凯发国际 基于表面強化處理的工件硬化層的檢測與評定

表面強化工藝在關鍵零件生產中的應用

現今，感應淬火、滲碳淬火、碳氮共滲和滲氮等熱處理工藝，以及噴丸、滾壓等機械強化處理，均已成為制造業中眾多重要零件表面強化的成熟工藝，它能使生產出的零件具備高硬度的表面以及與之匹配的強韌性的芯部，有效提高零件的承載能力和使用壽命。在汽車工業中，很多重要的機加工件的工藝流程中都有表面強化處理的工序，變速器中的齒輪類零件和發動機中的曲軸、凸輪軸等軸類零件就是其中的典型代表。以變速器齒輪為例，由于長時間處于高速、高載荷和交變負荷工況下，除了產生正常的磨損外，在潤滑油品質、潤滑條件、齒輪裝配嚙合位置偏離以及駕駛者偶然操作不當時也會造成損傷，出現齒面磨損、齒面膠合和齒面點蝕，乃至嚴重的齒輪斷齒等失效形式。

1.滲碳淬火工藝及其應用概況

滲碳淬火是通過將處于滲碳介質中的工件加熱到單相奧氏體溫度區950℃附近，保溫一段時間后，使活性碳原子滲入鋼表層，從而獲得表層高碳、高硬層，使工作表面獲得很高的硬度和耐磨性。事實上，動力機械中的那些關鍵零部件所必須具有的適應高負荷、良好的耐沖擊性能和抵抗接觸狀態下的彎曲疲勞能力，以及由高表面硬度而擁有良好的耐磨性等特點，利用滲碳淬火都能實現。

2.滲碳淬火工藝在變速器一檔從動齒輪輸入軸生產中的應用

一檔從動齒輪是變速器中很重要的一種零件，在某外資汽車主機廠的一款轎車變速器產品中，齒輪采用的材料為27MnCr5JV，所執行的熱處理工藝為碳氮共滲淬火。在運行上述熱處理工藝時以N2、甲醇為基礎可控氣氛，再以丙烷作為富化氣，同時加入少量氨氣提供N原子。而根據爐內的溫度設置以及零件在爐內的保溫時間，就可能獲得不同深度的硬化層和相應的硬度值。此外，往往還會安排一道后續“清理拋丸”工序，包括：零件經過“碳氮共滲+淬火”處理后，根據產品對最終零件表面的殘余應力要求，分別采用強化拋丸、噴丸等處理方式，使零件表面一定深度(通常為30um)處殘余壓應力能達到一定的要求值，從而通過附加少量的拋丸殘余應力，提升零件表面的疲勞性能。

判斷滲碳淬火變速器齒輪表面強化質量的依據和方法

1.相關標準及其重要性

為了適應批量生產方式，汽車工業就必須以標準的形式，確立規范的技術指標和檢測方法，從而在統一的基礎上，對那些重要零件表面，在經過滲碳淬火、碳氮共滲等熱處理工藝進行強化處理后的狀態和質量，做出較為客觀和一致的評價。現今，企業遵循的標準大致分為兩類：覆蓋經過表面硬化處理的所有零件的通用標準;針對某些具體的零件，如變速器齒輪等而制訂的專業標準。

事實上，國際標準化組織于2002年推出的ISO 2639-2002《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定和校核》，正是參照BS 6479:1984而制訂出來的。我國于2005年發布的國標GB/T 9450-2005則是對ISO 2639-2002稍做修改、等效采后形成的。相比之下，后者中的那些指向性、針對性很強的專業標準，基本上都是由歐美的大型汽車集團所制訂，且推出時間較前者晚不少。像大眾汽車的VW50019就是一個面向經表面硬化處理后的變速器中傳動件有關特性的標準，自1999年6月頒布1.0版后，最新版為2011年6月推出的第5版。

國內大多數外資汽車主機或總成廠，都是執行其母公司的相應規定，并要求其配套件供貨商也必須遵照這些標準。而大部分國企和民企中的主機廠、總成廠，則往往都是選用國標GB/T 9450-2005作為變速器生產及監控產品質量的重要依據。至于國內還有相當數量的專業齒輪廠，對于他們生產的產品需要達到的技術指標和驗收方法，則完全取決于它們所配套的主機廠或總成廠所提出的要求。

2.通用標準內容的具體化及示例

事實上，國標GB/T 9450-2005(即ISO 2639-2002)所處理和解決的問題乃是較為單一的，即明確了鋼制零件經滲碳淬火及碳氮共滲后硬化層深度的定義，并規定了檢測和表達結果的方法。顯然，從一個企業對于產品中的關鍵零件進行有效監控的角度看，這是不夠的。故不少工廠已明確地以“技術要求”的形式增添了相關項，并事實上在整個行業中取得了共識。

表1 改進后的工藝狀態下對輸入軸硬化層的測試結果

由表1可見，企業為確保所產重要零件經表面強化處理后的質量能滿足產品的技術要求，根據其產品特點在標準GB/T 9450-2005的基礎上做了完善、修改。其中，新增的表面硬度和硬化層、芯部金相組織是關鍵質量指標，但在評價芯部硬度時未按做硬度梯度曲線，而是采用簡單的中部區域重復檢測。

典型案例的深入解讀及其啟示

1.完整、詳盡的檢測和分析對改進產品和工藝的推動作用

客觀地說，自21世紀初以來，國內汽車主機廠、總成廠中的國企和民企，在全力開發新產品以爭取更大的市場份額、滿足消費者的需求外，在不斷改善工藝和產品質量方面也做了大量的工作。而通過對變速器中的齒輪等執行優化的滲碳淬火和完善的監控措施，以提高變速器的運行可靠性就是一例。這些企業在嚴格遵循GB/T 9450-2005和其他如GB/T 4340.1“金屬維氏硬度試驗”和JB/T 9204-2008“鋼件感應淬火金相試驗”等相應標準的同時，都能結合自身產品的特點，進而再擬定出更完整的檢測目標。例如，國內一家頗具規模的汽車主機廠通過這方面工作的不斷完美，對推動產品和工藝的改進起到了積極的促進作用。案例的對象是一款新能源混合動力轎車所配變速器中(經滲碳淬火)的行星齒輪，其材料為20CrMnTiH，所檢測的內容、結果和結論參見表2所示。

具體地說，硬化層深度的檢測方法如圖3所示，從齒輪0表面開始，垂直于0表面每隔50um測出一個維氏顯微硬度(載荷HV0.5N)，至維氏顯微硬度值為某一定值時，該位置距0表面的距離即為硬化層深度。這個定義與GB/T 9450-2005的表述是一致的，只是通用標準中邊界值規定值為450HV，而打點間隔也就是相鄰二硬度值間的距離應不大于100um.，載荷范圍控制在HV0.1～1N之間。本次試驗的結論如下：表面硬化層深度低于標準，這一指標為不合格。但鑒于該齒輪的尺寸和齒形較小，故建議在技術條件不影響耐磨的情況下降低有效硬化層深度，以防崩齒。至于滲碳崩齒原因，必須排除氫脆沿晶斷裂，但無相關設備驗證時可以考慮在工藝中增加噴丸處理，以提高齒根部強度。

而事實上，該企業所生產的常規燃油汽車，在產量中仍占極大部分，其變速器齒輪的制造工藝中已考慮了一道后續的噴丸處理。上述混合動力轎車因為是一款新產品，暫時還未添上這道工序。

2.監控內容從提升齒輪抗失效和穩定評定結果出發

如前所述，與國標GB/T 9450-2005這樣的通用標準相平行的、那些由歐美的一些大企業集團推出的專業標準，在國內的應用也相當普遍，影響很大。與前者相比，專業標準由于針對性更強，故內容的表述就更詳細和具體，這既給企業帶來了方便，也對實際操作人員提出了更高的要求，當然，與此同時也提升了評定的價值。

圖4  典型齒輪關鍵受檢部位示意圖

眾所周知，變速器齒輪的失效模式主要有齒面磨損(齒面膠合、齒面點蝕性質上也屬此范圍)和齒輪斷齒兩類，后者主要發生在齒根，據此來確定齒輪硬化層檢測的位置。

在專業標準中，明確規定了進行齒輪硬化層檢測的位置為齒側和齒根，并作了定義(見圖4)。其中，齒輪單齒高度為H，齒側為齒面上距離齒頂H/2位置;

從齒頂中心區域畫垂線，與齒兩端齒根圓切線的交點，被定義為齒輪芯部齒頂中心點與齒根畫切線，至于硬化切點定義為齒根。此外，標準還對齒輪硬化層區域的金相組織提出了明確要求，與前文中的情況相似，也包括表面和芯部，前者為M或M+A，而后者則為M或M+B。需指出的是，該標準甚至具體到對試驗儀器、試驗準備、操作方法和結果的表達，均有十分詳細的明確和說明。例如，在談到試驗準備時，對于制作試樣的要求就連采用何種粘合劑的砂輪切割、應用哪一種磨粒(包括材質和粒度等)進行多長時間的拋光，都描述得很清楚。顯然，如此一來，企業及其專業部門只要能嚴格地“照章辦事”，測試的結果就不會存在太大的差別，有很強的可比性。

殘余應力分析---驗證噴丸表面強化效果的最佳方法

噴丸處理是指利用高速噴射出的砂丸或鐵丸，對工件表面進行撞擊，使之產生形變硬化層和殘余壓應力，以提高零件的某些力學性能和改變表面狀態的工藝方法。通過增加零件表面對塑性變形和斷裂的抵抗能力的噴丸工藝，因為能顯著地提升變速器齒輪類零件的疲勞強度和使用壽命，故乃是一種十分有效的方法(見圖5)。而為了確保工件表面一定深度處的殘余壓應力能達到要求的數值，就必須采取殘余應力分析方法。

對于實施后續的噴丸工藝后，如何通過殘余應力分析方法來評價被進一步強化的表面狀態是否符合要求，國內一家外資主機廠的明確要求是，變速器主動齒輪在齒根處的壓應力在800MPa以上，從動齒輪400MPa以上。當然，多數專業標準會要求以更形象的方式，即殘余應力沿深度方向的變化曲線(見圖6)，同時輔以對應的以表格形式呈現的應力檢測報告(參見表3)。事實上，圖6正是按照來源于本文前面曾經提到過的那家知名的外資汽車主機廠的母公司推出的標準，所做的一次實際測試。相比之下，以對產品質量嚴格而著稱的德國大眾汽車在這方面就更完善，除了上述曾提到過的那個面向變速器傳動件的有關特性的標準VW50019外，還有一個專門表述殘余內應力測量的標準PV1005-2005，具體介紹了包括取樣、測試在內的各個步驟。事實上，如今國內所有大眾集團中生產變速器產品的主機廠和總成廠，無論是獨資還是合資，均已被要求在工廠的實驗室中配置殘余內應力

測試設備，除了在新產品開發和產品認可，以及在進行零部件失效分析時發揮作用外，更多的還是用于批量生產中的質量監控。例如，在一個專業的變速器總成制造廠，抽檢就是根據噴丸工序而定的，一般是每個班次抽取1件送實驗室。表3即是一個示例，對象是變速器中的輸入軸。

但調研也表明，雖然從保證產品質量角度，當前多數的國企和民企在所實施的諸如變速器齒輪的生產工藝流程中，也安排了噴丸強化處理這道后續工序。但囿于自身實驗室條件的限制，除上汽變速器等不多的企業外，均尚未配備殘余應力測試手段，只是在需要時才會藉助公共資源再去進行。但從發展的趨勢來看，盡管為此投入不菲，但這畢竟是一條“必由之路”。

結語

滲碳淬火和碳氮共滲雖是成熟的表面強化工藝，但為了能夠規范地確認，經滲碳淬火后零件表面的強化質量能否真正滿足零件的使用要求，還是必須以某個由廠方所規定的標準作為檢測和評價的依據，然后嚴格地執行。只是在具體操作中，對于按照國標行事的國企、民企來說，還需要按自身產品的情況增添些測試內容，從而形成最終能夠被實際使用的產品所驗證了的、且行之有效的監控措施。