关于渗碳齿轮表面“麻点”缺陷的原因分析

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关于渗碳齿轮表面“麻点”缺陷的原因分析
叶　茂
(黄石理工学院机电工程学院,湖北黄石435003)

摘　要:通过对齿轮在热处理过程中产生“麻点”缺陷原因的探析,指出热处理过程中盐的质量和操作不当及渗碳过程是产生“麻点”的主要原因,其本质都属于不完全氧化所产生的腐蚀,并提出了简明的预防方法。
关键词:腐蚀;麻点;不完全氧化

　  “麻点”腐蚀是指齿轮热处理后,表面形成多少和大小不等的黑色凹坑。其直径大约在(0.4～0.8)mm,深约(0.1～0.3)mm,经喷丸清理不能将“黑色”除掉[1]。
“麻点”的存在使齿轮表面质量下降,改变齿轮表面应力分布,并使渗层局部产生拉应力,降低疲劳寿命。
产生“麻点”的工序主要来源于齿轮在盐浴热处理和齿轮在渗碳过程中形成。
1　盐浴热处理中产生的齿轮“麻点”腐蚀
　　由于盐中氧化性杂质较少,只能产生齿轮表面的局部脱碳或腐蚀凹坑,不能发展为连续成片的氧化脱碳层。
1.1　“麻点”产生的主要原因
(1)硫酸盐、碳酸盐的影响:盐内含有较多的硫酸盐杂质,如NaCl中含有Na2SO4,BaCl2中含有BaSO4。这些硫酸盐在高温熔融状态下与铁及碳发生氧化反应,使工件产生“麻点”腐蚀和脱碳[2]。碳酸盐主要在高温下易分解出CO2而使工件氧化脱碳。实践表明,当硫酸盐、碳酸盐含量在1%以上时,会产生较为严重的“麻点”腐蚀,当硫酸盐、碳酸盐含量在0.5%以下时基本可以消除这种现象。
(2)氧气的影响:盐炉工作时,由于融盐与空气接触或产生如Fe2O3→FeO+O2↑一类的反应,使盐内含有一定量的氧气,它直接使工件氧化脱碳。
(3)盐内水分的影响:空气湿度较大时,或盐内含水分较多时,盐中的氧化物含量增加,使得工件的氧化加大。这种情形发生在雨季和较多地补充新盐而不进行脱氧的情况下。
1.2　预防措施
针对以上原因,可以通过采取以下措施得到消除。
(1)热处理工作量大时,可以增加脱氧次数,一般采用3次脱氧后效果较好,或采用长效脱氧剂,使盐内硫酸盐、碳酸盐小于0.5%,即可防止“麻点”腐蚀;
(2)严格控制盐的质量,严禁露天存放,大量补充新盐时要重新脱氧;
(3)对作为最终工序的淬火工件,应再脱氧一次;
(4)平时用覆盖剂保温,既减少热能和盐的损耗,又有效防止氧气渗入。
2　渗碳过程中产生的“麻点”
经试验排除了煤油含水或含硫过高、带有切削油的齿轮不经清洗直接入炉、有色金属残渣引起的腐蚀等因素之后,发现齿轮渗碳空冷后,凡生成较厚蓝色氧化皮的齿轮易于形成“麻点”。
2.1　氧化皮产生的原因和条件
模拟试验对红色氧化皮金相分析发现,其组成FeO为85%～90%,Fe2O3为10%～15%,Fe3O4为0%～2%,其形成特点是:在高温下形成,炉内气氛良好;氧化皮较薄,表皮起泡;松软呈粉末状,强度低;层次较多,红色氧化皮下还有黑色氧化皮[3]。因为工件装炉后,随温度上升表面先形成黑色氧化皮,温度超过723℃后,表皮逐渐变红,这属于正常氧化,不会产生“麻点”。若此时减少保护气量,炉内氧势增加,则表面由红色渐变为兰灰色,随着时间的延长,表面就会形成较厚兰灰色氧化皮。这种蓝色氧皮形成的特点是:在扩散后期或降温时期形成,此时炉内氧势较高;氧化表层随氧势增高、时间增长而增厚,有时达(0.5～1)mm;硬且易剥落,系高温下不正常氧化所致。
2.2　“麻点”形成的条件
试验和分析的结果表明,若齿轮局部氧化较重,则喷丸后出现麻点;若氧化较轻,由于该部位Mn、Cr氧化而使钢件淬透性降低形成表面黑色组织(表现为软点),这种齿轮易于疲劳失效;若炉内氧分压过高,使齿轮氧化严重,形成较厚氧化皮,出现连续脱碳层。
一般说来,脱碳是钢件内碳向表面的扩散过程,氧化是钢表面被烧损的过程。钢表面形成氧化皮的同时,钢件内碳也向外层扩散。当碳的扩散速率大于氧化速率时,工件就只发生脱碳,表现为渗层向心部的硬度分布有明显的“低头”现象。当碳的扩散速率小于氧化速度时,钢表面就形成氧化皮。
脱碳区形成后,若炉内气氛再度恢复或者在二次加热中炉内呈完全还原性气氛时,则局部脱碳区能部分复碳,表现为淬火后脱碳区消失或低显微硬度区得到改善。
在齿轮发生局部脱碳后,如炉内气氛继续恶化(氧分压上升)或在随后二次加热过程中保护气氛不太好时,局部脱碳工件将发生氧化。但由于脱碳部位氧化速率比高碳部位大,则点状脱碳区就会发生腐蚀凹坑,从而淬火后形成“麻点”腐蚀坑。
2.3　预防措施和效果
由于麻点主要在渗碳过程中形成,喷丸后方能发现,难于及时发现,故在生产过程中应该采取以下措施:
(1)严格工艺制度,防止渗碳断油和供油不足,严格监视排气孔火焰高度和颜色,加强技术培训,重点掌握观察排气孔火焰的颜色能力,以此控制碳势和控制齿轮空冷后的氧化色;
(2)严防炉罐漏气;
(3)严格控制炉温的均匀性,避免产生气氛循环不良,上下温差过大。例如下区比上区温高,则上区碳势适中而下区却因温度过高,使同样的气氛呈现氧化性。
采取了以上措施后,基本上可消除渗碳“麻点”现象。