防滲涂料對內(nèi)花鍵齒輪滲碳隔離工藝的影響

孫宣杰，王金棟，潘樹民，張 維，孫悅茗，熊 偉

(內(nèi)蒙古第一機(jī)械集團(tuán)股份有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014032)

重載齒輪是重載車輛傳動系統(tǒng)重要的零部件，因其具有傳遞載荷大、嚙合效果好、噪聲低等特質(zhì)被廣泛應(yīng)用于重載車輛傳動系統(tǒng)中。其中，內(nèi)花鍵齒輪是重載齒輪中較為典型的一類零件，其制造品質(zhì)直接決定著產(chǎn)品的服役性能。為進(jìn)一步提高和改善內(nèi)花鍵齒輪的服役性能和疲勞壽命，主流工藝是滲碳工藝[1-5]。根據(jù)重載車輛服役的技術(shù)要求，對齒輪進(jìn)行滲碳時，需要對矩形內(nèi)花鍵表面進(jìn)行滲碳隔離，降低花鍵部位的表面硬度，便于對花鍵部位進(jìn)行后續(xù)加工。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，為了保證花鍵表面的滲碳隔離效果，經(jīng)常采用氰化鍍銅的方式對花鍵部位進(jìn)行滲碳隔離。特別是氰化鍍銅工藝具有結(jié)晶細(xì)致、與基體結(jié)合力好、鍍液分散能力和深度能力高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于重載齒輪、齒輪軸等滲碳隔離工藝中。然而，在氰化鍍銅工藝應(yīng)用過程中，其弊端主要體現(xiàn)在：1)鍍液中的氰化物屬于劇毒物，其采購、使用、存儲管控嚴(yán)格，監(jiān)管程序復(fù)雜、周期長、成本高；2)鍍液中的氰化物污染生產(chǎn)環(huán)境，后續(xù)還涉及褪銅廢液排放無害化處理等工藝，且廢液中重金屬處理技術(shù)難度大，環(huán)保要求高；3)難以適應(yīng)“清潔、綠色、環(huán)保”熱處理技術(shù)發(fā)展趨勢，屬于淘汰、落后工藝。上述存在的問題，已成為影響內(nèi)花鍵齒輪加工品質(zhì)的瓶頸問題，受到人們的廣泛重視。

目前，在替代氰化鍍銅工藝研究與應(yīng)用方面，熱處理工作者開展了相關(guān)的工作，并取得了一定的進(jìn)展。其中，武漢材料保護(hù)研究所研發(fā)了無氰鍍銅工藝，適用于黑色金屬和有色金屬等基材，掛鍍或滾鍍均可。但由于無氰鍍銅表面的致密性與氰化鍍銅后的致密性存在差異，且需要滲碳隔離的矩形花鍵凹槽直角處存在孔隙，難以滿足滲層較深的滲碳隔離技術(shù)要求[6-7]。針對滲碳層深較淺的工件(CHD≤1.3 mm)，采用機(jī)械加工方法將局部滲碳層去掉的方法，但該方法適用性存在一定的局限性。然而，目前主流的滲碳隔離工藝是采用涂料法實(shí)現(xiàn)工件表面的滲碳隔離，其具有生產(chǎn)效率高、工藝穩(wěn)定性好、隔離效果佳等特點(diǎn)[8-10]。然而，由于矩形花鍵結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涂料附著難度大，滲碳隔離效果差，同時滲碳隔離涂料品質(zhì)繁多，隔離效果千差萬別，直接影響著產(chǎn)品的加工品質(zhì)和生產(chǎn)成本。因此，優(yōu)化現(xiàn)行滲碳隔離工藝，提升內(nèi)花鍵齒輪滲碳隔離效果，成為內(nèi)花鍵齒輪制造過程中亟待解決的緊迫任務(wù)。

針對上述存在的問題，本文以內(nèi)花鍵齒輪作為研究對象，考察滲碳隔離涂料的適用性、流平性、干燥性、涂層厚度均勻性及耐高溫性等指標(biāo)，形成內(nèi)花鍵齒輪滲碳隔離涂料的優(yōu)選方案。通過滲碳隔離工藝及其評價(jià)，分析顯微組織、表面硬度對滲碳隔離效果的影響，為實(shí)現(xiàn)內(nèi)花鍵齒輪滲碳隔離工藝的“高效、清潔、低成本”提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選用重載車輛傳動系統(tǒng)齒輪鋼20Cr2Ni4A低碳合金鋼，采用TXC01型直讀光譜儀對其成分進(jìn)行測定，其主要化學(xué)成分見表1。檢測結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3077—1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》對20Cr2Ni4A鋼化學(xué)成分的要求。

表1 20Cr2Ni4A合金鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

1.2 試驗(yàn)方法

將原材料采用線切割方式加工成工藝中試板，每種滲碳隔離涂料需制備3個中試板，其尺寸為15 mm×50 mm×3 mm，試樣及仿形樣件表面光潔度均為3.2。

采用井式熱處理爐對試樣及仿形樣件進(jìn)行滲碳隔離工藝試驗(yàn)，滲層深度設(shè)定為2.0～2.2 mm。滲碳隔離工藝試驗(yàn)流程為：清洗→涂刷(2遍，不能出現(xiàn)裸露金屬表面)→自然干燥12 h以上→滲碳(930 ℃×27 h)→高溫回火→淬火→低溫回火。采用金相砂紙進(jìn)行打磨并進(jìn)行拋光，試樣經(jīng)4%硝酸酒精溶液侵蝕。顯微組織試樣按GB/T 13298—1991《金相顯微組織檢驗(yàn)方法》制備，對滲碳隔離后高溫回火和低溫回火后試樣采用Olympus-GX71金相光學(xué)顯微鏡對其顯微組織進(jìn)行評價(jià)，利用機(jī)械加工法對滲碳隔離工藝后的仿形樣件進(jìn)行校鍵，采用HRD150洛氏硬度儀對滲碳隔離工藝后的仿形樣件的防滲面與心部硬度進(jìn)行測試。通過上述檢測與分析，綜合評價(jià)內(nèi)花鍵齒輪滲碳隔離效果。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 涂料工藝性能

2.1.1 涂料的基礎(chǔ)性能

本次試驗(yàn)所測試的涂料分為2種類型，其中單組份涂料有1#～4#，雙組份涂料為5#，其工藝參數(shù)見表2。

此外，在對滲碳隔離涂料進(jìn)行工藝性能測試時，還對涂料的涂刷工藝性能進(jìn)行測試。測試結(jié)果表明：1#、2#、4#涂料的涂刷方式為調(diào)勻后直接涂刷即可，而3#涂料屬于膠狀涂料需少量多次加水進(jìn)行調(diào)和，在調(diào)制時易形成膠團(tuán)，分散性差；5#屬于雙組份涂料，需要按比例稱量調(diào)配，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝笫褂谩Ｍㄟ^對5種滲碳隔離涂料涂刷工藝分析，1#、2#涂刷工藝較為簡單，而3#、4#、5#涂料的涂刷工藝相對復(fù)雜一些。

2.1.2 涂料的流平性

在本次試驗(yàn)中，采用刷涂法對5種滲碳隔離涂料進(jìn)行流平性測試，測試結(jié)果表明：上述涂料中1#、3#涂料的流平性較好，5#涂料的流平性居中，涂層表面出現(xiàn)不平整現(xiàn)象；而2#、4#涂料的流平性不佳，涂層表面存在明顯的刷痕。

2.1.3 涂料的干燥性

涂料的干燥性能也是評價(jià)涂料工藝性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一。在本次試驗(yàn)中分別采用自然干燥和烘干2種工藝進(jìn)行涂料的干燥。干燥性試驗(yàn)表明：與8 h自然干燥工藝相比，經(jīng)過8 h自然干燥后，再進(jìn)行120 ℃×2 h烘干后，試樣外觀無顯著差別。

2.1.4 涂料的涂層厚度

利用磁性測厚儀在中試板的四角位置對涂層的厚度進(jìn)行測量，測量結(jié)果見表3。

表3 試板上涂層的厚度測量結(jié)果

2.1.5 耐高溫性能

在本次試驗(yàn)中，結(jié)合內(nèi)花鍵齒輪滲碳工藝技術(shù)要求，分別對5種滲碳隔離涂料采用930 ℃×24 h進(jìn)行耐高溫性能測試，測試結(jié)果表明：1#、3#、5#涂料沒有出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象，而2#、4#產(chǎn)生龜裂現(xiàn)象。

2.2 顯微組織分析

圖1a和圖1b分別為20Cr2Ni4A齒輪鋼滲碳隔離工藝條件下高溫回火后滲層邊部與心部的顯微組織。顯微組織分析表明：20Cr2Ni4A齒輪鋼滲碳隔離條件下高溫回火后心部與邊部沒有明顯變化，表明增碳效果不顯著，滿足滲碳隔離技術(shù)要求。圖1c和圖1d分別為20Cr2Ni4A齒輪鋼滲碳隔離工藝條件下低溫回火后滲層邊部與心部的顯微組織。顯微組織分析表明：20Cr2Ni4A齒輪鋼滲碳隔離條件下高溫回火后心部與邊部沒有明顯變化，經(jīng)過理論計(jì)算，其阻硬率可高達(dá)74%以上。這說明：表層與心部沒有增碳效果，結(jié)合較高的阻硬率，說明滲碳隔離涂料可以發(fā)揮對工件滲碳面的保護(hù)作用。

2.3 加工工藝性能測試

為了進(jìn)一步評價(jià)滲碳隔離涂料的防滲效果，利用L620臥式拉床對內(nèi)花鍵仿形樣件進(jìn)行校鍵工藝性能測試。測試結(jié)果表明：在被測試的18件仿形試件中，14件可以正常校鍵，1件通過粗拉削后也可以正常校鍵，3件因無法進(jìn)入拉刀的前引導(dǎo)，無法進(jìn)行拉削。正常校鍵應(yīng)力控制在1 MPa之內(nèi)，而無法正常校鍵的應(yīng)力均>1 MPa。出現(xiàn)這種情況，與熱處理變形關(guān)系較大。這也說明：不考慮零件變形因素，滲碳隔離涂料可以滿足內(nèi)花鍵齒輪花鍵部位的滲碳防護(hù)要求。

2.4 硬度測試

在本次試驗(yàn)中，分別對涂刷1#、3#、5#涂料后6鍵、8鍵、10鍵仿形齒套進(jìn)行滲碳隔離硬度檢測，硬度檢測結(jié)果如圖2所示。硬度檢測表明：涂刷了1#涂料后的6鍵、8鍵、10鍵仿形齒套硬度均控制在45 HRC范圍之內(nèi)，而涂刷了3#、5#涂料后的6鍵、8鍵、10鍵仿形齒套個別硬度出現(xiàn)>45 HRC現(xiàn)象，不能滿足校鍵硬度控制在35～45 HRC的技術(shù)要求。

3 結(jié)語

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)通過對涂料干燥性能、涂層厚度、使用溫度、流平性、涂層均勻性、耐高溫等工藝性能的分析與檢測，確定1#、3#、5#符合內(nèi)花鍵齒輪滲碳隔離涂料基本性能技術(shù)要求。

2)在930 ℃×24 h滲碳工藝條件下，1#涂料未發(fā)生龜裂現(xiàn)象，形成完整的滲碳隔離層，形成對滲碳?xì)夥盏钠帘巫饔茫凰⑼?#涂料后的花鍵拉削應(yīng)力控制在1 MPa以下，表面硬度控制在≤45 HRC，滿足花鍵校鍵加工技術(shù)要求。

3)內(nèi)花鍵齒輪滲碳隔離工藝具有高效、清潔、低成本等特點(diǎn)，可有效解決高溫、高碳勢條件下的滲碳隔離效果不理想等頑疾，可為此項(xiàng)技術(shù)后續(xù)推廣提供支撐。