表面脱碳对渗碳淬火工艺的影响

文/王佳佳·上海汽车变速器有限公司

本文主要针对某项目挡位结合齿在工艺开发试制过程中，发现了表面非马氏体组织缺陷，分析与锻坯表面脱碳有较大关系，通过几种脱碳试验结果对比，确定了表面脱碳对渗碳热处理工艺的影响，对锻件表面脱碳技术要求的制定具有参考意义。

由国内某公司研发的7 速TST 双离合器变速箱综合传动效率达到94%，最高效率达到97%，具有最佳的燃油经济性，同时让消费者拥有优越的驾车体验，换挡时间低于0.2s。该变速器齿轴类零件采用冷热复合结合锻造、低压真空渗氮等自动化生产工艺，本文以六七挡结合齿为例，零件外貌如图1 所示，对工艺试验中出现的齿部非马氏体组织成因进行分析，制定相应措施。

问题描述

图1 六七挡结合齿零件外貌

工艺开发试验阶段，渗碳淬火后对齿部理化进行检测，发现齿部外缘出现大量黑色非马氏体组织如图2 所示，与此同时，其他整体式结合齿也有类似情况出现，主要工艺流程为温锻→等温退火→冷精整→机加工→渗碳淬火，结合齿部位在冷精整成形后，不经过后续机加工处理，直接进行渗碳淬火，发现非马氏体组织的同时，表面硬度和渗层深度也低于下限值。

图2 六七挡结合齿非马氏体组织形貌

问题分析

利用鱼骨质量分析方法，对该质量问题进行剖析如图3 所示，由原热锻+车外径工艺流程转变为温锻+不车外径，其锻造工艺存在变更情况，分析认为表面脱碳对非马氏体组织的形成是问题的关键。

图3 “人机料法环测”质量分析

锻件在热锻成形和正火过程中，钢材中频快速加热后，锻件整体温度快速上升，一旦达到材料Ac1温度附近，锻件表面便逐渐形成脱碳。脱碳与化学成分、加热温度、保温时间、碳的金相形式、环境气氛等都有很大关系。表面脱碳分为全脱碳和半脱碳，在奥氏体化过程时，全脱碳后零件表面形成铁素体单相区，而半脱碳扩散层呈梯度分布，过冷后形成稳定的铁素体和珠光体组织，脱碳越严重，珠光体量越少。

脱碳过程中，氧原子在工件表面聚集，并沿奥氏体晶界向晶内扩散，而合金元素则由晶内向晶界、由内层向表层扩散并与氧结合形成氧化物，脱碳中氧化物主要分布在晶界上，其含量由表层向内层逐渐减少。后续渗碳淬火、冷却时由于合金元素贫化，奥氏体转变为托氏体、贝氏体等非马氏体，表面无法有效形成马氏体，这些表面出现的非马氏体组织在渗碳淬火后表现为硬而脆，容易导致成品零件表面强度不足，从而形成尺寸上的缺失和啮合间隙过大。

非马氏体组织是由内氧化的贫合金化元素导致而形成。一旦形成此类组织，其后果是降低表面硬度和耐磨性以及疲劳极限，并由晶粒边界或氧化物的应力集中区域，萌生细微裂纹，并向更深的地方延伸。材料为S-20MnCrSH，化学成分见表1，产品外形如图4 所示。

图4 六七挡结合齿零件图形

表1 S-20MnCrSH 化学成分(wt%)

解决问题的方法及结果验证

根据现场试制中反馈的缺陷，预处理工艺进行了七个产品工艺试验。利用增加锻造温度和中频加热时间的方式，使产品表面脱碳达到上公差0.1mm 左右，观察热后理化检测结果与毛坯状态对应情况，温锻成坯后对表面脱碳进行检测，如图5 所示。

图5 温锻成坯后表面脱碳情况(100×)

因温锻+无氧化正火+冷精整工艺特点，产品结合齿部位精整后不经过机加工，所以齿部的表面脱碳尤为关键，检测部位均为结合齿齿面，对冷精整后的表面脱碳进行检测，如图6 所示。经过金属流动，齿顶和齿面表面脱碳被有效拉长堆积至齿根位置。

图6 冷精整后表面脱碳情况(100×)

冷精整后，产品进入机加工和渗碳淬火，对七件残留体进行特别跟踪。对表面硬度、心部硬度、渗层深度和表面非马氏体组织各项进行分别检测，与进热处理前进行对比。利用原始不同深度的脱碳层零件，与进热处理后的数据对比发现，表面脱碳层深的零件在热处理后的非马氏体组织厚度更大，表面硬度更易低于技术要求值，见表2。

通过该验证试验，检测发现热处理后产品表面均出现非马氏体组织，如图7 所示，且根据表面脱碳层深度呈现正比关系，而一旦出现非马氏体组织后，所有工序均已完成，该问题的出现将造成产品报废，非马氏体组织通过强喷/气喷工艺后有所改善，但难以全部消除，且极易造成表面毛刺的产生，影响产品质量，需要根据实际情况制定有效措施进行改善。

图7 进热处理后零件表面非马氏体组织情况

表2 试验检测数据

结果验证：当毛坯加热过程中，温度高于600℃后，零件表面将容易出现表面脱碳，加热时间越长或加热温度越高，表面脱碳值越大。经过冷精整后，结合齿齿面经过塑性变形拉伸后，脱碳将减少，受到挤压后，脱碳将增加。经过渗碳淬火，非马氏体组织因脱碳存在而出现，表面硬度将低于正常值，脱碳层越大，渗层深度越小，非马氏体组织深度越大。

实际生产中，对于已出现非马氏体组织的产品，且厚度≥0.03mm，强化喷丸工艺可有效消除表面非马氏体组织，但易造成产品表面粗糙度问题，且影响产品尺寸，需综合考虑后实施。在强化喷丸生产中应根据具体技术要求进行钢丸和参数的调整，以减少产品表面非马氏体组织厚度，减少质量问题导致的损失。

制定措施

针对验证的结果，对预防零件表面脱碳问题进行了措施制定。

在中频炉加热分区中，由原先的模块1 和模块2加热，模块3 保温更改为模块1 关闭，模块2 和模块3 加热，达到始锻温度，如图8、图9 所示。并且锻造温度由1040 ～1050℃下降为1020 ～1030℃。

图8 中频炉加热分区

图9 中频炉分区电流设定

在锻造环节，坯料表面预涂石墨浓度由4%～5%增加到5%～7%，通过水分仪测量实际浓度，并进行每班记录，如图10 所示。

图10 水分仪测定石墨浓度

以氮气充满炉膛，通入丙烷作为富化气，控制碳势值，保证炉膛内处于无氧状态，保护产品不受脱碳问题影响，碳势由0.1%wtC 提升至0.2%wtC。

措施同时进行，如表3 所示，对零件热处理前，表面脱碳进行过程控制，将零件表面脱碳控制到≤0.05mm，进热后零件表面消除了非马氏体组织如图11 所示，表面硬度和渗层深度满足技术要求，同时获得了较理想的心部硬度，且重复性良好。

结论

表面脱碳对渗碳过程中非马氏体组织的形成有直接影响，碳和合金元素的缺失将影响奥氏体向马氏体转变时的有效性，奥氏体将转变为托氏体、贝氏体等非马氏体，表面脱碳层越大，渗层深度越小，非马氏体组织厚度越大。

表3 改进措施

图11 零件表面消除了非马氏体组织

⑴非马氏体组织的形成将降低表面硬度和耐磨性以及疲劳极限，并由晶粒边界或氧化物的应力集中区域，萌生细微裂纹，并向更深的地方延伸，对产品性能有重大影响，应完全避免和预防。

⑵强化喷丸工艺可有效消除表面非马氏体组织，但易造成产品表面粗糙度问题，在实际生产中应根据具体技术要求进行钢丸和参数的调整，以减少产品表面非马氏体组织厚度。

⑶结合齿位置的脱碳在塑性变形中将拉伸和破坏，随着金属流动堆积在齿根位置，应将全脱碳层深度控制在≤0.05mm 范围内，否则将极易导致结合齿位置的非马氏体组织。

⑷可以通过设定合理的中频加热模块、降低锻造温度、增加石墨浓度和增加预处理过程中的碳势保护等措施，减少表面脱碳的增加。