眾所周知，螺旋傘齒輪取材于鋼鐵材料，可以說，在很大程度上，鋼材本身的品質(zhì)特性決定了螺旋傘齒輪的各種性能和服役壽命。

鋼材本身的各種缺陷不僅會導(dǎo)致其在熱處理后的不規(guī)則變形甚至開裂，而且，還會造成同一螺旋傘齒輪不同位置的熱處理質(zhì)量特性值不一致，從而造成同一批次的不同個體齒輪、同一齒輪的不同位置的各項機械性能參差不齊，終形成了螺旋傘齒輪服役過程中的“木桶效應(yīng)”。

 

 

1 從熱處理角度談我國鋼鐵的質(zhì)量現(xiàn)狀

 

1.1 鋼材的內(nèi)在質(zhì)量

市場經(jīng)濟是各行各業(yè)運行節(jié)奏快四拍的時代，很多企業(yè)限于自身的檢測條件，以及生產(chǎn)進度和生產(chǎn)節(jié)拍的安排，對原材料的入廠檢驗，往往疏于按部就班地進行程序化管理：僅僅做了材質(zhì)分析，便急不可待投入生產(chǎn)的情況，是司空見慣的；有些企業(yè)，甚至在材質(zhì)分析結(jié)果出來前，就已把新入廠的原材料投入到生產(chǎn)中。還有的小企業(yè)根本就不做任何檢查，他們直接把鋼材的質(zhì)量之“寶”押在了鋼廠的信譽上。那是因為這些企業(yè)太不了解我國鋼鐵企業(yè)的市場行情和質(zhì)量現(xiàn)狀！

一批鋼材的品質(zhì)優(yōu)劣，是否合格？絕不僅僅局限于化學(xué)成分是否合格。

 除了化學(xué)成分，其成分均勻性、原始組織均勻性，以及淬透性、純凈度等都是鋼材品質(zhì)特性的決定因素。一經(jīng)熱處理，這些微觀上的缺陷就會被直接被暴露出來，或被放大而成為致命的缺陷。

筆者作為江蘇巨力齒輪股份有限公司熱處理車間的一名熱處理工程師，現(xiàn)將10余年來自己工作中所發(fā)現(xiàn)的諸多與鋼材冶金質(zhì)量有關(guān)的問題分享給大家，并與大家進行交流和探討；

 

1.2  在熱處理過程中發(fā)現(xiàn)的鋼材質(zhì)量問題（案例）

1.2.1  40Cr齒輪氮化前調(diào)質(zhì)淬不硬，硬度分散度大

材料為40Cr，熱處理技術(shù)要求為：

 （1）調(diào)質(zhì)：830~930 MPa

 （2）滲氮：表面硬度：480~580HV10，滲氮層深（DN）：≥0.50，化合物層（VS）：10~15μm

 

這個產(chǎn)品的調(diào)質(zhì)，初采用密封箱式多用爐850℃加熱（奧氏體化），快速淬火油+攪拌淬火后檢查發(fā)現(xiàn)：同一爐產(chǎn)品（齒坯）淬火后的硬度在24~35HRC、34~46HRC、42~50HRC的寬泛領(lǐng)域，同一產(chǎn)品不同位置的硬度值ji差竟達8~12HRC，采用560℃回火，硬度分布為16~20HRC、19~23HRC、27~30HRC等。

對本批不合格品進行多次取樣做化學(xué)分析和光譜分析，其含碳量和主加元素均符合GB/T3077-1999的成分要求。

 后來，經(jīng)與鋼廠協(xié)商，采用“死馬當(dāng)成活馬醫(yī)”的休克療法：860℃加熱（奧氏體化）后，采用8~10%NaCl水溶液淬火，損失由鋼廠承擔(dān)。按照這一方案，淬火后的硬度達到48~52HRC；580℃回火后水冷達到技術(shù)要求（硬度25~28HRC），經(jīng)無損檢測，本批產(chǎn)品500件，開裂4件。

1.2.2  螺旋傘齒輪（Z20370003）高頻淬火暴露出材料淬透性問題

 轎車用二級平衡軸機構(gòu)中的一個齒輪，該齒輪材料為42CrMo，熱處理技術(shù)要求為：

 （1）調(diào)質(zhì)24~32HRC；

 （2）齒部感應(yīng)加熱淬火，硬度≥51HRC，淬硬層深度1~2mm。

 

這里簡要介紹一下這個產(chǎn)品在一臺半自動高頻感應(yīng)淬火機床上的加熱和淬火過程：

1）在感應(yīng)器內(nèi)放好要加熱淬火的工件；

2）開啟淬火機床的旋轉(zhuǎn)按鈕，工件開始旋轉(zhuǎn)；

3）開啟淬火機床的加熱按鈕，設(shè)備開始“自動預(yù)熱—間歇（停留）—加熱—淬火（工件下落冷卻槽、旋轉(zhuǎn)類運動不停止，而且，冷卻介質(zhì)是循環(huán)流動的）—復(fù)位（工件上升到初始位置）”的淬火程序；

這個產(chǎn)品是一個已量產(chǎn)三年的長線產(chǎn)品，在2016年1月12日突然發(fā)現(xiàn)大量產(chǎn)品出現(xiàn)淬火裂紋。當(dāng)時以為是因為天氣寒冷，冷卻過度或回火不及時造成的。

后來經(jīng)過調(diào)整高頻淬火工藝參數(shù)（在選擇的加熱功率不變的情況下，預(yù)熱時間和加熱時間已壓縮近30％），但經(jīng)無損探傷（無裂紋）、剖檢發(fā)現(xiàn)，淬硬層深度還是超過技術(shù)要求的上限。再剖檢本批開裂嚴(yán)重的產(chǎn)品，其淬硬層深度均嚴(yán)重超深，深達6.5mm！

后來加工該產(chǎn)品時，每批產(chǎn)品的時間參數(shù)都不能確定，每次調(diào)整至合格后，中間抽檢和末件剖檢，淬硬層均不一致，在加工過程曾兩次抽取高頻淬火5連件產(chǎn)品進行剖切檢查，以進行對比分析。次剖檢的硬化層深度為1.85mm，而過程抽取的5連件產(chǎn)品，硬化層深度分別為1.35mm，1.45mm，0.95mm，1.45mm，1.50mm；次剖檢硬化層深度為1.40~1.50mm。而過程抽取的5連件產(chǎn)品，其硬化層深度分別為2.00mm，2.00mm，2.00mm，2.00mm，2.40mm。

后來，在一個批次的加工過程中還發(fā)現(xiàn)，1件產(chǎn)品在加熱過程便出現(xiàn)熱形異常情況，淬火后即發(fā)現(xiàn)從一個輪齒的齒面某一位置到齒輪內(nèi)孔呈貫通性開裂，橫向剖開整個齒輪，經(jīng)腐蝕發(fā)現(xiàn)：淬硬層在與裂紋的交匯處出現(xiàn)拐彎而內(nèi)凹

 

1.2.3  盆角齒滲碳緩冷后重新加熱壓力淬火后組織不均勻

 某一汽車后橋從動齒輪（22CrMoH）滲碳緩冷，并經(jīng)860℃重新加熱（7工位周期推盤式加熱爐，推盤周期25min）、壓力淬火、剖切（檢測）后的殘骸。

 在整個齒輪的周向大約互成60°的6個均布位置分別切取6個輪齒，然后，檢查其硬化層深度（CHD）及金相組織、芯部硬度，芯部金相組織，檢查結(jié)果表明：6*齒的芯部金相組織不合格，有塊狀游離態(tài)的未溶鐵素體。在6*齒相鄰位置再切取1齒（7*齒）與6*齒雷同。

 

說明：上述齒輪的鍛坯是經(jīng)過等溫正火的。

 

1-6：6*齒芯部金相組織

 

1.2.4  汽車輪轂軸管（300S）熱擠壓加工異常

一款熱擠壓汽車輪轂軸管（300S），材料為40Cr.

目前，此類產(chǎn)品一般的加工模式是：圓鋼鋸切下料（D×H）→自動上料機上料→中頻感應(yīng)加熱爐（加熱）→剝皮機（氧化皮后）→經(jīng)導(dǎo)向滑道→滑向Ⅰ工位壓型模（壓型）→轉(zhuǎn)入Ⅱ工位成型模（熱沖內(nèi)孔）→再轉(zhuǎn)入Ⅲ工位反擠模（鍛坯整形）→下線。

 

1-8：軸管（300S）鍛坯

 

該產(chǎn)品在某企業(yè)加工時發(fā)現(xiàn)：新模具（成型沖頭與反擠沖頭）上機后，加工只產(chǎn)品3~5件，沖頭即被嚴(yán)重拉毛，無法繼續(xù)使用。

采用便攜式里氏硬度計檢查未使用的新沖頭，表面硬度46~48HRC，臺式布氏硬度計檢查其硬度為495HBW。符合設(shè)計要求（46~49HRC）。

換上新沖頭后，依然如此：擠壓過程伴隨沉重的異響。

 

該材料在熱擠壓時沖頭下行的過程中，行程逐漸沉重，壓機的聲音逐漸沉悶（漸強），直至發(fā)出很強的嗡嗡聲。檢查機床壓力表發(fā)現(xiàn)：正常情況下，該產(chǎn)品在Ⅱ工位熱沖（成型）時，使用5Mpa即可正常生產(chǎn)；而在壓制該批材料時，沖頭在下行過程中，隨著沖頭的逐漸下降，壓力表顯示壓力讀數(shù)由5Mpa逐漸上升，直至后陡增至16Mpa；Ⅲ工位熱沖（反擠）時，壓力由正常情況下的10~12Mpa漸增，后達到20Mpa。

操作工人反映了本批（爐次）材料的另外兩個特征：

1）仿佛有較強的磁性，使鋸切后的棒料端面（鋸口）上頑強的黏附著較多的、難以脫落的鋸屑，壓制過程中能夠感覺到材料硬而韌，類似剁切滾刀肉的感覺；

2）在正常情況下，料棒上附著的少量鋸屑，被帶入中頻感應(yīng)加熱爐，經(jīng)加熱燒結(jié)，待冷卻后像豆腐渣一樣“穌”，一搗即碎，很容易清理；而本批材料所黏附的鋸屑較多，在中頻感爐加熱后，仿佛像口香糖一樣軟而黏的玻璃體。

材料鋸切時的異常（有較強的磁性）

 

換上本鋼材供應(yīng)商的另一個爐批號的同規(guī)格材料進行加工，恢復(fù)正常。

對異常材料取樣化驗分析，材料的化學(xué)成分符合GB/T3077-1999中40Cr的成分標(biāo)準(zhǔn)；

對熱擠壓異常材料進行金相組織分析，發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重混晶和粗大的魏氏組織

 

原材料橫向截面發(fā)現(xiàn)混晶（100×）

軋制過熱+冷卻不當(dāng)形成的魏氏組織（500×）

 

從本案看，被加工（熱擠壓）的材料明顯表現(xiàn)為：硬而韌、熱融性差、熱態(tài)流動性差，熱塑性抗力大、熱塑性成形能力低劣等缺陷，但以上分析結(jié)果和證據(jù)，似乎又不足以說明鍛壓異常的40Cr圓鋼材料存在明顯的質(zhì)量問題問題。

由于找不到確切的證據(jù)表明本批（爐次）圓鋼存在明顯的質(zhì)量問題，而鋼廠亦無法解釋和解決本批（爐次）材料的鍛壓問題，經(jīng)雙方協(xié)商：需方將已鋸切材料進行退火（擴散）處理后試壓，尚未鋸切的圓鋼退回供方。

此后，需方將已鋸切的約600件鋼料（40Cr-Ф115×569），進行880℃×5h隨爐空冷的退火處理，重新加工時，正常。跟蹤粗（車）加工件的熱處理調(diào)質(zhì)質(zhì)量情況，亦未發(fā)現(xiàn)異常情況。

 

1.2.5  材料品質(zhì)對氮化白亮層致密度的影響

疏松即不致密，是滲氮—氮碳共滲過程所產(chǎn)生的一種缺陷組織，通常是指分布在ε相區(qū)的黑色點狀組織；實際上是一些形狀不規(guī)則，大小不等的孔洞。

關(guān)于疏松的形成原因國內(nèi)外學(xué)者持有不同觀點：①在形成化合物過程中，鐵原子由外向內(nèi)遷移，而引起點陣缺陷由內(nèi)向外反向遷移的結(jié)果；②滲氮過程中形成的內(nèi)應(yīng)力是產(chǎn)生孔洞狀疏松的主要原因；③多數(shù)人認(rèn)為是由于滲氮-氮碳共滲工藝參數(shù)（主要是工藝溫度和工藝時間及分解率）控制不當(dāng)，而使表層化合物層（主要為ε相）的氮原子重新結(jié)合成氮分子，從表面逸出，形成針孔（或孔洞）；④還有人認(rèn)為：在進體滲氮時，NH3分解后產(chǎn)生的氫原子也會滲入鋼中，當(dāng)氫原子結(jié)合成氫分子時也會產(chǎn)生很大壓力而逸出表面，從而形成孔洞。

無論何種觀點，都認(rèn)同孔洞多在氣氛實際氮勢過高的情況下產(chǎn)生，即表面疏松的形成是由亞穩(wěn)定的高氮ε相分解造成的，控制滲氮氣氛氮勢，限制表面含氮量，可以減輕表面疏松。

筆者在這里要強調(diào)的是材料本身的內(nèi)在質(zhì)量對氮化產(chǎn)品白亮層致密度的影響。數(shù)年前，筆者所在單位為一家德資企業(yè)加工4種減速機用齒圈。

這4種齒圈中的3種，由需方自供料（42CrMo4），另1種則由供方自備國產(chǎn)的42CrMo。經(jīng)過多次工藝試驗，3種需方自供料制作的齒圈氮化后，其白亮層（的致密度）均達到技術(shù)要求。這些合格產(chǎn)品均在60KW普通井式氣體氮化爐完成工藝試驗和驗證，并在75KW和105KW普通井式氣氮爐實現(xiàn)量產(chǎn)；更有一齒圈達到白亮層致密的至高境界！

然而，國產(chǎn)42CrMo材料制作的齒圈，雖與另外3種同爐調(diào)質(zhì)，同爐氮化，經(jīng)過多次試驗，卻終沒有達到技術(shù)要求，做得好的一次，其致密部分的厚度也僅僅達到白層總厚度的51.65%。

齒圈（932777601）氣體氮化檢測報告

通過這一事件，筆者深度懷疑，氮化-軟氮化產(chǎn)品的白亮層致密度與材料本身的“內(nèi)在品質(zhì)”存在關(guān)系，但非常遺憾的是：筆者查閱了大量的中外文獻，至今卻未能找到相關(guān)的理論依據(jù)。

后來，筆者見到有人在熱處理網(wǎng)站上傳了一個31CrMoV9的氮化產(chǎn)品的檢測報告，其工藝時間長達124h，氮化層深度（DN）深達0.76mm（界限硬度400HV），而居然看不到脈狀組織！而同爐的42CrMo、25Cr2Mo1V產(chǎn)品的脈狀組織卻大大超過GB/T11354-2005規(guī)定的別！

 

 

2 齒輪用鋼鍛坯的等溫正火

 

2.1 淺論等溫正火的理論基礎(chǔ)和技術(shù)要求

目前，等溫正火在齒輪材料的原始組織，減小終熱處理變形量方面的作用越來越為業(yè)內(nèi)人士所認(rèn)可。

等溫正火的主要理論依據(jù)應(yīng)該是鋼的奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線圖，等溫正火的主要目的是獲得均勻細(xì)小而近于等軸狀的晶粒和組織，同時獲得適宜的硬度，以利于獲得良好的金切加工性能。但非常遺憾的是：迄今為止，筆者翻遍了手頭的科技文獻資料，卻未能找到20CrMnMoH、22CrMoH的奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線。

實踐證明，滲碳鋼在160~210HBW的硬度范圍，均可獲得的加工表面，但當(dāng)正火硬度達到上限（偏高）時，會導(dǎo)致刀具磨損較快，從而增加刀具的消耗。對于不同牌號的齒輪材料，由于合金化的差異，很難使正火后的硬度與金相組織獲得兩全其美的匹配，當(dāng)二者不可兼得的時候，應(yīng)該如何決定取舍呢？

 

個人認(rèn)為，在這種情況下，應(yīng)該優(yōu)先保證獲得良好的金相組織。

但不少設(shè)計人員對等溫正火的意義和實際操作實務(wù)缺乏的了解，提出的技術(shù)要求帶著的盲目性，只追求正火后的硬度，而忽視對金相組織的要求，從而舍利而趨弊。如此一來，不僅不利于后續(xù)的切削加工，而且給終熱處理埋下禍根。

奇文共欣賞，疑義相與析。借此機會在這里給各位專家、同行展示一下濟南匯九齒輪有限公司所做的兩種材料的等溫正火效果，以期取得拋磚引玉的效果，希望各位專家和同行提出質(zhì)疑和指導(dǎo)。

2.2  20Cr2Ni4A及20CrMnMoH等溫正火金相組織及晶粒度

2.2.1  20Cr2Ni4A螺傘齒鍛坯的等溫正火金相組織

按照《GB/T13320-2007鋼質(zhì)模鍛件 金相組織評級圖及評定方法》來評級，應(yīng)該可以評為1級，實測這個組織的鍛件硬度為194~195HBW。（注：金相組織及硬度均為在橫截面上的剖檢結(jié)果）

：20Cr2Ni4A鍛件等溫正火金相組織（100×）

西門子機械傳動（天津）有限公司提供的匯九齒輪20CrMnMoH晶粒度檢測報告。

濟南某齒輪有限公司供西門子（天津）公司的齒輪與西門子公司本部提供齒輪同臺做疲勞強化試驗，結(jié)果本部提供齒輪破壞。西門子公司本部要求把做過疲勞試驗的匯九齒輪發(fā)到本部，然后進行剖檢分析，本部給出的檢測報告。

鋼材是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)，鋼材質(zhì)量的優(yōu)劣直接決定一個國家的工業(yè)制造水平。然而，我們國家的鋼材質(zhì)量現(xiàn)狀實在令人擔(dān)憂，這一問題已嚴(yán)重制約我國各行各業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量提升；而且，因為鋼材質(zhì)量問題給工業(yè)生產(chǎn)造成巨大的浪費和經(jīng)濟損失是令人觸目驚心的！目前，我國的鋼鐵企業(yè)的產(chǎn)能過剩是改革開放初期粗放式發(fā)展模式形成的痼疾，而當(dāng)前，在日益嚴(yán)酷的市場競爭中，靠無序的價格戰(zhàn)攫取市場份額，必然導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量的急劇下滑，而且，參與惡性競爭的企業(yè)終會搬起石頭砸自己的腳，對整個行業(yè)的發(fā)展無異于飲鴆止渴！

鋼材內(nèi)部的冶金缺陷固然可以通過后續(xù)的鍛造和預(yù)備熱處理加以，但這種是有限度的，嚴(yán)重的成分偏析、混晶、帶狀組織，是難以通過鍛造和預(yù)先熱處理的。本人從事熱處理技術(shù)工作30年，特別是從事齒輪熱處理10余年，因為鋼材質(zhì)量問題所遭遇的種種尷尬和無奈，令人痛心疾首！打鐵還的自身硬！我國的鋼鐵企業(yè)靠國家政策調(diào)控和對市場的刺激干預(yù)，終究不是之計，只有過硬的產(chǎn)品質(zhì)量才是企業(yè)立于不敗之地的法寶。

 

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