27MnCr5钢齿轮渗碳淬火回火后组织粗大的工艺改进＊

李卫民，左 彪

1.泰州职业技术学院机电技术学院（江苏泰州 225300）

2.江苏飞船股份有限公司（江苏泰州 225300）

1 引言

27MnCr5钢齿轮经过渗碳、淬火、低温回火后的金相组织出现异常现象：经4%硝酸酒精腐蚀后，有许多目视可见的粗亮黑点，黑点处齿轮组织晶粒非常粗大，大大降低了27MnCr5钢齿轮的接触疲劳和弯曲疲劳等力学性能指标，缩短了齿轮的使用寿命，对27MnCr5钢齿轮的使用性能和寿命影响都很大。笔者认为应该对这种现象加以重视，通过分析，找出原因，加以预防，并通过对27MnCr5钢渗碳直淬齿轮生产工艺进行工艺改进来找出解决问题的方法[1]。

2 齿轮黑色区域的分布形态及其金相组织

27MnCr5钢齿轮经过渗碳、淬火、低温回火后，常见黑点分布形态有3种，都伴随着出现粗大的晶粒组织。

（1）少量黑色区域的形态分布及其内部组织。

如图1所示，27MnCr5钢齿轮经过渗碳、淬火、低温回火后，出现少量黑色区域的齿轮表面组织细致，组织为细小的马氏体M和细小的残余奥氏体Ar，2级；但黑色区域组织出现异常，既有粗大的马氏体M，而且有大量的块状、网状铁素体F组织[2]。

（2）中量黑色区域的形态分布及其内部组织。

如图2所示，27MnCr5钢齿轮经过渗碳、淬火、低温回火后，出现中量黑色区域的齿轮表面组织为粗大高碳针状马氏体M；黑色区域的组织既有粗大低碳板条状马氏体M，而且有大量的块状、网状铁素体F组织[2]。

图1 少量黑色区域的金相组织

图2 中量黑色区域的金相组织

（3）大量黑色区域的形态分布及其内部组织。

如图3所示，27MnCr5钢齿轮经过渗碳、淬火、低温回火后，出现大量黑色区域的齿轮表面组织为粗大的马氏体+残余奥氏体；黑色区域的组织既有粗大低碳板条状马氏体，而且有大块状铁素体组织。

3 黑色区域的危害性

（1）这样的黑色区域的出现对渗碳层的深度的检测容易引起误判，对有效硬化层的测定同样影响很大[3]。

（2）无论是大量的黑色区域，还是少量的黑色区域，它们都有一个共同点：一旦有这种黑点现象出现，该处的金相组织（马氏体和残余奥氏体M+Ar、低碳马氏体M等）都很粗大，而且还掺杂些其它异常组织包括大块状的铁素体F或者沿晶界分布的铁素体F。

这样的粗大组织或者异常组织产生的组织应力都很大，势必造成齿轮应力局部集中，在使用中容易造成轮齿崩断。

（3）黑色区域这种粗大组织或者异常组织的存在会破坏金属基体的连续性，势必影响齿轮的接触疲劳强度、弯曲疲劳强度等齿轮的各项力学性能，造成齿轮早期崩裂、破损，严重影响齿轮的使用寿命。

图3 大量黑色区域的金相组织

4 齿轮生产工艺改进

（1）原材料的控制。

通过进货记录检查发现，产生黑色区域粗大组织或异常组织的原材料的带状组织严重，达到4级。带状组织是材料元素偏析的一种现象，为此，对原材料要严加控制，对元素偏析严重、奥氏体晶粒粗大的材料要杜绝流入生产，从源头上斩断这种黑色区域的产生。

（2）中间热加工工序的控制。

27MnCr5钢齿轮经过渗碳、淬火、低温回火后一旦出现黑色区域，该区域的金相组织必然粗大或者异常。为此，对引起齿轮组织粗大的生产环节要加以严格控制，比如锻造、渗碳、淬火等环节，防止齿轮局部过热、过烧等。

另外从齿轮流转的各热加工工序上确保齿轮的晶粒不长大，使黑色区域产生的基础消失。特别是对锻造温度的控制，温度过高或过低都会对晶粒长大产生不利影响，有必要对锻造过程不定期进行温度监控[4]。

（3）对已形成黑色区域的齿轮的修复工艺。

对生产中出现有黑色区域的齿轮，我们选取中量黑色区域齿轮和大量黑色区域齿轮做了相应的修复工艺试验。

a.修复工艺一：对选取的中量黑色区域齿轮和大量黑色区域齿轮重新加热淬火、低温回火，淬火、低温回火工艺曲线如图4所示。

图4 淬火低温回火工艺

经过重新淬火低温回火修复工艺处理后，中量黑色区域齿轮和大量黑色区域齿轮金相组织如图5和图6所示。

其组织粗大的现象并没有改观，修复处理后表面马氏体和残余奥氏体仍然达到七级；心部组织仍很粗大，达不到改进的效果。

b.修复工艺二：对选取的大量黑色区域齿轮先进行球化退火，球化退火工艺曲线如图7所示，再重新加热淬火、低温回火。淬火、低温回火工艺曲线如图8所示。

图5 中量黑色区域齿轮金相组织

图6 大量黑色区域齿轮金相组织Z

有大量黑色区域的齿轮，虽经过球化退火，但其加热温度在780℃左右，在此温度下，材料不能完全奥氏体化，内部组织改善不大，经过该修复处理后表面和心部组织如图9所示，仍然很粗大，达6级，达不到改进的效果。

图7 球化退火工艺

图8 淬火低温回火工艺

图9 球化退火淬火低温后金相组织

c.修复工艺三：对选取的大量黑色区域齿轮先进行等温正火，等温正火工艺曲线如图10所示，再重新加热淬火、低温回火。淬火、低温回火工艺曲线如图8所示。

图10 等温正火工艺

有大量黑色区域的齿轮，经过等温正火后再淬火低温回火，齿轮表面和心部金相组织均匀细小，如图11所示，经检验，黑点区域消除，金相组织合格。这主要是由于等温正火能保证齿轮材料完全奥氏体化，齿轮内外都处于同一温度下发生组织转变，能获得均匀的组织和性能，起到细化晶粒、消除组织缺陷等作用[3]。

图11 球化退火淬火低温后金相组织

5 结论

（1）对27MnCr5钢原材料要严加控制，对元素偏析严重、奥氏体晶粒粗大的27MnCr5钢原材料要杜绝流入生产，从源头上斩断这种黑色区域的产生。

（2）对引起27MnCr5钢齿轮组织粗大的中间生产环节要加以严格控制，比如锻造、渗碳、淬火等环节，防止齿轮局部过热、过烧等。另外从齿轮流转的各热加工工序上特别是对锻造温度的控制，温度过高或过低都会对晶粒长大产生不利影响，有必要对锻造过程不定期进行温度监控。

（3）对于已经出现黑色区域的27MnCr5钢齿轮，在机加工和渗碳淬火低温回火之前加一道等温正火工艺，并进行相应的工艺试验，方可投产。