用試棒重量差判斷零件硬化層深度

(東風格特拉克汽車變速箱有限公司，湖北 武漢 430000)

0 引言

低壓真空熱處理是近些年來在熱處理中發展起來的一項技術，尤其在汽車變速箱、發動機和航空發動機等精密齒輪上得到了很好的應用。當前相關設備擁有量的多少已成為衡量一個企業熱處理技術先進性的重要指標之一。

1 真空熱處理工藝特點

我公司2013年從德國ALD公司引進一條ModelTherm系列低壓滲碳高壓氣淬熱處理生產線，應用于變速箱齒輪和軸的熱處理。工藝應用有如下特點。

1)低壓滲碳， 產品無內氧化脫碳，可提高產品質量；由于滲碳爐在工作狀態下始終保持低壓(10 mbar以下)，爐內沒有氧氣成分，可防止工件氧化和脫碳，同時氧化物和油脂分解出來的氣體也被真空泵抽走。熔煉時遺留在金屬內的氣體，在負壓狀態下易從金屬內逸出，其中氫的脫氣效果明顯，從而提高工件的強度和韌性。

2)工件變形小，并且變形均勻；真空熱處理采用對流加熱和輻射加熱相結合，既保證零件的加熱速度，又保證零件加熱均勻性和一致性，降低由于零件里外溫差造成的熱應力和組織應力。滲碳采用脈沖式，保證零件CHD均勻性，可降低淬火變形。

3)高壓氣淬，產品無油漬和氧化皮，可減少清理拋丸工序，保證車間無粉塵。

4)設備無需保護氣氛和廢氣燃燒，無有害氣體排放，保證熱處理車間良好的工作環境。

2 產品熱處理技術要求及檢測方法

我公司齒輪材料為20 MnCrS5-2，中淬透性低碳合金鋼。采用Getrag標準GCG_805000part2。對材料淬透性也做了特殊要求，具體見表1。

表1 材料淬透性

產品圖紙熱處理要求除了表面硬度、有效硬化層深度、心部硬度、金相組織外，還對零件次表層硬度有特殊要求。

檢測流程：熱處理-零件送檢-檢測零件表面硬度-零件切割-制樣-磨拋-金相組織分析(表層非馬組織分析)-有效硬化層深度檢測(次表層硬度檢測)-心部硬度檢測-檢測報告。整個過程大約需要50 min。

熱處理是特殊工藝，對產品檢驗時需進行破壞性檢測，不僅浪費零件，而且等檢時間較長，影響工序流。以20萬產能為例，熱處理檢測切割零件成本每年大約切割零件約99萬元。

3 采用標準試棒進行熱處理特性檢驗

為解決熱處理金相檢驗浪費以及等待檢驗時間的浪費，我司嘗試了很多方法，包括采用小零件、零件試塊、廢零件等方法，雖然從不同程度上降低了熱處理金相檢驗浪費和等待檢驗時間，但從效果和管理方面，都沒有達到預期的效果。

根據真空熱處理的特點——低壓滲碳高壓氣淬，不會對零件產生氧化。嘗試用標準試棒來代替零件進行熱處理金相檢驗。

1)試棒材料：在熱處理中，材料對熱處理結果影響很大，特別是低碳合金鋼，材料成分的差異，熱處理結果不同。為使試棒檢驗結果與零件具有可比性和真實性，材料必須和零件一致，并且是同批次。要求毛坯供應商在提供毛坯時，根據生產計劃，提供一定數量的同批次標準試棒。

2)試棒形狀及大小：在齒輪熱處理中，CHD與齒輪模數有著線性關系，一般CHD=(0.2-0.4)×m根據產品不同進行選擇。如采用標準試棒，其形狀大小十分重要。因齒輪多為小模數齒輪，為選擇合適的熱處理試棒，采用φ20×70標準試棒進行熱處理 。

3)控制方式方法：采用標準試棒結合零件交替檢驗

4 試樣數據分析

為得到標準試棒和零件檢測結果之間的差異，我們采集了1 000個試棒和零件之間的數據進行對比分析，為保證標準試棒和零件材料的一致性，要求供應商按照零件批次分批制作試棒。抽檢一個同批次的零件和試棒進行材料成分分析，結果如表2所示。

表2 試棒與零件成分檢測結果

通過對1 000個試棒和零件的檢測結果進行統計分析，其檢測結果對比如圖1所示。

圖1 試棒和零件CHD曲線圖

從表2中可以看出，試棒的CHD和零件的CHD差異很小，都在合格范圍以內，并且對CHD偏差進行統計分析，如圖2所示。

圖2 CHD偏差統計分析

產品和試棒的偏差在±0.05占80%，偏差在±0.10占95%。

試棒和零件的表硬度偏差在0.04HRA，基本一致，并且零件與試棒的表面硬度都在中差HRA81，所有沒有風險，具體如圖3所示。

圖3 試棒和零件表面硬度數據分析

經過近1 000個零件和試棒的實驗數據對比，兩者的熱處理檢測結果基本一致，可以用試棒代替零件進行金相檢驗。

5 試棒重量差判斷零件CHD

1)真空熱處理在低壓狀態下進行滲碳(<10 mbar)，沒有空氣，不易形成氧化物，零件熱處理后不會形成非馬組織。原理上零件熱處理前后的重量差就是零件增加的碳，通過對試棒的分析以及極限試驗，可得出試棒的重量差與零件CHD之間的對應關系，如圖4和圖5所示。

圖4 試棒重量與齒輪零件CHD曲線

圖5 試棒重量與軸零件CHD曲線

2)通過工藝試驗，做出產品技術要求的極限值所對應的標準試棒重量差，同時統計1 000個試棒的重量差，都在極限范圍內，齒輪和軸的重量差與CHD的上下限的對應關系如表3所示。

表3 試棒重量差與CHD關系

3)針對數據分析結果，可采用標準試樣的重量差來判斷零件的CHD以及其他熱處理特性。

從而，在熱處理設備穩定和工藝過程正常情況下，可以采用試棒的重量差來判斷零件的CHD，從而實現真空熱處理的無損檢驗。

6 效果

通過采用標準試棒，實現了熱處理特性的無損檢驗，有效的降低了檢驗時間和檢驗成本。

1)檢驗時間：由以前的50 min縮短至現在的5 min。提高工作效率900%。

2)檢驗成本：每年可節約檢驗成本約98.3萬元。

3)節能減員：可減少檢驗人員2名，每班1名。

7 結語

采用標準試棒熱處理前后的重量差來判斷零件的熱處理CHD以及熱處理特性，不僅有效降低了熱處理檢驗時間和檢驗成本，還實現了熱處理的無損檢驗。