脫碳對真空滲碳齒面組織影響及原因探討

楚大鋒，卞凱強，曾曉蕾

(上海汽車變速器有限公司，上海 201822 )

0 引言

汽車變速器廠家對齒輪牙脫碳均有明確的規定，脫碳可能會造成牙齒表面硬度偏低、牙齒表面產生非馬氏體組織等問題，嚴重影響齒輪的正常使用。所以在進行齒輪熱處理(滲碳-淬火，回火)時需對齒輪脫碳程度進行控制。與常規可控氣氛滲碳淬火熱處理[1]不同，此零件為真空熱處理，采用低壓真空滲碳，高壓N2淬火工藝[2]，零件一直處于真空狀態下，不會產生內氧化，避免了滲碳過程中由于氧化氣氛造成的非馬氏體等不良組織。另外真空熱處理滲碳溫度高[3]，零件具有高的表面活性，進而降低滲碳時間，高壓N2淬火；同時可合理控制殘余奧氏體含量[4]，獲得良好的齒面組織；不排放廢氣，環保節能。

1 原材料及零件基本信息

此自動變速箱從動一擋齒輪，形貌見圖1(a)，圖1(b)為剖視圖；材料為SAE5120H-M，基本尺寸見表1，主要元素含量見表2。

圖1 零件形貌及剖視圖

表1 零件基本尺寸mm

表2 化學成分(各元素含量僅供參考) %

零件鍛坯采用熱鍛+冷精整工藝。鍛造成型后結合齒不再進行機加工，待輪齒及端面加工完成后整體進行低壓真空滲碳+高壓N2淬火，所以在鍛造過程中結合齒牙產生的脫碳問題將直接影響滲碳淬火后輪齒的組織和使用性能。

2 熱處理工藝

為了得到脫碳深度對零件熱處理后輪齒組織的影響，本文作者針對不同脫碳深度的試件進行熱處理跟蹤試驗。選取不同脫碳深度的零件3件，分別標示為A、B、C。對3個零件分別用砂輪片割開，一半用于熱前脫碳情況監測，另一半隨正常零件進爐進行熱處理(滲碳溫度：940 ℃)，熱處理工藝見表3(數值僅供參考)，出熱后進行金相檢測。

表3 此零件隨爐熱處理工藝(參數僅供參考) s

熱前鍛坯件結合齒脫碳情況檢測數據匯總于表4，齒面經4%硝酸酒精腐蝕后金相組織照片見圖2。另半塊試件隨爐(隨正常生產零件一起)進行熱處理。

表4 試件A、B、C熱前脫碳及熱后檢測數據匯總表

圖2 熱前齒面金相組織照片

試件的裝架方式及熱處理工藝完全與正常零件一致。出熱后表面硬度、有效硬化層深度等檢測結果統計于表4中；經4%硝酸酒精腐蝕后齒面組織照片見圖3，齒面表層位置非馬氏體組織深度統計見表4。

圖3 熱后齒面滲碳組織及齒面非馬氏體組織金相照片

3 實驗結果及分析

3.1 零件齒面位置熱前脫碳及熱后組織觀察

試件A熱前金相照片見圖2(a)，組織為均勻分布的珠光體，未見明顯脫碳。真空熱處理后齒面組織金相照片見圖3(a)，齒面為馬氏體和少量殘余奧氏體組織(含量約為10%)，未檢測出明顯非馬氏體組織；熱后有效硬化層深度為0.64 mm(硬度513HV1)，位于中差附近，次表面0.05 mm處硬度為713HV1(約為60.6 HRC)，均符合產品要求。從試件A的結果可見：對于真空滲碳、高壓N2淬火工藝，熱處理過程中是不會產生齒面非馬氏體組織的，這也是真空爐的優勢之一。

試件B熱前金相照片見圖2(b)，芯部組織為分布較均勻的珠光體，牙齒表面可見較為明顯的脫碳。齒面存在深度為0.126 mm的總脫碳深度，其中全脫碳深0.064 mm，部分脫碳層深0.062 mm；齒根圓角位置同樣存在一定程度的脫碳，數據統計于表4中。真空熱處理后齒面組織金相照片見圖3(b)，齒面表面存在較為明顯的非馬氏體組織，厚度為0.015 mm，次表面為馬氏體和少量殘余奧氏體組織(含量約為15%)；熱后有效硬化層深度為0.58 mm(硬度513HV1)，偏技術要求下差，次表面0.05 mm處硬度為689HV1(約為59.7HRC)。可見牙齒表面脫碳對熱后齒面非馬氏體組織的產生有直接影響，對齒面有效硬化層深度和次表面0.05 mm處硬度值影響不明顯。

試件C熱前金相照片見圖2(c)，芯部組織為分布較均勻的珠光體，牙齒表面可見嚴重的脫碳。齒面存在深度為0.214 mm的總脫碳深度，其中全脫碳深0.143 mm，部分脫碳層深0.071 mm；齒根圓角位置同樣存在一定程度的脫碳，數據統計于表4中。真空熱處理后齒面組織金相照片見圖3(c)，齒面表面存在非常明顯的非馬氏體組織，厚度為0.029 mm，次表面為馬氏體和少量殘余奧氏體(含量約為15%)組織；熱后有效硬化層深度為0.57 mm (硬度513HV1)，同樣偏技術要求下差，次表面0.05 mm處硬度為685HV1(約為59.6HRC)。

對比試件B和C試件熱前和熱后齒面組織可知：脫碳層深度直接影響熱后齒面非馬氏體組織的深度；對齒面有效硬化層深度和次表面0.05 mm處硬度值同樣存在影響，但不明顯；非馬氏體組織的產生主要由于表面淬透性的下降，除了碳元素的作用外，主要為合金元素的影響[5]。下面運用掃描電鏡(Scanning Electron Microscope，SEM。設備廠家Zeiss，型號為Sigma-04-82。)及能譜儀(Energy Dispersive Spectrometer，EDS)分析熱前和熱后齒面脫碳表層合金元素的含量。

3.2 齒面脫碳層合金元素分析

金相分析顯示，齒面脫碳層深度直接影響到熱后齒面非馬氏體組織的深度。熱前C元素的流失會在真空滲碳(滲碳溫度940 ℃)過程中得到一定的補充，但如果合金元素(主要為Cr、Mn)流失，將直接降低齒面淬透性。下面選取試件C分析脫碳層及基體合金元素含量。

3.2.1 熱前合金元素含量分析

首先對熱前試塊進行能譜分析，結果見圖4所示。圖4(a)為距齒面0.02 mm(±0.005 mm，下同)處能譜結果，可知Cr元素質量分數為1.0%，并沒有發現Mn的波峰，可見Mn元素已完全流失。圖4(b)和(c)分別為距齒面0.10 mm處和牙齒芯部的能譜圖，結果顯示合金元素Mn、Cr、Si質量分數符合材料化學成分質量分數要求，可見在距齒表面0.10 mm處，只是脫碳嚴重并未出現合金元素的流失，所測合金元素含量統計于表5中。

圖4 熱前狀態C試塊齒面及芯部能譜圖

表5 試件C熱前和熱后合金元素含量數據匯總表

3.2.2 熱后合金元素含量分析

熱后能譜分析結果見圖5所示。圖5(a)為距齒面0.02 mm處能譜圖，可知Cr元素質量分數為1.1%，同樣未發現Mn的波峰，與熱前檢測結果吻合。齒面的表層位置Mn元素已完全流失。圖5(b)和(c)分別為距齒面0.10 mm處和牙齒芯部的能譜圖，結果顯示合金元素Mn、Cr、Si質量分數符合材料化學成分質量分數要求，所測合金元素質量分數統計于表5中。

通過對試件C熱前和熱后不同位置EDS數據分析，距齒面0.02 mm處Mn元素已經完全流失。可見齒面表層非馬氏體組織[見圖3(b)及圖3(c)，齒面表層非馬氏體組織深度為0.015 mm及0.029 mm]產生的原因主要為合金元素Mn的流失。

圖5 熱后狀態C試塊齒面及芯部能譜圖

4 結論

(1)未脫碳的齒輪齒面經真空滲碳熱處理后不會產生非馬氏體組織；

(2)齒面脫碳深度對真空熱處理后齒面非馬氏體組織的產生有直接關聯，對齒面次表面(0.05 mm)處硬度值及齒面有效硬化層深度影響不明顯；

(3)脫碳層區域熱后非馬氏體組織的產生主要是由于合金元素Mn的流失；

(4)文中試驗所得脫碳層深度與齒面非馬氏體組織深度之間數據關系可為熱前齒面脫碳層深度控制提供一定的參考。