齒輪鋼末端淬火試驗的影響因素與經驗方法

牛偉，張妍，運永佳，白明喜，史爽

撫順特殊鋼股份有限公司 遼寧撫順 113001

1 序言

齒輪鋼的淬透性是滲碳熱處理變形的重要影響因素之一，選擇合理的淬透性區間對減小齒輪熱處理變形和保證齒輪的疲勞強度具有重要的意義[1，2]。末端淬火試驗是測定鋼的淬透性的一種試驗方法，國內大多數企業均根據國家標準規定（GB/T 225—2006等效于ISO 642：1999），采用鋼的末端淬火試驗檢測鋼的淬透性。試驗步驟主要包括：①將一圓柱形試樣加熱至奧氏體區域內某一規定的溫度，并按規定保溫一定時間。②在規定的條件下對其端面進行噴水淬火。③在試樣縱向磨制平面上規定位置測量硬度，根據鋼的硬度值變化確定其淬透性[3]。因試樣一端噴水冷卻，另一端空氣冷卻，所以造成冷卻速度不同，導致試樣長度方向的組織、性能、硬度也不同。一般采用表面至半馬氏體組織的距離作為淬硬層深度，并用這個淬硬層深度衡量材料的淬透性指標。淬透層越深，表明鋼的淬透性越高[4]。

2 影響末端淬火試驗的影響因素與經驗方法

2.1 試樣的制取與經驗方法

GB/T 225—2006《鋼 淬透性的末端淬火試驗方法》對試樣的取樣位置和尺寸已有明確規定，分別是：①用熱軋或鍛造制成直徑為30～32mm的樣坯。②也可用機加工的方法制成φ25+0.5+0mm的樣坯，其軸線與產品表面的距離應為20+0.5+0mm，如圖1所示。

圖1 試樣取樣位置

在實際加工過程中，為降低生產成本及加快檢驗進度，大多數采用第二種加工方法，如偏心車、中空鉆等取樣方式。試樣取下后，需要對兩個試樣平面做出標記，以保證試驗的兩個平面檢測的硬度值沒有差異，我們的經驗方法是在兩個試驗平面的軸向大字頭進行標記，但是字頭不能打在淬火端。由于鋼材存在成分偏析等問題，因此如果兩個試驗平面距離鋼材表面不等、檢測結果相差較大，則建議在偏心車或中空鉆前，先進行打字頭標識清楚。

2.2 熱處理操作的規范性與經驗方法

試樣坯料在進行熱處理時，熱處理操作的準確性對檢測結果有較大的影響[5]。《鋼 淬透性的末端淬火試驗方法》中規定試樣熱處理過程包括正火和淬火兩部分，如產品標準未規定正火溫度，應按協議或由檢驗部門進行選擇，正火保溫時間應為30+0.5+0min；淬火加熱溫度按照產品標準或特殊協議中規定的溫度執行，加熱時間≥20min，隨后在規定的溫度保溫30+0.5+0min，試樣從出爐到淬水時間≤5s，噴水時間≥10min。

在實際操作過程中，需要注意以下幾點。

1）熱處理爐窯溫度均勻性必須按照GB/T 9452—2012或AMS 2750E規范進行校準，最好選用±5℃以上級別的爐窯，保證溫度均勻性。

2）保溫時間嚴格按照GB/T 225—2006規定時間執行，加熱時間可根據裝爐量多少進行計算或采用負載熱電偶方式進行標定測量。

3）試樣正火出爐后散放，保證正火冷卻效果。

4）在淬火過程中，由于試樣在加熱時會與爐中空氣接觸發生氧化反應，因此為預防試樣發生氧化脫碳現象，我公司制作一種套筒，目的是防止試樣直接與空氣接觸而產生氧化現象，如圖2所示。套筒內徑尺寸略大于試樣尺寸，套筒底部裝有少許碳粉，起到防止氧化脫碳的目的。

圖2 套筒示意

5）端淬機水柱高度需要每天進行測量，盡可能采用生活飲用水，避免工業用水中含有鹽類等雜質，增加試樣淬火冷卻能力。

6）端淬機水溫必須嚴格控制，保持恒溫。值得注意的是，環境溫度也應保持恒定，這就需要端淬機處于恒溫密閉空間，我公司采取有空調的獨立操作間，避免冬夏環境溫度對試樣淬火造成影響。

2.3 試樣的加工與經驗方法

《鋼 淬透性的末端淬火試驗方法》中規定試樣淬火后在平行于試樣軸向上磨制出兩個相互平行的平面，用于測量硬度。磨削深度應為0.4～0.5mm。磨制硬度測試平面時，應采用能供充足冷卻液的細砂輪進行加工，以防止任何可能的加熱而引起試樣組織發生變化。

試樣質量直接影響著試驗數據的準確性和可靠性[6]，為此在實際試樣加工時，需要注意以下幾點。

1）在磨制測試平面前，應對平面砂輪進行檢查、修磨，保證測試硬度的兩個平面相互平行且與試料表面的距離相等。

2）磨床磨制過程中嚴格控制磨床的進給量，每次應≤0.05mm，磨削深度控制在0.4～0.5mm，試樣磨削面寬度應控制在5～7mm。

3）磨制過程中應避免磨削平面深淺不一和磨制過熱現象，表面粗糙度控制在Ra≤0.8μm。

2.4 硬度檢測與經驗方法

《鋼 淬透性的末端淬火試驗方法》中規定硬度計上試樣的移動裝置應能準確對準硬度檢測平面的中心線，并控制壓痕直徑位置精度在±0.1mm以內。

實際檢測硬度過程中需要注意以下幾點：

1）每次檢測前，需要按照GB/T 230采用洛氏硬度標塊對試驗機進行校準。

2）如條件允許，應盡可能使用帶有自動定位系統的硬度計進行檢測。我公司使用的是意大利AFFRI公司生產的MRS型洛氏端淬硬度計，配有四工位載物臺，測試開始時平臺自動移動，從零點到試樣測試對應點位自動控制，單個試樣測試結束后，傳送帶將試樣移動到下一個測試點，繼續測試，測試點位置由試驗機自己控制，保證了測試點位置的準確性。

3）如采用手動洛氏硬度計進行末端淬透性硬度檢測，可使用游標卡尺在試樣檢測面劃線定位的方式來完成，但手工劃線檢測出來的測試點基本不呈一條直線，很難保證試樣在中心線上，會影響測試結果的準確性

4）無論是采用全自動硬度計還是手動硬度計，在測試前都需要保證試樣兩個測試平面干凈，無油污、銹蝕，測試平臺需要清理干凈，沒有氧化鐵皮等雜質，防止試樣不平，保證測試結果的準確性。

5）無論是采用全自動硬度計還是手動硬度計，在測試硬度時，需要在測試前打一空點，這樣才能保證測試點的洛氏硬度值準確。

3 結束語

齒輪鋼末端淬透性值的高低雖然取決于化學成分、冶煉工藝和澆注方式，但是最終的評定卻依賴于末端淬火試驗。通過對《鋼 淬透性的末端淬火試驗方法》標準的研究及長期的實踐總結，末端淬火試驗的影響因素主要包括試樣的制取、熱處理操作的規范性、試樣的加工、硬度檢測等方面。關鍵步驟在于：①取樣時應保證試驗平面距離試樣表面相等的位置。②熱處理加熱時不僅應保證試樣均勻透燒，而且采取措施防止試樣氧化脫碳。③淬火過程端淬機參數準確，水溫及環境溫度恒定。④硬度檢測時保證測試點在試樣平面的中心線上并保持標準規定的距離。