪材料完全奧氏體化，齒輪內外都處于同一溫度下發生組織轉變，能獲得均勻的組織和性能，起到細化晶粒、消除組織缺陷等作用[3]。

圖11 球化退火淬火低溫后金相組織

5 結論

（1）對27MnCr5鋼原材料要嚴加控制，對元素偏析嚴重、奧氏體晶粒粗大的27MnCr5鋼原材料要杜絕流入生產，從源頭上斬斷這種黑色區域的產生。

（2）對引起27MnCr5鋼齒輪組織粗大的中間生產環節要加以嚴格控制，比如鍛造、滲碳、淬火等環節，防止齒輪局部過熱、過燒等。另外從齒輪流轉的各熱加工工序上特別是對鍛造溫度的控制，溫度過高或過低都會對晶粒長大產生不利影響，有必要對鍛造過程不定期進行溫度監控。

（3）對于已經出現黑色區域的27MnCr5鋼齒輪，在機加工和滲碳淬火低溫回火之前加一道等溫正火工藝，并進行相應的工藝試驗，方可投產。