摘  要 

大连齿轮加工类零件渗碳后经热处理、机械加工、腐蚀后，发现在齿轮齿面有渗碳白色斑点出现。针对不同的白色斑点现象，对其进行分析研究，最终消除渗碳白色斑点。

1. 引言

    渗碳是将低碳钢工件放在增碳的活性介质中加热保温（一般在880～950℃），使活性碳原子渗入钢件表面获得较高的碳浓度，并不断向内部扩散而形成一定的渗层厚度，通过淬火加低温回火，获得表面具有高硬度耐磨的性能，而心部又具有韧而强的性能，可以适应承受复杂应力所提出的要求。

    白色斑点是零件经渗碳、机械加工、腐蚀后出现在渗碳表面出现的白色区域。

2. 渗碳齿轮的工艺流程

3. 技术难点

齿轮在整个生产流程中，存在以下几个方面的技术难点：

3.1 渗碳环节

渗碳前清洗方式为航空汽油手动清洗，清洗完入炉时拿取、周转易引起二次污染；普通井式渗碳炉上下区气氛流动存在差异，导致零件表面渗碳层不够均匀；

3.2 热处理（淬、回火）环节

a.  在空气炉采用延迟淬火，没有合理、得当的保护措施，易引起零件表面高温氧化脱碳；

b.  没有合理的淬、回火专用夹具，导致零件变形的现象时有发生。

3.3  磨削环节

a.采用数控磨齿时，设定齿形两侧磨量相同，而由于渗碳层表面不均匀，齿形误差、齿向误差、周节累计误差、齿圈径向跳动等因素的影响，导致零件磨削完后齿面局部区域去余量太小，齿面碳层不均匀或未磨掉脱碳层，在硝酸腐蚀检验时，表面出现颜色差异，即所谓的“白斑”缺陷；

b. 采用数控磨齿时，由于高速旋转的砂轮（线速度25m/s）与齿面摩擦而生热，特别是局部点磨削量足够大时，冷却不充分或者不及时，局部温度急剧升高，表面易形成磨削烧伤或磨削再硬化。

4. 试验过程

针对白色斑点的出现，做了大量的试验，以对产生白色斑点的原因进行分析，我们从以下几个方面进行了试验。

针对齿轮的生产流程，我们对每个关键工序进行大量的试验，用“排除法”逐一分析其可能产生的原因。

4.1 改变渗碳剂进行试验

同一批零件分成两部分，分别在北重渗碳炉和ECM真空渗碳炉中进行渗碳

a. ECM真空渗碳前，装炉时逐一记录每个零件在工装的具体位置， ECM真空渗碳炉渗剂用丙烷，而后按齿轮的正常工序进行，发现连续白斑并没有消除，而且和具体位置无关，说明白斑与渗碳剂的关系不大。

b. 普通渗碳炉渗碳时，装炉时同样逐一记录每个零件在工装的具体位置，渗剂用煤油＋甲醇，而后按齿轮的正常工序进行，发现连续白斑并没有消除，说明白斑与渗碳剂的关系不大，但是上、下坩埚零件渗碳层存在差异，与渗碳气氛不均匀有关。

4.3 改变渗碳前清洗方式的试验

同一批零件分成两部分，渗碳前分别用航空汽油和超声波进行清洗，其余按正常工序进行，腐蚀后发现，在超声波清洗的零件再无“单一白斑”缺陷产生，汽油清洗零件腐蚀后表面偶尔还有“单一白斑”出现。

5. 白色斑点讨论分析

    对出现的不同种类缺陷（单一白斑、连续白斑）进行了理化分析，用硬度法检测同一齿牙两侧的渗碳深度，检测白斑处、正常区金相组织及显微硬度，结论为：“单个白斑”系渗碳软点类缺陷；

“连续白斑”系表面“微量”脱碳，或渗碳层不均匀，磨削、腐蚀后表面存在颜色差异，或磨削烧伤。

    单一白斑：白色斑点分布于齿面、齿顶和齿底，呈近圆形或椭圆形的浅灰色或白色斑痕，边界不够清晰，；

    连续白斑：在一个方向的齿面上有连续齿呈2～3mm宽的灰白亮带，边界较清晰，；        

5.1 白色斑点的冶金分析

金相分析：解剖白色斑点显示的两件渗碳齿轮，在白色斑点处沿横截面取金相试片，显微观察，心部组织为回火低碳马氏体，正常表面渗层组织为高碳马氏体+碳化物，渗层过渡区组织为回火高碳马氏体＋二次渗碳体。渗层深度约为1mm，。白色斑点表面组织为回火高碳马氏体＋回火马氏体+少量铁素体，属于渗层过渡区组织，深度约为0.3mm，，显微硬度分析:对金相试片的心部、渗碳层及白色斑点的显微硬度进行分析，心部的显微硬度为450HV，渗碳层的显微硬度为680HV，渗碳层过渡区的显微硬度为530HV，白色斑点的显微硬度为525HV，结果可知，白色斑点处显微硬度与渗碳层过渡区接近。

5.2  造成白色斑点的原因分析

5.2.1综合金相分析及显微硬度结果可知，白色斑点处仍有较浅的渗层，因此可排除脱碳和渗碳软点，第一类白色斑点显示应属于渗层深度浅。造成渗层深度浅的原因可能是零件在渗碳前没有清洗干净， 

表面附着油污或污物，阻碍了渗碳的进行。另一种可能是在渗碳时，零件装炉量较多，摆放较密集，齿与齿之间的空隙太小造成两齿间的气氛流动性差，气氛不均匀，造成渗层较浅。

5.2.2第二类白色斑点的出现可能是零件在进行磨削加工时装卡位置不正，砂轮粒度的大小和磨削时进刀量的多少都可能造成齿轮加工量不均匀，一边加工的多，一边加工的少，使渗碳层减少，腐蚀后白色斑点呈单面沿齿面连续分布。或者说磨削时，砂轮与工件表面温度高，没有及时冷却，造成磨削烧伤或过热，导致腐蚀后表面出现白色或浅灰色区域。

6. 解决途径

针对齿轮的加工流程，根据冶金部门对缺陷的理化分析，我们主要从以下几个方面进行了改进：

a.改进渗碳前零件的清洗方式，消除“单个白斑”的出现；

b.改进渗碳方式，解决渗碳层表面不均匀的问题；

c.改进淬火方式，解决零件表面氧化脱碳及热处理变形等问题；

6.1. 渗碳前清洗方式的改进

零件在机加工时，防锈油、冷却液常附着其表面，按照工艺规程要求，渗碳前须用航空汽油清洗零件油污，保证表面洁净、干燥，由于汽油本身去污能力有限，齿面、齿根部油污、很难被清洗彻底，目视不易被发现，导致最终硝酸腐蚀后表面出现“单个白斑”缺陷，经冶金分析为： 由于渗碳时齿轮表面污染而导致该处出现渗碳“软点”。

针对此现象，渗碳前改用超声波清洗线清洗零件，超声波清洗具有清洗均匀，去污力强，尤其是对内腔、齿底目视不易发现的脏污清洗彻底，清洗线具有喷淋、漂洗、烘干的功能，能彻底净化零件表面，为零件渗碳作好准备，确保渗碳质量。

6.2  渗碳方式的改进

针对渗碳层不均匀的问题，我们通过更换渗碳设备，采用真空渗碳的工艺。真空渗碳除具有一般真空热处理的光亮、无脱碳、脱脂、脱气、变形小等优点外，更重要的是因为真空渗碳气氛中不含氧化性气体，可以避免渗碳表面合金元素产生晶间氧化，从而进一步提高渗碳零件的耐磨性能和疲劳性能，延长使用寿命。此外，真空加热具有活化零件表面及净化的作用，可使渗碳处理速度加快、时间缩短、效率提高，大幅度降低了生产成本。

6.3  淬火方式的改进

对出现的“连续白斑”缺陷进行冶金分析，结论为表面微量脱碳，故采用真空油淬的方式对其进行渗碳后热处理。真空淬火过程中，零件一直处在真空状态下，不存在氧气氛，因而不会产生氧化脱碳、表面非马氏体组织、表面黑色组织等，同时零件不会产生表面合金元素贫化及其带来的表面淬透性降低等问题，零件表面硬度、表面残余应力水平将明显提高，因而可以明显降低零件的表面早期失效，提高零件的使用寿命。

7. 结论

从而找到了在今后生产中减少或避免白色斑点再发生的办法：

a. 加强零件渗碳前的超声波清洗，清洗完避免二次污染；

b. 选择渗碳气氛较均匀的设备进行生产；

c. 防止零件在热处理过程中的氧化脱碳及热处理变形；