用试棒重量差判断零件硬化层深度

(东风格特拉克汽车变速箱有限公司，湖北 武汉 430000)

0 引言

低压真空热处理是近些年来在热处理中发展起来的一项技术，尤其在汽车变速箱、发动机和航空发动机等精密齿轮上得到了很好的应用。当前相关设备拥有量的多少已成为衡量一个企业热处理技术先进性的重要指标之一。

1 真空热处理工艺特点

我公司2013年从德国ALD公司引进一条ModelTherm系列低压渗碳高压气淬热处理生产线，应用于变速箱齿轮和轴的热处理。工艺应用有如下特点。

1)低压渗碳， 产品无内氧化脱碳，可提高产品质量；由于渗碳炉在工作状态下始终保持低压(10 mbar以下)，炉内没有氧气成分，可防止工件氧化和脱碳，同时氧化物和油脂分解出来的气体也被真空泵抽走。熔炼时遗留在金属内的气体，在负压状态下易从金属内逸出，其中氢的脱气效果明显，从而提高工件的强度和韧性。

2)工件变形小，并且变形均匀；真空热处理采用对流加热和辐射加热相结合，既保证零件的加热速度，又保证零件加热均匀性和一致性，降低由于零件里外温差造成的热应力和组织应力。渗碳采用脉冲式，保证零件CHD均匀性，可降低淬火变形。

3)高压气淬，产品无油渍和氧化皮，可减少清理抛丸工序，保证车间无粉尘。

4)设备无需保护气氛和废气燃烧，无有害气体排放，保证热处理车间良好的工作环境。

2 产品热处理技术要求及检测方法

我公司齿轮材料为20 MnCrS5-2，中淬透性低碳合金钢。采用Getrag标准GCG_805000part2。对材料淬透性也做了特殊要求，具体见表1。

表1 材料淬透性

产品图纸热处理要求除了表面硬度、有效硬化层深度、心部硬度、金相组织外，还对零件次表层硬度有特殊要求。

检测流程：热处理-零件送检-检测零件表面硬度-零件切割-制样-磨抛-金相组织分析(表层非马组织分析)-有效硬化层深度检测(次表层硬度检测)-心部硬度检测-检测报告。整个过程大约需要50 min。

热处理是特殊工艺，对产品检验时需进行破坏性检测，不仅浪费零件，而且等检时间较长，影响工序流。以20万产能为例，热处理检测切割零件成本每年大约切割零件约99万元。

3 采用标准试棒进行热处理特性检验

为解决热处理金相检验浪费以及等待检验时间的浪费，我司尝试了很多方法，包括采用小零件、零件试块、废零件等方法，虽然从不同程度上降低了热处理金相检验浪费和等待检验时间，但从效果和管理方面，都没有达到预期的效果。

根据真空热处理的特点——低压渗碳高压气淬，不会对零件产生氧化。尝试用标准试棒来代替零件进行热处理金相检验。

1)试棒材料：在热处理中，材料对热处理结果影响很大，特别是低碳合金钢，材料成分的差异，热处理结果不同。为使试棒检验结果与零件具有可比性和真实性，材料必须和零件一致，并且是同批次。要求毛坯供应商在提供毛坯时，根据生产计划，提供一定数量的同批次标准试棒。

2)试棒形状及大小：在齿轮热处理中，CHD与齿轮模数有着线性关系，一般CHD=(0.2-0.4)×m根据产品不同进行选择。如采用标准试棒，其形状大小十分重要。因齿轮多为小模数齿轮，为选择合适的热处理试棒，采用φ20×70标准试棒进行热处理 。

3)控制方式方法：采用标准试棒结合零件交替检验

4 试样数据分析

为得到标准试棒和零件检测结果之间的差异，我们采集了1 000个试棒和零件之间的数据进行对比分析，为保证标准试棒和零件材料的一致性，要求供应商按照零件批次分批制作试棒。抽检一个同批次的零件和试棒进行材料成分分析，结果如表2所示。

表2 试棒与零件成分检测结果

通过对1 000个试棒和零件的检测结果进行统计分析，其检测结果对比如图1所示。

图1 试棒和零件CHD曲线图

从表2中可以看出，试棒的CHD和零件的CHD差异很小，都在合格范围以内，并且对CHD偏差进行统计分析，如图2所示。

图2 CHD偏差统计分析

产品和试棒的偏差在±0.05占80%，偏差在±0.10占95%。

试棒和零件的表硬度偏差在0.04HRA，基本一致，并且零件与试棒的表面硬度都在中差HRA81，所有没有风险，具体如图3所示。

图3 试棒和零件表面硬度数据分析

经过近1 000个零件和试棒的实验数据对比，两者的热处理检测结果基本一致，可以用试棒代替零件进行金相检验。

5 试棒重量差判断零件CHD

1)真空热处理在低压状态下进行渗碳(<10 mbar)，没有空气，不易形成氧化物，零件热处理后不会形成非马组织。原理上零件热处理前后的重量差就是零件增加的碳，通过对试棒的分析以及极限试验，可得出试棒的重量差与零件CHD之间的对应关系，如图4和图5所示。

图4 试棒重量与齿轮零件CHD曲线

图5 试棒重量与轴零件CHD曲线

2)通过工艺试验，做出产品技术要求的极限值所对应的标准试棒重量差，同时统计1 000个试棒的重量差，都在极限范围内，齿轮和轴的重量差与CHD的上下限的对应关系如表3所示。

表3 试棒重量差与CHD关系

3)针对数据分析结果，可采用标准试样的重量差来判断零件的CHD以及其他热处理特性。

从而，在热处理设备稳定和工艺过程正常情况下，可以采用试棒的重量差来判断零件的CHD，从而实现真空热处理的无损检验。

6 效果

通过采用标准试棒，实现了热处理特性的无损检验，有效的降低了检验时间和检验成本。

1)检验时间：由以前的50 min缩短至现在的5 min。提高工作效率900%。

2)检验成本：每年可节约检验成本约98.3万元。

3)节能减员：可减少检验人员2名，每班1名。

7 结语

采用标准试棒热处理前后的重量差来判断零件的热处理CHD以及热处理特性，不仅有效降低了热处理检验时间和检验成本，还实现了热处理的无损检验。