金相法测量渗碳(碳氮共渗)齿轮的有效硬化层深度

金相法测量渗碳(碳氮共渗)齿轮的有效硬化层深度

常州齿轮厂(213001)陈秋明张永年

汽车、拖拉机齿轮大多采用渗碳或碳氮共渗淬火的表面热处理，以提高齿轮的耐磨、抗疲劳强度等性能。国内汽车、拖拉机齿轮制造行业对此类齿轮的检验，过去一直采用金相法测量渗层深度。随着与国际标准的接轨，我国新制订的国家标准ZBT04001-88及QCn29018-91中明确规定应采用显微硬度法测量渗层的有效硬化层深度。勿用置疑有效硬化层深度更能代表齿轮渗碳(碳氮共渗)淬火处理后的综合机械性能，但国内大多数齿轮生产厂家由于老标准应用的时间较长，已形成了习惯，对新的标准还不完全适应；另有少数工厂不具备检测有效硬化层深度的条件。在生产过程中的炉前试块检验，用金相法测量渗层深度与有效硬化层深度有明显的差异，用有效硬化层测量深度对试样的要求高，且检验周期长，不适合炉前快速检验，那么我们是否可找出一种既简便、又与有效硬化层深度有对应关系的金相测量方法呢?针对此问题，我厂进行了大量对比实验，实验证明可采用测量50%铁素体处距表面的距离来确定有效硬化层深度。

1测量方法的制订

有效硬化层深度的定义是从零件表面到维氏硬度值为550HV处的垂直距离。从定义中我们知道，有效硬化层深度取决于渗层中的硬度分布，而硬度分布是与渗层中各处的含碳量密切相关的。我们从齿轮渗碳(碳氮共渗)热处理工艺特点考虑，在正常淬火的条件下渗层淬火组织应为马氏体，渗层中各处的硬度取决于原材料的淬透性和碳浓度分布。当材料一定时，对应于550HV处的含碳量也应该是一定的。

我厂渗碳(碳氮共渗)齿轮所用材料为20CrMo或20CrMnTi，经渗碳(碳氮共渗)之后，对应于550HV处的碳浓度约为0.35%～0.40%，从理论上讲，相对应的平衡组织中铁素体与珠光体的比例是一定的，铁素体大约占50%～56%，在金相检验中，50%铁素体比较容易区分，故我们试用金相法，测量50%～56%铁素体处至表面的距离定为有效硬化层深度。在渗碳(碳氮共渗)工艺控制中，出炉前的试块渗层深度略高于技术要求的下限，这样能确保成品的渗层深度，实践证明，这种方法是可行的。

2实际应用

在试行前，我们做了大量实验，选取渗层深度在0.5～1.2mm之间的各种不同类型的随炉试块或齿轮解剖试样，先采用显微硬度法测量有效硬化层深度。同一试块退火后，再用金相法测量渗层深度及50%铁素体处渗层深度，具体实验数据见表1:(单位：mm)。从表1我们可以看到，50%铁素体处渗层深度与有效硬化层深度具有对应关系。一般来说有效硬化层深度比50%铁素体处渗层深度深0.03～0.05mm，这一误差在工艺控制及检验中是允许的。而原金相法测得的渗层深度与有效硬化层深度差距较大，特别是对低碳势渗碳(碳氮共渗)齿轮，由于表层碳浓度在0.7%～0.8%，若按原金相法测量会出现无表面层或表面层小于总渗层

50%的现象，(因原标准中规定表面层=过共析层+共析层，要占总渗层的50%～75%，其含碳量≥0.8%)应判为不合格。而采用新标准后，由于表面硬度及有效硬化层深度都符合技术要求，并且硬化层分布相当平缓，金相组织中残余奥氏体量少，应判为合格品。采用金相法测量50%铁素体处的渗层深度也可得出同样检验结果，修正了按原标准检验中容易造成的对渗层要求的误判现象。同时由于该方法操作简便，试样制取等同于原标准的规定，广大检验人员容易适应，检验周期只要5～10分钟，适应了炉前工艺调整的需要，即使是随炉试样或成品解剖试块的检测，因它与显微硬度法的误差小，对那些不具备有效硬化层深度检测手段的工厂来讲也是一种行之有效的简便替代方法。

3结论

3.1有效硬化层深度在0.4～1.00mm时，与50%铁素体处渗层深度有对应关系，两者的误差≤0.05mm。

3.2此方法操作简便，分析周期短，适用于炉前检验，不具备用显微硬度法检测有效硬化层深度的工厂也可用于随炉试样或解剖齿轮实样的检验。

3.3采用此方法的前提条件是齿轮与试块的热处理条件必须一致，并且淬火试样渗层中不应出现非马氏体组织，在其余检验项目合格的基础上进行。如淬火冷却不当，那么此方法与有效硬化层深度无对应关系。

3.4渗碳(碳氮共渗)齿轮所用原材料改变时，对应于550HV硬度的含碳量也会有所改变，因此采用此方法时应注意原材料淬透性的影响。