常州精密钢管博客

齿轮的防渗技术及防渗涂料的清理方法

在齿轮渗碳、渗氮及碳氮共渗热处理过程中,经常会遇到防渗方面的问题,如齿轮轴的花键、螺纹部位的防渗。对此,可采用涂覆防渗涂料等方法进行局部防渗,使其在热处理后直接获得理想的硬度;另有部分齿轮采用防渗保护后直接淬火,淬火后防渗部位可直接进行切削加工。采用良好的热处理防渗方法,不但可以使齿轮的防渗部位(硬度)达到产品技术要求,而且还可以简化工序,降低热处理成本。目前,齿轮的防渗主要有涂覆防渗涂料防渗方法、镀铜防渗方法及机械防渗方法等。可根据产品技术要求、特点及热处理工艺,选择不同的防渗方法。


一、涂覆防渗涂料防渗方法

齿轮用防渗涂料按照防渗作用主要分为防渗碳涂料、防渗氮涂料及防碳氮共渗涂料。按照JB/T 5072《热处理保护涂料一般技术要求》及JB/T 9199《防渗涂料 技术条件》标准要求,防渗涂料粘度应为25~65mm2/s;不应有结块,涂层应均匀完整,附着性能好;涂层在室温下2h内应能干燥,在60~100℃范围30min内应能干燥;涂层应有良好的剥落性能;防渗性能合格,对于涂覆防渗碳、防碳氮共渗涂料工件的阻硬率h80%,该涂料合格。对于涂覆防渗氮涂料的工件表面最高硬度Hmax320HV0.1320HV10,该涂料合格。

目前齿轮的防渗多采用涂覆涂防渗涂料方法。采用自制防渗涂料方法,生产成本较低,但配制过程繁琐;采用市售商品防渗涂料,防渗效果较好,使用方便,但费用相对较高。


1.自制防渗碳涂料方法

几种常用的防渗碳涂料配方及使用要求见表1。

1   几种常用防渗碳涂料配方及使用要求

序号

成分组成(质量百分比,%

使用要求

1

氧化铜30+滑石粉20+水玻璃50

刷涂两层

2

铅丹4+氧化铝8+滑石粉16+水玻璃余量

调匀使用,涂两层,适用于高温渗碳

3

石英粉12~14.5+硅藻土18.5~20+氧化铬6~7+余量水玻璃

用水玻璃调匀后使用,100~150℃进行干燥,然后装炉渗碳

4

氧化铝30+二氧化硅22+碳化硅22+硅酸钾7+19

涂料呈白色,密度为2.25 g/cm3,适用于1000~1300℃较高温度下渗碳使用


2.取代镀铜的防渗碳涂料


(1)自制防渗碳涂料

涂料配方(质量分数,%):硼砂76,氧化铜10,滑石粉10,膨润土3,碳酸钠1。


使用方法:将上述粉状涂料混合均匀,用温水调和至粘稠状,反复刷涂齿轮防渗部位,涂层厚度1.5~2.0mm,在100~120℃进行烘干30min,然后装炉渗碳。


(2)采用商品防碳氮共渗涂料

采用CN-1型防碳氮共渗涂料取代镀铜方法进行防渗,其防渗效果好,涂层易剥落,避免了废水处理,生产效率提高11~20倍,没有发现氢脆裂纹和磨削裂纹,镀铜防渗和CN-1型防渗涂料防渗效果比较见表2。

2   镀铜防渗和CN-1型防渗涂料防渗效果比较

防渗方式

热处理工艺

防渗表面硬度HRC

镀铜防渗

820℃×10h碳氮共渗,150℃×3.8h回火(多用炉)

43.8

CN-1型防渗涂料防渗

44.9


3.防氮化涂料配方及其使用方法


齿轮非氮化部位的防渗方法如下。


(1)涂料法

采用有机和无机防渗氮涂料,防氮化涂料配方与使用方法见表3。一般要求工件表面粗糙度值Ra≥3.2μm,保证工件表面具有一定吸附力。


(2)锈蚀防渗氮方法

锈蚀防渗氮法是把不需要氮化的部位清洗去脂后,放在空气中,任其表面生锈。氮化时,在生锈的表面上涂上一层油脂,便能有效防止氮原子的渗入。

3   防氮化涂料配方及使用方法

配方

使用方法

铅粉:1

铬粉:1

锡粉:2

研成细末,用氧化锌调成糊状

氧化锌:6

甘油:1

与含有少量氯化铵的盐酸溶液搅拌成糊状,涂于工件表面,在200℃下烘干,复以薄铝纸

铅粉:6

锡粉:4

混合剂:13

混合剂由植物油1份,硬脂油1份,猪油4份,松香2份,氯化锌1份组成,将铅粉、锡粉研细加入混合剂调匀

中性水玻璃:

8~9

石墨粉:1~2

工件在70~90℃预热后用毛刷将涂料均匀刷涂2~3次,厚度0.5~1mm,然后在150~170℃炉中烘干


4.商品防渗涂料


(1)NFT-1型防渗碳涂料配方及其使用方法

NFT-1型防渗碳涂料是一种硅酸盐型的防渗材料。


防渗碳涂料组成:阻渗材料(熔块釉,熟料)、填充材料(如Al2O3、SiO2)、粘结材料(钠水玻璃)、表面活性剂和助溶剂等。硅酸盐防渗碳涂料配方见表4。

4   硅酸盐防渗碳涂料配方(质量分数,%

          熔块釉    SiO   Al2O3         粘合剂

             60         10          30          钠水玻璃

使用方法与效果:涂料经配置和研磨后再与粘结剂混合均匀,调制成糊状体。采用浸涂方法,然后自然晾干,涂层厚度为0.10~0.30mm。试样材料20CrMnTi钢,采用气体渗碳炉进行渗碳,渗碳温度920~930℃,渗碳时间为6~8h。通过防渗性能检测,阻硬率达到80%,防渗涂料合格。


(2)KT、PC、AC及AN系列防渗涂料

KT-930型防渗碳涂料:KT-930型防渗碳涂料配方为,二氧化硅48g、碳化硅20.5g、氧化铜6.8g、硅酸钾8.2g、水16.5g,适用于900~950℃气体渗碳,防渗碳效果好。

KT、PC、AC及AN系列防渗涂料:KT、PC和AC、AN系列防渗涂料分别见表5和表6。

5   KTPC系列防渗涂料

品名

用途

适用温度

/

涂层特点

KT-98

防渗碳、防碳氮共渗,防渗层深度>2.5mm

850~950

渗碳后淬火,涂层不能剥落,但快速溶于水

PC-3C

深层(>6.0mm)防渗碳

850~950

自剥

PC-2

局部防渗碳

850~950

自剥

KS-2

防渗氮

480~600

自粉化

6   ACAN系列防渗涂料

品名

型号

性能特点

防渗碳、防碳氮共渗涂料

AC100

淬火时涂料不脱落,热后喷砂去除

AC106

深层渗碳(渗碳层>6mm)局部防渗

AC200

涂层溶于水,适用于螺纹及花键防渗

AC201

深层渗碳时螺纹防渗

防渗氮涂料

AN560

水溶性涂料,渗氮后涂层粉化,易于清除

AN600P

用于离子渗氮局部防渗

5.齿轮上细小通孔的防渗处理方法

行星齿轮如图1所示,材料为20CrMnTi,齿轮φ49mm内孔及φ2mm的通孔需防渗处理,然后进行渗碳、淬火和回火处理。


(1)防渗碳方法与效果

选用水溶性防渗涂料,对φ49mm内孔采用软毛刷刷涂防渗涂料,防渗效果很好。而φ2mm的通孔的防渗方法是,首先把防渗涂料装在注射器针管内,然后用大号针头从φ49mm内孔将防渗涂料注射到φ2mm的通孔内,既能保证通孔的防渗效果,又不能把防渗涂料涂到齿面上。此种防渗方法防渗效果好,效率高。


6.外螺纹涂覆防渗涂料方法

(1)外螺纹防渗方法

在涂覆防渗涂料前,齿轮应经清洗机清洗,然后将防渗涂料搅拌均匀后,涂覆在螺纹及过渡区上,要求先后两次均匀涂覆,涂层厚度达到1~1.5mm。自然干燥后,经脱脂炉加热烘干,渗碳炉渗碳、淬火、清洗、回火和螺纹部清理后,对尾部螺纹进行检验。金相检验螺纹部无渗碳层;检验尾部螺纹硬度为37~38HRC,防渗效果合格(如载重汽车驱动桥主动圆锥齿轮技术要求30~38HRC)。


(2)涂覆防渗碳涂料的厚度

通过生产试验发现,对一些材料齿轮若涂覆防渗碳涂料偏薄(如0.3~0.5mm)时,金相检验虽然合格(即无渗碳层),但尾部螺纹硬度偏高,达到41~45HRC,不合格。这是由于(载重汽车驱动桥)主动圆锥齿轮采用22CrMoH等材料时,因其淬透性能较高造成的。当螺纹部涂覆的防渗碳涂料较厚(如1.0~1.5mm)时,可降低材料的冷却速度,尾部螺纹硬度可以保证(37~38HRC);反之,硬度超标。


7.涂覆防渗涂料操作方法及要求

(1)首先要对防渗的齿轮表面进行清洗处理(溶液温度70~80℃),除掉防渗及其他部位的油渍和污物,利用自身余热蒸发掉水分。其次,调整好防渗涂料的配比和粘稠度,将涂料搅拌均匀,保证防渗涂料在使用过程中的粘着性和厚度,最终保证其防渗效果。


(2)根据产品技术要求及其特点,对重要部位(如主动齿轮外螺纹,经渗碳或碳氮共渗、淬火及回火后,螺纹硬度要求≤38HRC)可分两次用人工方式进行涂覆,总厚度控制在1.0~1.5mm,然后在室温下干燥≥2h,或者在60~100℃烘干≥0.5h,即可装炉;对一些防渗部位硬度值要求45~50HRC齿轮,可对防渗部位涂覆一遍防渗涂料,其厚度可以薄一些(如0.20~0.30mm),有一定的漏渗效果。总之,涂层的厚度应根据涂料的质量及化学热处理工艺等而定。同时,干燥后的涂层,必须均匀、完整、致密、无剥落、无裂纹。


(3)根据防渗齿轮的尺寸、形状和面积大小,可以选择刷涂、浸涂及喷涂等方法。

刷涂法:采用软毛刷刷涂,第一次刷涂防渗涂料厚度1.0~1.5mm,在室温下放置60min后刷涂第二次,总厚度达到1.5~2.0mm。两次刷涂后,保证防渗部位不漏出(齿轮)金属,涂层均匀,齿部表面不粘上防渗涂料。此方法适合于大型齿轮的局部防渗保护。


浸涂法:将齿轮需要防渗部分缓慢放入涂料槽内,停留10~20s后,再缓慢取出,轻轻甩掉或从齿轮下端刮去多余的涂料。第一浸涂后,在室温下放置60min后可进行第二次浸涂,涂层达到要求厚度后,放置2~3h,待其完全干燥后即可进行化学热处理。应注意涂层厚度的均匀性,一般以涂覆2次为宜。涂层总厚度以0.8~1.5mm为宜。此方法适合于形状简单的小齿轮整体或端头局部防渗保护。


喷涂法:采用喷漆枪均匀喷涂防渗涂料,风压为0.2~0.4MPa,一次喷涂厚度0.3~0.5mm,对于大型齿轮喷涂厚度可以厚一些。此方法适合于形状复杂和大、中型齿轮的整体或局部防渗保护。


二、镀铜防渗方法


1.非渗碳(或碳氮共渗)部位的电解镀铜防渗方法

利用碳等元素在铜中扩散困难的原理,在防渗部位镀上厚度在0.1mm以上的镀铜层,使其在渗碳过程中碳原子不能渗入,其特点是不改变需要防渗工件的化学成分。采用此种防渗方法防渗效果好,但成本高,效率低,污染严重。


2.非氮化部位的电镀金属防渗方法

(1)局部镀铜层0.012~0.015mm。要求形成无孔隙铜膜。

(2)局部镀锡层0.012~0.015mm。当锡膜厚度>0.01mm时,为了防止流锡,可进行350℃左右加热1~2h的均锡处理。

(3)局部镀镍层0.025~0.1mm。

(4)用热镀法镀上一薄层锡0.004~0.008mm,镀锡的防渗效果远大于镀铜。采用氯化铵作催渗剂进行氮化处理时,不得用镀锡法而应用镀镍法。


三、机械防渗方法


1.堵塞和遮掩方法

对不需渗碳的孔用耐火土与水玻璃混合后将其塞住,也可将非渗碳面用石棉绳捆扎或用钢套等掩盖。此方法适合于防渗效果要求不太严格的齿轮。


2.防离子渗氮方法

采用以下机械防渗方法均可达到防离子渗氮要求。

(1)采用顶丝、销钉、螺钉等对齿轮上孔和螺纹孔进行防渗保护。

(2)采用螺母对齿轮外螺纹进行保护。

(3)采用带内螺纹孔或套保护齿轮外螺纹或齿轮外圆。

(4)采用心轴或压盖屏蔽齿轮内孔。


3.内螺纹防渗碳方法

例如,从动齿轮安装用螺纹孔的防渗,可采用防渗螺钉(材料A3等),通过手动(或电动、气动)方式拧入防渗螺钉达到防渗碳的目的。此种方法的特点是,防渗效果较好,防渗螺钉可以反复使用,可取代原采用的涂覆防渗涂料方法。图2为从动齿轮螺纹采用防渗螺钉防渗示意图。


4.戴防渗螺母防渗方法

对热处理前主动齿轮尾部螺纹采用戴不锈钢(或耐热钢)做的防渗碳螺母(见图3)方法进行防渗,螺母与齿轮花键端面应紧密贴合,使其在渗碳过程中碳原子不能渗入或少量渗入,以使螺纹淬火后获得韧性好的低碳(或中碳组织)和低于40HRC的硬度,保证螺纹的使用。采用防渗螺母防渗特点是,防渗螺母可反复使用,但成本较高。

5.从动齿轮内孔的防渗方法

终端传动从动齿轮尺寸为φ419mm(外圆直径)×φ260mm(内孔直径)×35mm(宽度),质量约为40kg,材料20Cr。


(1)机械防渗工艺

为简化工序,实现渗碳后直接淬火,可采用机械防渗方法。从动齿轮渗碳时采用下面带圆盘的三角架吊具成串装夹,工件(由于自重)相互接触十分紧密,渗碳气氛很难从工件渗入内孔。同时设计一个防渗帽(见图4),以解决吊具最上层的密封问题。要求防渗帽与工件端面接触面车削平整(保证其平面度≤0.10mm)。装炉时,先将吊具连同齿轮装入炉内(齿轮上下应整齐摆放),然后在最上层盖上防渗帽,靠其自重压紧接触面。渗碳后出炉时,先吊出防渗帽,再将齿轮吊出直接淬火。


(2)检验与效果

检测防渗碳的端面硬度为241~269HBW,个别达到285HBW,淬火组织为索氏体+铁素体,适合于机械加工。

四、防渗效果检验方法


涂覆涂层的防渗面经化学热处理后,应具有良好的防渗性能,即防渗面能进行车、铣、刨等机械加工。在采用以上防渗方法进行防渗处理时,如果操作不当,经常会出现漏渗情况。齿轮防渗效果不良,将直接影响到产品质量。对此,应根据产品技术要求及其特点选择以下一项或几项进行防渗效果检验。


(1)硬度检验方法

检测齿轮防渗部位(代表性或关键性)的上、中、下3个位置的硬度,如果硬度值低于产品技术要求,则判为合格。


(2)化学分析方法

化学热处理后的试样可采用化学等方法进行检测,结果应无元素(碳、氮等)渗入。


(3)金相检验方法

通过解剖试样或工件,检验其防渗部位表层有无渗碳(或渗氮、碳氮共渗)层,若发现有渗碳层(或渗氮层、碳氮共渗层),则表明防渗效果不合格。


(4)主动齿轮螺纹防渗效果的检测方法

可以先拧紧(载重汽车驱动桥)主动锥齿轮尾部螺纹上的螺母,然后在扭力机上进行扭力台架试验,拧紧力矩1000N.m,然后再放置48h,如果螺纹没有滑扣(滑扣即螺纹牙齿断裂)情况,证明防渗效果合格。


五、防渗涂料的清理方法


齿轮经化学热处理后,防渗部位上残留的防渗涂料应进行清理。目前清理方法有水洗或自粉化、机械清理(如喷砂清理、钢丝轮清理)及化学清理(如碱溶液清洗)等。介绍几种有效的清理方法。


1.喷砂清理

采用手动压缩空气(0.5~0.6MPa)喷枪(嘴),经过压缩空气带动(细)石英砂向螺纹部表面喷射清理。喷砂清理时注意,应及时转动齿轮,不得过度清理某处,以防其尺寸减小。喷砂采用的压缩空气应经过滤,保证无油、无水。此方法特点是清理效率较高,但现场粉尘较大,应安装除尘装置。图5为齿轮吹砂清理示意图。

2.钢丝轮清理

利用自制电动机带动钢丝轮传动机构,设计并制成合理的主动齿轮卡位机构,以利于对主动齿轮尾部螺纹等进行均匀、彻底、安全的清理。此方法特点是清理干净、效率高。主动齿轮螺纹清理机示意图见图6。

3.化学清理

将涂覆涂料部位浸泡在热(60~80℃)的NaOH溶液(10%~15%,质量分数)中2~3h,可使其残留的防渗涂层溶解。

作者:金荣植

单位:哈尔滨汇隆汽车箱桥有限公司





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