齿轮轴是各种机械设备传动系统中的关键零件，一般要求齿轮轴既具有优良的耐磨性、又具备高的抗接触疲劳和抗弯曲疲劳性，因此热处理对齿轮轴的寿命起至关重要的作用。

事故背景

某公司选用20MnCr5合金结构钢生产齿轮轴，具体生产工艺为：ϕ190mm热轧棒料→下料→车加工→局部涂防渗碳涂料→渗碳热处理→车加工。最终车加工后发现工件表面局部有明显的斑疤，导致零件全部报废。

为查明工件表面斑疤形成的原因，笔者对该齿轮轴进行了一系列检验与分析，以期避免再次出现该类缺陷。

理化检验

分析与讨论

该齿轮轴的化学成分符合标准要求，齿轮轴上的斑疤仅出现在齿轮轴表面不需要渗碳的部位，渗碳部位则未见此类缺陷。SEM分析结果表明，造成齿轮轴车削后表面有斑疤的主要原因为钢材基体中有异物渗入。异物的渗入破坏了钢材基体的连续性，从而导致车削后表面不光滑。从斑疤部位横截面金相检验结果可知，缺陷区域呈弧形分布，说明异物是由某一个点开始逐渐向钢材深度及宽度方向渗透。缺陷区域有部分碳元素渗入，说明在渗碳过程中防渗碳涂料没有起到防渗作用。

因齿轮轴各部位性能要求不一样，因此在渗碳热处理时需要对不允许渗碳的部位进行保护。一般采用涂覆防渗碳涂料等方法进行局部防渗，渗碳热处理后再清除零件表面的涂层，从而使整个零件在渗碳热处理后得到较好的综合性能。该齿轮轴渗碳热处理前使用的防渗涂料为某公司生产的FC-108型防渗涂料，其主要成分为二氧化硅、三氧化二铝、氧化钾、氧化钠、铜粉、锡粉等。与齿轮轴表面渗入的异物成分相似，说明齿轮轴表面的异物来源于防渗碳涂料。

防渗碳涂料中含有铜粉、锡粉等低熔点金属及其合金，且这些金属聚集在钢材表面极易使钢材表面产生脆性开裂。渗碳过程中温度较高，防渗碳涂料中低熔点的物质沿钢材最薄弱的晶界渗入钢中。在随后的淬回火冷却过程中，渗入了低熔点物质的晶界容易开裂，从而破坏基体的连续性。正常情况下，防渗碳涂料渗入钢材的深度应该是一致的，通过后续的机加工可以将表面异常层完全去除。一旦防碳渗涂料在局部堆积，堆积部位防渗碳涂料渗入钢材的深度肯定会加深，正常的机加工余量不能保证完全去除表面异常层，从而有少许渗层残留在工件表面。

以上分析结果表明，防渗碳涂料在使用过程中出现异常。可从防渗碳涂料本身质量、零件刷涂前表面是否清理干净、是否刷涂均匀等方面进行具体分析。具体可参考JB/T 5072－2007«热处理保护涂料一般技术要求»及JB/T 9199－2008«防渗涂料技术条件»。

结论及建议

防渗碳涂料中低熔点物质沿齿轮轴基体的晶界渗入齿轮轴基体中，在随后的淬回火过程中导致齿轮轴基体连续性被破坏，从而在车加工后表面出现斑疤缺陷。

建议加强防渗碳涂料的质量检查，严格控制零件刷涂前表面质量及刷涂质量，杜绝此类缺陷的产生。