眾所周知，螺旋傘齒輪100%取材于鋼鐵材料，可以說(shuō)，在很大程度上，鋼材本身的品質(zhì)特性決定了螺旋傘齒輪的各種性能和服役壽命。

鋼材本身的各種缺陷不僅會(huì )導致其在熱處理后的不規則變形甚至開(kāi)裂，而且，還會(huì )造成同一螺旋傘齒輪不同位置的熱處理質(zhì)量特性值不一致，從而造成同一批次的不同個(gè)體齒輪、同一齒輪的不同位置的各項機械性能參差不齊，終形成了螺旋傘齒輪服役過(guò)程中的“木桶效應”。

 

 

1 從熱處理角度談我國鋼鐵的質(zhì)量現狀

 

1.1 鋼材的內在質(zhì)量

市場(chǎng)經(jīng)濟是各行各業(yè)運行節奏快四拍的時(shí)代，很多企業(yè)限于自身的檢測條件，以及生產(chǎn)進(jìn)度和生產(chǎn)節拍的安排，對原材料的入廠(chǎng)檢驗，往往疏于按部就班地進(jìn)行程序化管理：僅僅做了材質(zhì)分析，便急不可待投入生產(chǎn)的情況，是司空見(jiàn)慣的；有些企業(yè)，甚至在材質(zhì)分析結果出來(lái)前，就已把新入廠(chǎng)的原材料投入到生產(chǎn)中。還有的小企業(yè)根本就不做任何檢查，他們直接把鋼材的質(zhì)量之“寶”押在了鋼廠(chǎng)的信譽(yù)上。那是因為這些企業(yè)太不了解我國鋼鐵企業(yè)的市場(chǎng)行情和質(zhì)量現狀！

一批鋼材的品質(zhì)優(yōu)劣，是否合格？絕不僅僅局限于化學(xué)成分是否合格。

 除了化學(xué)成分，其成分均勻性、原始組織均勻性，以及淬透性、純凈度等都是鋼材品質(zhì)特性的決定因素。一經(jīng)熱處理，這些微觀(guān)上的缺陷就會(huì )被直接被暴露出來(lái)，或被放大而成為致命的缺陷。

筆者作為江蘇巨力齒輪股份有限公司熱處理車(chē)間的一名熱處理工程師，現將10余年來(lái)自己工作中所發(fā)現的諸多與鋼材冶金質(zhì)量有關(guān)的問(wèn)題分享給大家，并與大家進(jìn)行交流和探討；

 

1.2  在熱處理過(guò)程中發(fā)現的鋼材質(zhì)量問(wèn)題（案例）

1.2.1  40Cr齒輪氮化前調質(zhì)淬不硬，硬度分散度大

材料為40Cr，熱處理技術(shù)要求為：

 （1）調質(zhì)：830~930 MPa

 （2）滲氮：表面硬度：480~580HV10，滲氮層深（DN）：≥0.50，化合物層（VS）：10~15μm

 

這個(gè)產(chǎn)品的調質(zhì)，初采用密封箱式多用爐850℃加熱（奧氏體化），快速淬火油+強力攪拌淬火后檢查發(fā)現：同一爐產(chǎn)品（齒坯）淬火后的硬度在24~35HRC、34~46HRC、42~50HRC的寬泛領(lǐng)域，同一產(chǎn)品不同位置的硬度值ji差竟達8~12HRC，采用560℃回火，硬度分布為16~20HRC、19~23HRC、27~30HRC等。

對本批不合格品進(jìn)行多次取樣做化學(xué)分析和光譜分析，其含碳量和主加元素均符合GB/T3077-1999的成分要求。

 后來(lái)，經(jīng)與鋼廠(chǎng)協(xié)商，采用“死馬當成活馬醫”的休克療法：860℃加熱（奧氏體化）后，采用8~10%NaCl水溶液淬火，一切損失由鋼廠(chǎng)承擔。按照這一方案，淬火后的硬度達到48~52HRC；580℃回火后水冷達到技術(shù)要求（硬度25~28HRC），經(jīng)無(wú)損檢測，本批產(chǎn)品500件，開(kāi)裂4件。

1.2.2  螺旋傘齒輪（Z20370003）高頻淬火暴露出材料淬透性問(wèn)題

 轎車(chē)用二級平衡軸機構中的一個(gè)齒輪，該齒輪材料為42CrMo，熱處理技術(shù)要求為：

 （1）調質(zhì)24~32HRC；

 （2）齒部感應加熱淬火，硬度≥51HRC，有效淬硬層深度1~2mm。

 

這里簡(jiǎn)要介紹一下這個(gè)產(chǎn)品在一臺半自動(dòng)高頻感應淬火機床上的加熱和淬火過(guò)程：

1）在感應器內放好要加熱淬火的工件；

2）開(kāi)啟淬火機床的旋轉按鈕，工件開(kāi)始旋轉；

3）開(kāi)啟淬火機床的加熱按鈕，設備開(kāi)始“自動(dòng)預熱—間歇（停留）—加熱—淬火（工件下落冷卻槽、旋轉運動(dòng)不停止，而且，冷卻介質(zhì)是循環(huán)流動(dòng)的）—復位（工件上升到初始位置）”的淬火程序；

這個(gè)產(chǎn)品是一個(gè)已量產(chǎn)三年的長(cháng)線(xiàn)產(chǎn)品，在2016年1月12日突然發(fā)現大量產(chǎn)品出現淬火裂紋。當時(shí)以為是因為天氣寒冷，冷卻過(guò)度或回火不及時(shí)造成的。

后來(lái)經(jīng)過(guò)調整高頻淬火工藝參數（在選擇的加熱功率不變的情況下，預熱時(shí)間和加熱時(shí)間已壓縮近30％），但經(jīng)無(wú)損探傷（無(wú)裂紋）、剖檢首件發(fā)現，有效淬硬層深度還是超過(guò)技術(shù)要求的上限。再剖檢本批開(kāi)裂嚴重的產(chǎn)品，其有效淬硬層深度均嚴重超深，深達6.5mm！

后來(lái)加工該產(chǎn)品時(shí)，每批產(chǎn)品的時(shí)間參數都不能確定，每次調整至首件合格后，中間抽檢和末件剖檢，淬硬層均不一致，在加工過(guò)程曾兩次抽取高頻淬火5連件產(chǎn)品進(jìn)行剖切檢查，以進(jìn)行對比分析。第一次剖檢的首件硬化層深度為1.85mm，而過(guò)程抽取的5連件產(chǎn)品，硬化層深度分別為1.35mm，1.45mm，0.95mm，1.45mm，1.50mm；第二次剖檢首件硬化層深度為1.40~1.50mm。而過(guò)程抽取的5連件產(chǎn)品，其硬化層深度分別為2.00mm，2.00mm，2.00mm，2.00mm，2.40mm。

后來(lái)，在一個(gè)批次的加工過(guò)程中還發(fā)現，1件產(chǎn)品在加熱過(guò)程便出現熱形異常情況，淬火后即發(fā)現從一個(gè)輪齒的齒面某一位置到齒輪內孔呈貫通性開(kāi)裂，橫向剖開(kāi)整個(gè)齒輪，經(jīng)腐蝕發(fā)現：有效淬硬層在與裂紋的交匯處出現拐彎而內凹

 

1.2.3  盆角齒滲碳緩冷后重新加熱壓力淬火后組織不均勻

 某一汽車(chē)后橋從動(dòng)齒輪（22CrMoH）滲碳緩冷，并經(jīng)860℃重新加熱（7工位周期推盤(pán)式加熱爐，推盤(pán)周期25min）、壓力淬火、剖切（檢測）后的殘骸。

 在整個(gè)齒輪的周向大約互成60°的6個(gè)均布位置分別切取6個(gè)輪齒，然后，檢查其有效硬化層深度（CHD）及金相組織、芯部硬度，芯部金相組織，檢查結果表明：6*齒的芯部金相組織不合格，有塊狀游離態(tài)的未溶鐵素體。在6*齒相鄰位置再切取1齒（7*齒）與6*齒雷同。

 

說(shuō)明：上述齒輪的鍛坯是經(jīng)過(guò)等溫正火的。

 

1-6：6*齒芯部金相組織

 

1.2.4  汽車(chē)輪轂軸管（300S）熱擠壓加工異常

一款熱擠壓汽車(chē)輪轂軸管（300S），材料為40Cr.

目前，此類(lèi)產(chǎn)品一般的加工模式是：圓鋼鋸切下料（D×H）→自動(dòng)上料機上料→中頻感應加熱爐（加熱）→剝皮機（去除氧化皮后）→經(jīng)導向滑道→滑向Ⅰ工位壓型模（壓型）→轉入Ⅱ工位成型模（熱沖內孔）→再轉入Ⅲ工位反擠模（鍛坯整形）→下線(xiàn)。

 

1-8：軸管（300S）鍛坯

 

該產(chǎn)品在某企業(yè)加工時(shí)發(fā)現：新模具（成型沖頭與反擠沖頭）上機后，加工只產(chǎn)品3~5件，沖頭即被嚴重拉毛，無(wú)法繼續使用。

采用便攜式里氏硬度計檢查未使用的新沖頭，表面硬度46~48HRC，臺式布氏硬度計檢查其硬度為495HBW。完全符合設計要求（46~49HRC）。

換上新沖頭后，依然如此：擠壓過(guò)程伴隨沉重的異響。

 

該材料在熱擠壓時(shí)沖頭下行的過(guò)程中，行程逐漸沉重，壓機的聲音逐漸沉悶（漸強），直至發(fā)出很強的嗡嗡聲。檢查機床壓力表發(fā)現：正常情況下，該產(chǎn)品在Ⅱ工位熱沖（成型）時(shí)，使用5Mpa即可正常生產(chǎn)；而在壓制該批材料時(shí)，沖頭在下行過(guò)程中，隨著(zhù)沖頭的逐漸下降，壓力表顯示壓力讀數由5Mpa逐漸上升，直至后陡增至16Mpa；Ⅲ工位熱沖（反擠）時(shí)，壓力由正常情況下的10~12Mpa漸增，后達到20Mpa。

操作工人反映了本批（爐次）材料的另外兩個(gè)特征：

1）仿佛有較強的磁性，使鋸切后的棒料端面（鋸口）上頑強的黏附著(zhù)較多的、難以脫落的鋸屑，壓制過(guò)程中能夠感覺(jué)到材料硬而韌，類(lèi)似剁切滾刀肉的感覺(jué)；

2）在正常情況下，料棒上附著(zhù)的少量鋸屑，被帶入中頻感應加熱爐，經(jīng)加熱燒結，待冷卻后像豆腐渣一樣“穌”，一搗即碎，很容易清理；而本批材料所黏附的鋸屑較多，在中頻感爐加熱后，仿佛像口香糖一樣軟而黏的玻璃體。

材料鋸切時(shí)的異常（有較強的磁性）

 

換上本鋼材供應商的另一個(gè)爐批號的同規格材料進(jìn)行加工，一切恢復正常。

對異常材料取樣化驗分析，材料的化學(xué)成分完全符合GB/T3077-1999中40Cr的成分標準；

對熱擠壓異常材料進(jìn)行金相組織分析，發(fā)現嚴重混晶和粗大的魏氏組織

 

原材料橫向截面發(fā)現混晶（100×）

軋制過(guò)熱+冷卻不當形成的魏氏組織（500×）

 

從本案看，被加工（熱擠壓）的材料明顯表現為：硬而韌、熱融性差、熱態(tài)流動(dòng)性差，熱塑性抗力大、熱塑性成形能力低劣等缺陷，但以上分析結果和證據，似乎又不足以說(shuō)明鍛壓異常的40Cr圓鋼材料存在明顯的質(zhì)量問(wèn)題問(wèn)題。

由于找不到確切的證據表明本批（爐次）圓鋼存在明顯的質(zhì)量問(wèn)題，而鋼廠(chǎng)亦無(wú)法解釋和解決本批（爐次）材料的鍛壓?jiǎn)?wèn)題，經(jīng)雙方協(xié)商：需方將已鋸切材料進(jìn)行退火（擴散）處理后試壓，尚未鋸切的圓鋼退回供方。

此后，需方將已鋸切的約600件鋼料（40Cr-Ф115×569），進(jìn)行880℃×5h隨爐空冷的退火處理，重新加工時(shí)，一切正常。跟蹤粗（車(chē)）加工件的熱處理調質(zhì)質(zhì)量情況，亦未發(fā)現異常情況。

 

1.2.5  材料品質(zhì)對氮化白亮層致密度的影響

疏松即不致密，是滲氮—氮碳共滲過(guò)程所產(chǎn)生的一種缺陷組織，通常是指分布在ε相區的黑色點(diǎn)狀組織；實(shí)際上是一些形狀不規則，大小不等的孔洞。

關(guān)于疏松的形成原因國內外學(xué)者持有不同觀(guān)點(diǎn)：①在形成化合物過(guò)程中，鐵原子由外向內遷移，而引起點(diǎn)陣缺陷由內向外反向遷移的結果；②滲氮過(guò)程中形成的內應力是產(chǎn)生孔洞狀疏松的主要原因；③多數人認為是由于滲氮-氮碳共滲工藝參數（主要是工藝溫度和工藝時(shí)間及分解率）控制不當，而使表層化合物層（主要為ε相）的氮原子重新結合成氮分子，從表面逸出，形成針孔（或孔洞）；④還有人認為：在進(jìn)行氣體滲氮時(shí)，NH3分解后產(chǎn)生的氫原子也會(huì )滲入鋼中，當氫原子結合成氫分子時(shí)也會(huì )產(chǎn)生很大壓力而逸出表面，從而形成孔洞。

無(wú)論何種觀(guān)點(diǎn)，都認同孔洞多在氣氛實(shí)際氮勢過(guò)高的情況下產(chǎn)生，即表面疏松的形成是由亞穩定的高氮ε相分解造成的，控制滲氮氣氛氮勢，限制表面含氮量，可以減輕表面疏松。

筆者在這里要強調的是材料本身的內在質(zhì)量對氮化產(chǎn)品白亮層致密度的影響。數年前，筆者所在單位為一家德資企業(yè)加工4種減速機用齒圈。

這4種齒圈中的3種，由需方自供料（42CrMo4），另1種則由供方自備國產(chǎn)的42CrMo。經(jīng)過(guò)多次工藝試驗，3種需方自供料制作的齒圈氮化后，其白亮層（的致密度）均達到技術(shù)要求。這些合格產(chǎn)品均在60KW普通井式氣體氮化爐完成工藝試驗和驗證，并在75KW和105KW普通井式氣氮爐實(shí)現量產(chǎn)；更有一齒圈達到白亮層100%致密的至高境界！

然而，國產(chǎn)42CrMo材料制作的齒圈，雖與另外3種同爐調質(zhì)，同爐氮化，經(jīng)過(guò)多次試驗，卻終沒(méi)有達到技術(shù)要求，做得好的一次，其致密部分的厚度也僅僅達到白層總厚度的51.65%。

齒圈（932777601）氣體氮化檢測報告

通過(guò)這一事件，筆者深度懷疑，氮化-軟氮化產(chǎn)品的白亮層致密度與材料本身的“內在品質(zhì)”存在一定關(guān)系，但非常遺憾的是：筆者查閱了大量的中外文獻，至今卻未能找到相關(guān)的理論依據。

后來(lái)，筆者見(jiàn)到有人在熱處理網(wǎng)站上傳了一個(gè)31CrMoV9的氮化產(chǎn)品的檢測報告，其工藝時(shí)間長(cháng)達124h，氮化層深度（DN）深達0.76mm（界限硬度400HV），而居然看不到脈狀組織！而同爐的42CrMo、25Cr2Mo1V產(chǎn)品的脈狀組織卻大大超過(guò)GB/T11354-2005規定的高級別！

 

 

2 齒輪用鋼鍛坯的等溫正火

 

2.1 淺論等溫正火的理論基礎和技術(shù)要求

目前，等溫正火在改善齒輪材料的原始組織，減小終熱處理變形量方面的作用越來(lái)越為業(yè)內人士所認可。

等溫正火的主要理論依據應該是鋼的奧氏體等溫轉變曲線(xiàn)圖，等溫正火的主要目的是獲得均勻細小而近于等軸狀的晶粒和組織，同時(shí)獲得適宜的硬度，以利于獲得良好的金切加工性能。但非常遺憾的是：迄今為止，筆者翻遍了手頭的科技文獻資料，卻未能找到20CrMnMoH、22CrMoH的奧氏體等溫轉變曲線(xiàn)。

實(shí)踐證明，滲碳鋼在160~210HBW的硬度范圍，均可獲得優(yōu)秀的加工表面，但當正火硬度達到上限（偏高）時(shí)，會(huì )導致刀具磨損較快，從而增加刀具的消耗。對于不同牌號的齒輪材料，由于合金化的差異，很難使正火后的硬度與金相組織獲得兩全其美的匹配，當二者不可兼得的時(shí)候，應該如何決定取舍呢？

 

個(gè)人認為，在這種情況下，應該優(yōu)先保證獲得良好的金相組織。

但不少設計人員對等溫正火的意義和實(shí)際操作實(shí)務(wù)缺乏必要的了解，提出的技術(shù)要求帶著(zhù)極大的盲目性，只追求正火后的硬度，而忽視對金相組織的要求，從而舍利而趨弊。如此一來(lái)，不僅不利于后續的切削加工，而且給終熱處理埋下禍根。

奇文共欣賞，疑義相與析。今天借此機會(huì )在這里給各位專(zhuān)家、同行展示一下濟南匯九齒輪有限公司所做的兩種材料的等溫正火效果，以期取得拋磚引玉的效果，希望各位專(zhuān)家和同行提出質(zhì)疑和指導。

2.2  20Cr2Ni4A及20CrMnMoH等溫正火金相組織及晶粒度

2.2.1  20Cr2Ni4A螺傘齒鍛坯的等溫正火金相組織

按照《GB/T13320-2007鋼質(zhì)模鍛件 金相組織評級圖及評定方法》來(lái)評級，應該可以評為1級，實(shí)測這個(gè)組織的鍛件硬度為194~195HBW。（注：金相組織及硬度均為在橫截面上的剖檢結果）

：20Cr2Ni4A鍛件等溫正火金相組織（100×）

西門(mén)子機械傳動(dòng)（天津）有限公司提供的匯九齒輪20CrMnMoH晶粒度檢測報告。

濟南某齒輪有限公司供西門(mén)子（天津）公司的齒輪與西門(mén)子公司德國本部提供齒輪同臺做疲勞強化試驗，結果德國本部提供齒輪率先破壞。西門(mén)子公司德國本部要求把做過(guò)疲勞試驗的匯九齒輪發(fā)到德國本部，然后進(jìn)行剖檢分析，德國本部給出的檢測報告。

鋼材是國民經(jīng)濟的基礎，鋼材質(zhì)量的優(yōu)劣直接決定一個(gè)國家的工業(yè)制造水平。然而，我們國家的鋼材質(zhì)量現狀實(shí)在令人擔憂(yōu)，這一問(wèn)題已嚴重制約我國各行各業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量提升；而且，因為鋼材質(zhì)量問(wèn)題給工業(yè)生產(chǎn)造成巨大的浪費和經(jīng)濟損失是令人觸目驚心的！目前，我國的鋼鐵企業(yè)的產(chǎn)能過(guò)剩是改革開(kāi)放初期粗放式發(fā)展模式形成的痼疾，而當前，在日益嚴酷的市場(chǎng)競爭中，靠無(wú)序的價(jià)格戰攫取市場(chǎng)份額，必然導致產(chǎn)品質(zhì)量的急劇下滑，而且，參與惡性競爭的企業(yè)終會(huì )搬起石頭砸自己的腳，對整個(gè)行業(yè)的發(fā)展無(wú)異于飲鴆止渴！

鋼材內部的冶金缺陷固然可以通過(guò)后續的鍛造和預備熱處理加以改善，但這種改善是有限度的，嚴重的成分偏析、混晶、帶狀組織，是難以通過(guò)鍛造和預先熱處理消除的。本人從事熱處理技術(shù)工作30年，特別是從事齒輪熱處理10余年，因為鋼材質(zhì)量問(wèn)題所遭遇的種種尷尬和無(wú)奈，令人痛心疾首！打鐵還的自身硬！我國的鋼鐵企業(yè)靠國家政策調控和對市場(chǎng)的刺激干預，終究不是長(cháng)久之計，只有過(guò)硬的產(chǎn)品質(zhì)量才是企業(yè)永遠立于不敗之地的法寶。

 

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