文/張軍改·河北東安精工股份有限公司

在實際生產(chǎn)中，鍛件廠家和其客戶之間經(jīng)常發(fā)生因無法判定供需雙方責(zé)任，而產(chǎn)生各種質(zhì)量糾紛的事件，鍛件廠家認(rèn)為自己供貨各項指標(biāo)均合格，而其客戶在后續(xù)加工中出現(xiàn)某些質(zhì)量問題卻找不到原因。我公司也曾發(fā)生過類似的事件，圖1是我公司為某客戶生產(chǎn)的汽車變速箱齒輪軸毛坯，材質(zhì)為20CrMnTiH，客戶后續(xù)淬火時硬度達不到規(guī)范要求，遂對毛坯進行端淬試驗，其檢驗結(jié)果低于規(guī)范要求，則認(rèn)為這是導(dǎo)致淬火硬度不足的原因，要求退貨。接到客戶反饋后，我們對此展開了調(diào)查，最終找到了問題的真正原因。

圖1 輸出軸毛坯

鍛件淬火硬度的影響因素

原材料

(1)材質(zhì)影響。在實際生產(chǎn)中，因管理不善造成原材料混料，本應(yīng)是合金鋼的，因混料錯用成碳鋼或其他鋼號的鋼材，致使淬火硬度不合格。還有可能在設(shè)計時，因選擇鋼材不當(dāng)，使淬火硬度不能滿足預(yù)期要求。

(2)顯微組織的影響。原材料的顯微組織不均勻也會造成局部硬度不足或出現(xiàn)軟點。

(3)材料末端淬透性的影響。原材料末端淬透性越高，淬火硬度就越容易提高。

淬火工藝

(1)加熱溫度和保溫時間的影響。對于亞共析鋼來說，加熱溫度低（在Ac1與Ac3之間）、保溫時間不足，鋼不能完全奧氏體化，鐵素體不能完全融入奧氏體，淬火后，得到的組織為鐵素體和馬氏體，而非均勻一致的馬氏體，使硬度低于純馬氏體組織。這種現(xiàn)象多發(fā)于溫控裝置失靈、儀表指示出現(xiàn)偏差或爐溫不均勻的情況。

(2)淬火介質(zhì)對于冷卻速度的影響。冷卻介質(zhì)選擇不當(dāng)，將影響冷卻速度，從而影響淬火硬度。冷卻能力差的介質(zhì)，冷卻速度慢，奧氏體在冷卻過程中轉(zhuǎn)化為珠光體類組織，得不到馬氏體，使工件硬度降低。一般水比油冷卻能力強，油比氣冷卻能力強。

(3)淬火介質(zhì)溫度對于冷卻速度的影響。冷卻介質(zhì)溫度越高，冷卻速度越慢，冷卻能力越差，工件硬度越低。

(4)裝爐量及裝爐方式的影響。裝爐量越大，需要的加熱和冷卻時間越長，在加熱溫度、保溫時間和冷卻時間相同時，裝爐量越大，硬度越低。裝爐方式對加熱和冷卻能力也有較大影響，工件與工件之間間隙越大，越容易透熱和冷卻，同樣條件下，硬度會越高；工件與工件之間越密集，越不容易熱透和冷透，硬度就越低。

試驗方法

(1)原材料端淬方法的影響。如果未按國家標(biāo)準(zhǔn)進行末端淬透性試驗，或者供需雙方端淬試驗方法不同，將會影響端淬結(jié)果，甚至?xí)蚪Y(jié)果誤差過大，不能給淬火提供正確的參數(shù)指導(dǎo)，導(dǎo)致后續(xù)淬火工藝調(diào)整錯誤，影響淬火硬度。

(2)淬火后硬度檢驗方法的影響。不同的試驗方法，對試樣的要求不同，例如：試塊鑲嵌法適用于維氏硬度，而不適用于洛氏硬度。如果洛氏硬度使用了鑲嵌試塊，則對結(jié)果影響較大，出現(xiàn)誤判。另外，直接讀數(shù)和通過硬度轉(zhuǎn)化得出的結(jié)果也有較大的差異。

問題排查

原材料

(1)原材料材質(zhì)。我公司使用的是客戶指定材料，不存在材料選擇錯誤。又經(jīng)過對我公司和鋼材供應(yīng)廠家的追溯，認(rèn)為沒有混料的可能，因此，排除用錯材料的因素。

(2)原材料顯微組織。我公司產(chǎn)品是經(jīng)過楔橫軋制和等溫正火后供貨的，楔橫軋可以細(xì)化晶粒，等溫正火可再次細(xì)化晶粒，不易出現(xiàn)大小晶粒問題；同時，經(jīng)過抽樣檢驗，也未發(fā)現(xiàn)大小晶粒現(xiàn)象，因此，該因素也可以排除。

(3)原材料端淬?？蛻舴答仯?件，端淬結(jié)果分別為：J9=28.3HRC和29.2HRC，不符合規(guī)范要求的J9=30～36HRC。于是我們分別進行了調(diào)查：查進廠材質(zhì)單，端淬為J9=30HRC，符合規(guī)范要求；將客戶返回的一件產(chǎn)品送有資質(zhì)的單位進行端淬試驗，結(jié)果為30HRC，符合規(guī)范要求；以往發(fā)貨材質(zhì)單查驗，端淬分別為30HRC、31HRC、32HRC、33HRC等，其中30HRC的材料未反饋淬火硬度不足，說明并不一定是端淬低導(dǎo)致的淬火硬度不足。于是我們同原材料廠家到客戶現(xiàn)場進一步核查原因，經(jīng)與客戶深入溝通，發(fā)現(xiàn)供需雙方存在差異：客戶在產(chǎn)品中取樣，鋼廠在原材中取樣；客戶正心取樣，鋼廠偏心取樣（見圖2、圖3）；客戶未經(jīng)正火，直接淬火，鋼廠先正火再淬火；客戶加熱保溫時間40分鐘，鋼廠和標(biāo)準(zhǔn)加熱保溫時間均不低于50分鐘，這些差異再加上操作和讀數(shù)等因素，可能導(dǎo)致端淬結(jié)果存在差異。

圖2 正心取樣

工藝方面

(1)客戶淬火工藝。真空爐氮氣冷卻滲碳淬火，先將工件加熱到滲碳溫度960℃，然后，冷卻到淬火溫度880℃，再將工件傳送到氮氣冷卻室冷卻至室溫后取出。滲碳加熱室有測溫裝置，冷卻室沒有測溫裝置，因此無法控制工件到達冷卻室的溫度和冷卻室中冷卻介質(zhì)的溫度，進而無法控制冷卻速度。

(2)工藝參數(shù)選擇依據(jù)。每批產(chǎn)品到貨后，未根據(jù)端淬調(diào)整淬火工藝參數(shù)，而是先試驗6件產(chǎn)品，合格后，按此工藝批量滲碳淬火，批量生產(chǎn)的裝爐量是96件。

(3)進一步與客戶交流得知，通過減少裝爐量和改變冷卻介質(zhì)（將氮氣改為油冷）是可以提高硬度的，只是車間擔(dān)心增加成本，降低產(chǎn)量，從而減少收入。

圖3 偏心取樣

據(jù)以上分析認(rèn)為存在如下問題：(1)氮氣冷卻能力差是硬度提不上去的主要原因，在這種冷卻方式下，應(yīng)根據(jù)端淬高低，調(diào)整工藝參數(shù)。(2)冷卻室沒有溫控裝置，無法控制溫度和冷卻速度，可能會導(dǎo)致工件硬度低。(3)6件試驗品淬火和96件批量淬火需要的加熱時間和冷卻時間顯然不同，如果用同樣的工藝，勢必造成批量淬火時的硬度偏低。

試驗方法

試樣對硬度的影響?？蛻暨M行洛氏硬度試驗時，采用的是試塊鑲嵌法，如圖4所示，即用熱壓鑲嵌法將試樣鑲嵌到樹脂中，然后再按洛氏硬度試驗方法，對試樣施加150公斤力后讀取硬度值，該做法不符合GB/T230.1規(guī)定的將試樣平穩(wěn)地放在剛性支承物上的要求，洛氏硬度是通過壓痕深度讀數(shù)的，樹脂和鋼材的硬度和彈性均不同，在150公斤力的作用下，有樹脂鑲嵌塊和直接用鋼試樣產(chǎn)生壓痕肯定不同。

為驗證鑲嵌法的誤差，我公司用硬質(zhì)樹脂墊在試樣下模擬客戶鑲嵌試樣在洛氏硬度計和布氏硬度計（模擬維氏硬度計）做了4組試驗，洛氏硬度計分別使用示值為25.5HRC和62.4HRC兩個標(biāo)準(zhǔn)試塊進行模擬試驗，共計模擬3組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)3個位置，每個位置分別用加樹脂墊和不加樹脂墊的標(biāo)準(zhǔn)試塊打3個點，共計打點54個，整體誤差在-4～3HRC，見表1～表3。布氏硬度計用示值為201HB的標(biāo)準(zhǔn)試塊做了一組試驗，最大誤差1HB，見表4。

圖4 試塊鑲嵌法

表1 洛氏硬度試驗對比（第一組數(shù)據(jù)）

表2 洛氏硬度試驗對比（第二組數(shù)據(jù)）

由于洛氏硬度計測量第一組數(shù)據(jù)時是在硬度計停用一段時間后測量的，有些不穩(wěn)定，用了一段時間后，打第二、第三組數(shù)據(jù)時，硬度計基本穩(wěn)定，且均呈現(xiàn)出加墊硬度值低于不加墊硬度值的趨勢（誤差在10%左右）。而布氏硬度加墊與不加墊誤差很?。ㄇХ种澹Ｓ纱丝梢则炞C，洛氏硬度計不適用于鑲嵌試塊，如果必須加鑲嵌塊，則需要先在維氏硬度上打硬度，再轉(zhuǎn)化為洛氏硬度?？蛻粲描偳对噳K直接打洛氏硬度是偏低的。

硬度轉(zhuǎn)化誤差。客戶直接用洛氏硬度計打硬度和用維氏硬度計打硬度后轉(zhuǎn)化為洛氏硬度，誤差在10HRC左右，見表5。也就是說，如果用維氏硬度打硬度后再轉(zhuǎn)化為洛氏硬度，其結(jié)果是符合規(guī)范要求的。因為維氏硬度試驗時加載力為30公斤力，比洛氏硬度的150公斤力小得多，對樹脂的影響比較小，而且維氏硬度標(biāo)準(zhǔn)GB/T4340.1規(guī)定可以用鑲嵌試塊方法進行維氏硬度試驗。

表3 洛氏硬度試驗對比（第三組數(shù)據(jù)）

表4 布氏硬度試驗對比

表5 直接用HRC讀數(shù)與HV30讀數(shù)后轉(zhuǎn)為HRC對比

原因確定

影響端淬結(jié)果的主要因素

(1)供需雙方端淬試驗取樣時機不同，一個是原材料，一個是楔橫軋產(chǎn)品。

(2)端淬試樣取樣位置不同，鋼廠在原材料中偏心取樣，客戶在楔橫軋后的毛坯中正心取樣。

(3)端淬工藝流程不一致。鋼廠嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定流程：取樣→正火→淬火→打硬度?？蛻簦喝印慊稹蛴捕?。

(4)加熱溫度和保溫時間不一致。鋼廠加熱和保溫時間不低于50分鐘（一般1小時以上），客戶40分鐘。

影響齒輪軸淬火硬度的主要因素

(1)工件傳送過程溫降的影響。工件在滲碳爐傳送到冷卻室有一定的距離，在此期間溫度會降低，降低多少無法測量。

(2)溫度控制的影響。冷卻室沒有測溫裝置，無法控制工件初始冷卻溫度和冷卻速度，也無法控制冷卻介質(zhì)的溫度。

(3)冷卻介質(zhì)的影響。氮氣的冷卻速度比油和水都慢，因此在遇到端淬數(shù)值低的產(chǎn)品時，必須減少裝爐量，以提高冷卻速度。

(4)裝爐量的影響。用6件產(chǎn)品試驗的淬火工藝作為96件批量淬火工藝是不合適的，6件冷卻速度要比96件高的多。

硬度檢驗方法會對檢驗結(jié)果有影響

(1)鑲嵌試塊不能用于洛氏硬度試驗，否則影響檢驗結(jié)果，硬度整體趨勢偏低。

(2)用維氏硬度轉(zhuǎn)化為洛氏硬度比直接用洛氏硬度計檢驗結(jié)果高。

結(jié)論

(1)試樣制取時機、取樣位置、端淬工藝流程、工藝參數(shù)等均可能對端淬結(jié)果有影響，因此，供需雙方應(yīng)經(jīng)常對標(biāo)。

(2)試塊鑲嵌后，不能用洛氏硬度計直接讀數(shù)，可用維氏硬度轉(zhuǎn)化為洛氏硬度，否則會造成誤判。

(3)滲碳淬火時，應(yīng)安裝測溫裝置，確保溫度和冷速受控。

(4)滲碳淬火時，應(yīng)根據(jù)原材料的端淬、裝爐量的多少、冷卻介質(zhì)的冷卻能力等實時調(diào)整工藝參數(shù)。

(5)不能用試樣淬火工藝代替批量淬火工藝。