曲轴渗碳淬火后的缺陷分析及工艺改进

2018-07-25 08:18:20张晓阳齐永丰

金属加工(热加工) 2018年7期

■ 张晓阳，齐永丰

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为了提高曲轴的使用寿命，某些生产厂家曲轴材质选用渗碳钢，并对曲轴进行渗碳淬火处理。本文涉及的曲轴技术要求如下：曲轴采用模锻成形，材质20Cr，渗碳层深度1～1.5mm，表面碳浓度0.8%～0.9%，渗碳淬火后硬度55～60HRC。曲轴如图1所示，图中红色区域为工作面(该表面需进行渗碳淬火处理)。

原工艺采用渗碳后直接降温淬火。检验过程中发现硬度在45～50HRC，未达到要求。在喷砂处理过程中，发现渗碳层局部剥落，表面存在裂纹等现象，如图2所示。为查找曲轴硬度不足、渗碳层局部剥落、产生裂纹的原因，对其进行了金相组织观察，对渗碳淬火工艺进行了改进。

图1 曲轴示意

1. 曲轴渗碳淬火缺陷分析

在渗碳层局部剥落位置取样（横截面），进行宏观形貌观察，发现局部几乎完全剥落的剥离裂纹，裂纹产生在渗碳层与基体过渡区域，如图3所示。

图2 曲轴渗碳淬火后局部剥落

图3 渗碳层局部剥落

对曲轴进行金相组织观察，以判定裂纹产生的原因。发现表面及近表面位置晶粒粗大，并存在大量残留奥氏体（见图4），这是曲轴硬度低以及产生裂纹的主要原因之一。渗碳后直接淬火不能细化钢的晶粒，表面残留奥氏体较多，硬度较低，表面应力较大，容易在喷砂后产生裂纹。

图4 粗大马氏体+残留奥氏体

检测随炉渗碳试样金相组织，表面碳浓度达到1%～1.2%，超出标准范围。而且过渡层不明显，如图5所示。说明在渗碳过程中扩散阶段的碳浓度控制出现问题，或扩散阶段时间不够，造成过渡层不明显。渗层与心部之间浓度突降，必然引起组织的突变，从而引起额外的残余应力，削弱渗层与心部的结合。裂纹在过渡层位置产生，碳浓度梯度过大是造成渗碳层局部剥落的原因，如图6所示。

2. 工艺改进

渗碳以及淬火的设备均采用RJJ-75型井式渗碳炉，渗碳方式采取煤油滴注法，原渗碳淬火工艺为：920℃渗碳，保温8h（强渗阶段滴注煤油90～110滴/min，扩散阶段降低煤油滴注速度），随炉降温至820℃，保温0.5h，然后直接淬火（油冷），回火温度160℃，保温3h。原渗碳淬火工艺如图7所示。

之所以产生渗碳淬火缺陷，认为是由晶粒粗大、碳浓度梯度过大造成的，裂纹在过渡层位置产生，喷砂造成的切应力作用在强度较低的过共析层与亚共析层的交界处，致使渗碳层剥落。淬火后表层组织为粗针状马氏体+残留奥氏体，这种组织是由于淬火温度偏高造成的。由渗碳温度（920℃）降温至淬火温度（820℃）后直接淬火，导致表层残留奥氏体含量较高，渗碳层中的残留奥氏体会严重影响零件的性能，因此残留奥氏体的量应尽可能地控制在一定范围之内。

过渡层占比太小的原因是由渗碳工艺不当造成的，在920℃渗碳8h过程中，煤油滴注的滴数控制不精确，造成整个渗碳过程一直处于强渗阶段，没有扩散的过程，所以过共析层+共析层比例过大，大于总深度的3/4，说明炉内碳势过高，强渗时间与扩散时间比例选择不当，因此应该降低碳势，调整强渗阶段与扩散阶段的比例。

找到问题产生的原因后，对渗碳工艺进行改进，并要求操作者严格按照工艺执行。具体工艺为：强渗阶段为5h，扩散阶段为3h，严格控制煤油的滴数，渗碳结束后缓冷至880℃吊出放入缓冷坑，冷却至室温，改进后的渗碳工艺如图8所示。然后再加热至淬火温度820℃，滴煤油保护（防止脱碳），保温1h后进行淬火（油冷），淬火后进行回火，回火温度160℃保温3h，改进后淬火、回火工艺如图9所示。