渗碳齿轮内氧化控制技术研究

 梁  通1,2，王文先1，袁晓丹1

（1．太原理工大学材料科学与工程学院，山西  太原  030024;2．国电联合动力技术（包头）有限公司，内蒙古包头014030）

摘要：针对齿轮在渗碳过程中容易产生较深的内氧化这一现象，提出通过调节碳势的手段抑制内氧化的产生，探讨了18CrNiM07-6材料的渗碳齿轮内氧化控制技术。采用控制变量法改变扩散区的碳势，调节试样在渗碳过程中碳势的变化，分析试样的金相显微组织，比较内氧化层深度。试验结果表明：扩散期碳势从0. 7%C上升到0.8%C时，内氧化深度从22μm下降到15μm。由此可见碳势是影响内氧化深度的一个重要因素，可适当提高扩散期碳势，抑制内氧化产生。随着碳势的增加，硬化层层深有所提高，碳化物也随之增加。

关键词：渗碳齿轮；内氧化；碳势 中图分类号：TG162. 73  

 0  引言

 在合金的高温氧化过程中，除了形成表面氧化物以外，氧可能溶解并扩散进入合金内部，并与合金中较活泼的组元发生反应而形成颗粒状氧化物沉积在合金内部，相应的氧化物称为内氧化物。行星齿轮承载力较大，长时间运转的行星轮表面内氧化剧烈时会成为疲劳源，最终导致断裂失效；另外，内氧化后的区域合金元素减少，会导致钢的淬透性下降。因此，在渗碳过程中严格控制内氧化程度，对提高风机齿箱使用寿命和稳定性非常重要。

 氧化剂的存在是产生内氧化的根本原因。渗碳炉中的氧化剂有H2O、CO2和O2等成分，它们能渗入钢材表面，导致渗碳层内氧化。王有铭等人曾分析了造成内氧化现象的主要原因：①渗碳炉的密封性不好有空气侵入；②渗碳炉中氧化性气体如H2O、CO2、O2过多；③渗碳炉内有残余物等。对于渗碳钢而言，一般在900℃～930℃下进行渗碳。钢在工艺温度下渗碳时，碳势控制值通常应小于Am点对应的碳溶解度，一般设定为略小于该溶解度，这样渗碳中可以抑制高温时粗大碳化物的形成。潘一凡等人曾对在930℃渗碳条件下钢基体未发生外氧化而其他合金元素发生内氧化的最大氧分压做了计算，得出在合金元素以溶质元素形式存在于渗碳钢中时，内氧化不可避免，但随着碳势的增加，氧分压降低，内氧化程度可以有所降低。

 本文针对材料为18CrNiM07-6的风机齿轮箱一级行星轮的内氧化深度进行研究，通过试验在不改变其他条件下通过改变渗碳扩散期碳势的手段来研究齿轮的内氧化程度，找出控制内氧化的预防措施，以解决渗碳齿轮内氧化超标的问题。

1  试验材料及方法

1.1  试验材料

 齿轮的基本参数为：齿顶圆直径为Φ428 mm，内孔径为Φ310 mm，齿宽为180 mm，法向模数为9，齿轮重90 kg。每炉附带一个随炉终检齿形样作为试验样品。

 使用SPECTROMAXx原子直读光谱仪对试验材料18CrNiM07-6进行化学成分检测，结果见表1。

1.2试验方法

 渗碳时采用箱式多用炉，其型号为VKEs6/4-150/115/180CN爱协林热处理系统。采用的热处理工艺如图1所示。通过控制变量法，只改变扩散期的碳势而不改变其他参数，从而研究碳势与内氧化之间的关系。本次试验采用甲醇十丙酮作为渗碳介质，通过控制丙酮的流量调节扩散期碳势。

2试验结果与讨论

2.1  金相检验结果

图2为渗碳过程中碳势随时间的变化曲线。从图2中可以看出，渗碳后半段扩散期的十几个小时内的平均碳势的高低不同，1#炉试样平均碳势最高，其次为2#炉试样，平均碳势最低为3#炉试样，可以看出扩散期碳势明显都高于工艺值0. 7%C。

  分别对3组试样进行金相检验，主要对内氧化深度、硬化层层深、碳化物级别进行测量，结果见表2。从表2中得出：①随着扩散期碳势的升高内氧化深度随之降低，主要原因是随着碳势的增加，氧分压降低，因此内氧化程度有所降低；②碳势的升高，导致硬化层层深增加，因此在实际生产中也不能一味地提高碳势，由于有效硬化层层深要求为2.2 mm～2.5 mm，所以1#炉试样的扩散期碳势已经接近最高限，如果再提高碳势，势必会造成硬化层层深超标；③由于碳势的升高，表面渗碳组织在回火后析出碳化物，形成粒状和断续网状碳化物，表面碳化物的弥散程度有所降低。

2.2金相组织分析

  图3为3组试样内氧化深度组织形貌。由图3可看出，1#试样内氧化深度控制很好，并没有形成连续网状或爪状的较为恶劣的内氧化，而是表现出单根向内延伸且末端分叉的形貌，而且其深度为15μm，小于技术文件要求的25μm，较薄的氧化层在后续的磨齿工序中能有效去除；2#、3#试样中均发现表面层存在连续或不连续的网状或块状黑色组织，这是由于内氧化导致贫合金化元素形成的屈氏体类组织，也常被称为非马氏体组织，这类组织会降低表面硬度和耐磨性以及疲劳极限。

 图4为3组试样碳化物级别。3组试样组织中都包括细粒状弥散分布的碳化物，隐针马氏体及少量的残余奥氏体。碳化物也是很重要的一项检测指标，高度弥散的碳化物颗粒能使渗层强韧化，从而在提高耐磨性的同时提高了接触疲劳强度。图4(a)中1#试样碳化物相比其他两组试样要差，可看出有少量呈断续网的粒状碳化物存在。

3结论

 (1)扩散期碳势由0.7%C上升到0.8%C，内氧化深度从22μm下降到15 μm。因此可适当提高扩散期碳势，抑制内氧化产生。本试验手段是采用渗碳控制系统，对渗碳工艺参数严格控制，特别是与表面碳浓度密切相关的扩散碳势。

 (2)随着碳势的增加，有效硬化层层深有所提高，碳化物也随之增加。所以在当前的渗碳工艺下，应控制扩散期碳势在0.8%C附近，再适当缩短扩散期保温时间。