2.4 滲碳質量控制
2.4.1 滲碳（碳氮共滲）設備
①滲碳（碳氮共滲）加熱設備有效加熱區內的溫度允許偏差不得超過表2.135中的規定范圍。
表2.135 滲碳和碳氮共滲加熱設備有效加熱區的溫度允許偏差
②氣體滲碳（碳氮共滲）爐有效加熱區檢驗合格后，還需進行滲層深度均勻性的檢驗。試樣安放位置可參照加熱爐有效加熱區保溫精度檢測熱電偶布點位置（表2.136和表2.137）。同爐處理各試樣的有效硬化層深度偏差應符合表2.138的規定。
表2.136 周期井式熱處理爐檢測點數量和位置
表2.137 周期箱式熱處理爐檢測點數量和位置
表2.138 滲碳和碳氮共滲爐有效加熱區內有效硬化層深度偏差值要求 單位：mm
③以燃氣、燃油、燃煤為熱源的固體滲碳爐，其火焰不能直接接觸滲碳箱。
④連續式加熱爐應滿足滲碳和碳氮共滲各階段的工藝要求。
2.4.2 滲碳過程的質量控制
（1）滲碳方法的選擇 滲碳方法很多，常用滲碳方法的特點見表2.139。目前生產廠家廣泛使用的是氣體滲碳，固體滲碳適用于少量生產，真空滲碳是滲碳工藝的發展方向。
表2.139 常用滲碳方法的特點
（2）工藝參數的選擇 見表2.140。滲碳工件的質量，首先，滲層的表面碳含量、滲層深度和碳的質量分數梯度三方面需要達到技術要求，滲層深度主要取決于滲碳溫度和時間，表面碳含量和碳的質量分數梯度與爐氣的碳勢高低及其控制精度有關；其次，滲碳后還需進行滲后熱處理，達到使用性能。
表2.140 滲碳工藝參數的選擇
（3）滲碳設備與滲碳劑的選擇 滲碳加熱設備應結構合理，設有使爐內氣氛均勻流動的裝置，滲碳加熱室應具良好的密封性，滲碳的原料供給系統應安全可靠。滲碳溫度偏差允許在±15℃以內，應選擇Ⅳ類以上爐子，其控溫精度、儀表精度和記錄紙刻度等要符合Ⅳ類以上爐子的技術要求，并具爐氣碳勢控制功能。加熱爐分類及技術要求見表2.141。
表2.141 加熱爐分類及技術要求
①允許用修改量程的方法提高分辨力。
滲碳劑在滲碳過程中產生活性碳原子，并滲入工件表面，故要求滲碳劑純度要高、成分波動小，對滲碳劑要有明確技術要求的專門標準，對工件不會產生有害影響。主要滲碳劑技術標準見表2.142。氣體滲碳劑主要有天然氣和液化石油氣等，要求其丙烷或丁烷純度在90%（質量分數）以上，所以應采用高純度滲劑氣源。
表2.142 主要滲碳劑技術標準
注：滲碳劑應有生產廠家質量保證單或合格證。不合格產品禁止使用。
①熱處理設備質量控制。熱處理設備應能滿足零件滲碳熱處理所需工作溫度和保溫精度、碳勢控制精度、有效加熱區的規格尺寸和測溫控溫系統；熱處理爐有效加熱區應定期檢測，檢測周期見表2.143，其保溫精度應符合表2.141相應爐型的保溫精度要求。應在設備明顯位置懸掛帶有有效加熱區示意圖的檢驗合格證，加熱爐只能在有效加熱區檢驗合格規定的有效期內使用。熱處理爐有效加熱區按GB/T 9452的規定測試。
表2.143 加熱爐有效加熱區檢測周期及儀表檢定周期
熱處理爐溫度測量系統在正常使用狀態下應定期做系統校驗。校驗時，檢測熱電偶與記錄儀表熱電偶的熱端距離應靠近，校驗應在加熱爐處于熱穩定狀態下進行。系統校驗允許溫度偏差應符合表2.144規定。
表2.144 系統校驗允許溫度偏差
當超過允許溫度偏差時，應查明原因排除或進行修正后方可使用，非專業儀表人員不得隨意調整，校驗結果應制成如表2.145所示的爐溫儀表校驗卡，懸掛在設備上，供操作者參考。
表2.145 爐溫儀表校驗卡
②工藝材料控制。熱處理工藝材料應按技術要求建立定期檢驗制度，確保熱處理質量穩定，檢驗結果應記錄在檔案中。
③操作與記錄。操作者應嚴格執行“熱處理工藝卡”和“熱處理作業指導書”的規定要求，并認真做好記錄。熱處理記錄必須保持完整、清晰、真實。
2.4.3 滲碳操作的質量控制
熱處理設備操作人員應經專門培訓并持有操作證，熟悉設備的結構、性能、精度和效率等特點，嚴格按設備操作規程進行操作，達到準確控制工藝參數的目的。滲碳操作過程中應注意表2.146中的內容。
表2.146 滲碳操作過程中應注意的五個方面
2.4.4 滲碳檢驗的質量控制
2.4.4.1 滲碳檢驗質量控制的作用
滲碳檢驗質量控制的作用在于保證產品符合技術要求，不合格產品不能轉入下道工序，記錄、分析和評價所得檢驗數據，為質量控制提供依據。
2.4.4.2 檢驗設備的質量控制
檢驗設備必須符合相應的標準規定，并定期經技術監督部門檢定，保證其檢測精度和測量數據的可靠性，檢定結果應記錄在檔案中。
2.4.4.3 檢驗規程
滲碳質量檢驗（包括硬度、金相、硬化層深度等）均必須編制相應的書面檢驗規程或檢驗工藝卡，檢驗文件應符合相應的標準和技術要求。
2.4.4.4 隨爐試樣檢驗
隨爐試樣檢驗的項目名稱、具體內容見表2.147。
表2.147 隨爐試樣檢驗的項目名稱、具體內容
表2.148 不同有效硬化層深度的硬度范圍及計量類型
表2.149 滲碳齒輪有效硬化層深度推薦值 單位：mm
2.4.4.5 齒輪滲碳及熱處理質量檢驗
齒輪滲碳及熱處理質量檢驗的項目名稱和具體內容見表2.150。
表2.150 齒輪滲碳及熱處理質量檢驗的項目名稱、具體內容
表2.151 滲碳有效硬化層深度允許偏差
2.4.5 滲碳件常見缺陷及其控制
滲碳件在滲碳及熱處理過程中如果控制不當，往往會出現各類缺陷，缺陷的形成原因及其控制措施見表2.152。
表2.152 滲碳件熱處理常見缺陷分析及控制措施
圖2.77 常用滲碳鋼合金元素的氧化趨勢
爐子中平均成分（質量分數）：40% H2，20% CO，1.5% CH4，0.5% CO2，0.28% H2O， 37.72% N2。
2.4.6?。蹖嵗?.6］球磨機滲碳淬火齒輪軸斷裂的失效分析及對策
球磨機破碎比大，可對各種礦石和其他可磨性物料進行干式或濕式粉磨，適應性強，易于實現自動化控制。因此，在選礦、建材、化工、冶金、材料等行業中，球磨機都是最普遍、最通用的粉磨設備。隨著企業生產規模的不斷擴大和礦石品位的下降，使得球磨機的生產能力越來越大，并使球磨機越來越大型化。
（1）工件名稱與使用材料 工件為齒輪軸（其外形結構見圖2.78），它是球磨機傳動裝置上的關鍵部件，隨著球磨機向大型化發展，齒輪軸的使用材料及加工工藝也有所改變，采用的是滲碳鋼（滲碳淬火）代替調質鋼（調質+局部表面淬火）。
圖2.78 齒輪軸外形實物照片
所使用材料為20CrNi2Mo鋼，規格為?579mm×3000mm、齒輪模數25、齒數21、左旋7.5°。
（2）熱處理技術條件 齒部滲碳層深度2.5～3.0mm，齒面硬度57～61HRC。
（3）加工工藝流程 坯料→鍛造→粗車→無損檢測→調質（650℃回火）→精車→磨前銑齒→齒部滲碳淬火+回火→磨齒。
（4）現場觀察與分析 在用戶現場使用過程中，齒輪軸斷裂時未發現明顯異常，只是在運行中電動機仍在工作，但齒輪軸已不隨著旋轉。該齒輪軸使用壽命大概在12個月左右。齒輪軸的結構見圖2.78，齒輪軸斷裂宏觀形貌見圖2.79。
圖2.79 齒輪軸斷裂宏觀形貌
造成齒輪軸斷裂的原因很多，設計、工藝、加工精度、鍛造、熱處理、安裝精度、維護保養等各個環節均可能造成該齒輪軸斷裂。由于該斷裂齒輪軸為備件，在更換該斷軸前的另一根齒輪軸因到使用壽命而失效，說明設計、工藝、加工、安裝、維護保養等環節不存在問題。為查找該齒輪軸斷裂的主要原因，對其進行了化學成分分析、金相組織觀察、斷口觀察和力學性能測試等。
（5）理化檢驗與分析 齒輪軸在齒部斷裂，在斷口分離前，裂痕呈直線狀沿周向分布，見圖2.79（a）。裂痕及附近區域無宏觀塑性變形顯示脆性斷裂特征。斷裂齒軸為徑向通透型斷裂，見圖2.79（b）。
對球磨機斷裂齒輪軸進行檢測，對斷軸進行切割取樣，取樣情況見圖2.80、圖2.81。
圖2.80 取樣情況
圖2.81 取樣情況對比
①斷口宏觀檢測。對應面斷口宏觀形貌見圖2.82～圖2.84。斷口平齊，斷面可見明顯放射狀花樣。放射狀花樣的收斂區在偏離圓心的圓形相對平坦區域及略帶凹凸位置，該區域距齒頂約250mm，為斷裂源區，如圖2.82中箭頭所示。對應面一側斷口因鉆取化學成分分析樣品，斷裂源區已被破壞（見圖2.83箭頭），另一側除斷口表面油污較嚴重外，斷面基本無損傷。在斷裂源區取樣并清洗后（見圖2.84），肉眼可見斷裂源區沿枝晶開裂特征（枝晶間存在明顯臺階）及15mm×10mm和10mm×2mm夾雜物缺陷。
圖2.82 齒輪軸斷口
圖2.83 對應面一側齒輪軸斷口
圖2.84 齒輪軸局部斷口（斷裂源區）
②斷口微觀檢測。用掃描電鏡觀察了斷裂源區及附近斷口微觀形貌（見圖2.85、圖2.86），斷口顯示解理及準解理斷裂特征。對斷裂源區缺陷（見圖2.86）進行了能譜定性及半定量檢測，結果表明缺陷部位含有O、Ca、Si、C、Al、Fe、Mg、Na、K等元素，為夾渣缺陷。
圖2.85 斷口二次電子像
圖2.86 斷口缺陷二次電子像
③低倍金相組織檢測。在斷口附近截取了齒軸徑向（距斷口軸向距離約20mm）及軸向樣品，進行了低倍金相組織檢測，結果見圖2.87～圖2.89，圖2.88、圖2.89試樣上表面為斷口。依據GB/T 1979—2001標準，低倍組織評定為一般疏松0.5級，無其他低倍組織缺陷，存在較嚴重枝晶組織，斷裂源區枝晶組織尤為嚴重，滲碳淬火層及調質處理層清晰可見，調質層距齒頂深度約為110mm。
圖2.87 低倍組織
圖2.88 低倍組織（軸向）
圖2.89 斷裂源區低倍組織
④金相檢測。圖2.90為齒輪軸非金屬夾雜物檢測結果，參照GB/T 10561—2005標準評定為：A類粗系l級，B類粗系l級，C類0級，D類細系2級。圖2.91為齒根部滲碳淬硬層組織，組織為M回火，M級別為5級。圖2.92為調質層，調質組織為S回火+F，存在枝晶組織。圖2.93為調質層附近組織，組織為P+F，存在較嚴重枝晶組織。圖2.94為斷裂源區組織，組織為F+P，存在嚴重枝晶組織，晶粒度≥8級。
圖2.90 非金屬夾雜物，100×
圖2.91 齒根部滲碳淬硬層組織
圖2.92 距齒根表層30mm組織（調質層）
圖2.93 距齒根表層150mm組織（調質層附近組織）
圖2.94 斷裂源區組織
⑤化學成分檢測?；瘜W成分分析結果見表2.153，參照GB/T 3203—2016標準《滲碳軸承鋼》，對化學成分的檢測值和標準值進行了對比，齒輪軸檢測結果基本符合標準規定。
表2.153 化學成分檢測結果（質量分數） 單位：%
⑥力學性能檢測。在軸心斷裂源區附近沿徑向截取了力學性能試樣，檢測結果見表2.154，參照標準中引用的GB/T 3203—2016材料牌號（G20CrNi2Mo），強度測量值偏低，這與取樣位置有關（標準值為縱向取樣，且是經淬火+200℃回火后的值）。滲碳淬硬層硬度梯度檢測結果見表2.155，滲碳淬硬層深度約3.0mm。距齒根表面調質層硬度梯度檢測結果見表2.156。
表2.154 力學性能檢測結果與參考值對照表
表2.155 滲碳淬硬層硬度梯度檢測結果
表2.156 距齒根表面調質層硬度梯度檢測結果
（6）檢測結果分析與結論
①參照GB/T 3203—2016《滲碳軸承鋼》標準評定，齒輪軸化學成分基本符合標準相關規定。
②在齒輪軸心部斷裂源區附近截取了徑向試樣（拉伸及沖擊），檢測結果顯示，沖擊值滿足技術條件規定，說明材料具有較好的韌性。強度偏低有兩方面原因：ⅰ.標準試樣為直徑25mm的檢測值，而該齒輪軸直徑為579mm；ⅱ.應與橫向取樣及取樣時更靠近軸心有關（JB/T 5000.8—2007標準規定的取樣位置為距表面1/3半徑處）。齒輪軸的齒部滲碳淬火層深度及硬度略低于標準要求。
③由齒輪軸表面至心部金相組織檢測結果顯示，基體組織無異常，齒輪軸枝晶組織較嚴重，特別是斷裂源附近更為嚴重，說明在鍛造過程中枝晶組織未得到有效的改善，在允許的情況下可適當增大鍛造比。枝晶組織嚴重時會不同程度地降低材料的力學性能。
④齒輪軸顯示瞬時（一次性）脆性斷裂特征，斷裂源區在齒輪軸心部偏離軸心區域。該處存在肉眼可見夾雜物缺陷，且枝晶組織嚴重，說明該部位是齒輪軸的薄弱區域，易引發應力集中導致的開裂。
⑤齒輪軸在設備運行過程中斷裂，且使用時間約12個月。根據齒輪軸為突發一次性斷裂的特點分析，其斷裂時應存在兩種情況：ⅰ.斷裂源區承受較大應力作用，該應力可排除齒輪軸制造過程中所能殘留的組織應力、熱應力等應力作用，也可排除使用過程所形成的熱應力及齒輪軸旋轉所形成的扭轉應力作用。由于齒輪軸運行現場無法提供有效的監控記錄及相關數據，因此無法更精準地判斷軸心應力的來源。ⅱ.斷裂源區相對薄弱。
通過上述分析得出以下結論：齒輪軸心部存在夾雜物及枝晶缺陷，在設備運行過程中，當軸心承受較大應力作用時，在薄弱部位引發了瞬時脆性斷裂。
（7）改進措施 引起齒輪軸斷裂的原因很多，僅從熱加工方面著手，通過提高鍛件質量、增加鍛后正火熱處理工序、增加滲碳前預備熱處理（粗銑齒后調質熱處理）工序，以及調整最終熱處理滲碳淬火工藝參數等手段，提高熱加工工藝效果，從而保證產品質量。