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[摘 要]本文通过对渗碳齿轮钢质量问题的研究，应用《金属学原理》理论详细阐述了影响渗碳齿轮钢质量的相关因素，从宏观形貌到微观本质作了较客观的论述，并从夹杂物、氧含量等冶金参数对渗碳齿轮钢内部质量问题的影响程度等问题作了初步的分析，提出了控制和改进措施，并提出了改进渗碳齿轮钢质量的方法和途经。
[关键词]渗碳齿轮钢；质量；研究；改进
中图分类号：S194 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）08-0272-02
一、前言
风力发电用齿轮及传动轴是风力发电设备的重要部件之一，关系到风力发电设备的整体性能及设备的安全性。是至关重要的一环。他的工作周期直接影响到整机的整体工作寿命，为此设备生产商对该类零件的采购也给予高度重视，目前，国内还没有一个统一的风力发电用齿轮钢的国家标准，各公司用于指导生产的风力发电用齿轮钢的技术标准多是引用国际、国内相关（相近）标准或企业标准在执行。为此浙江伟晟控股会同冶金工业信息标准研究院编制了该类产品的国家标准。杭州金越晟重型机械有限公司为伟晟旗下的控股子公司。因此，我公司对该类产品做了详细的研究。
二、渗碳齿轮钢质量调查
以杭州金越晟重型机械有限公司为例，几经对锻造工艺的改进，目前工艺技术已经成熟，产品质量一直保持稳定，具有代表意义。
2014年9月-2015年8月一年的质量问题统计数据，不合格汇总如表1：
经过原因分析及制定的纠正预防措施后检测数据如下：
原因分析：
1、折叠：原材料表面有折叠，尤其是坯料，经过二次加工后表面有折叠倾向；经冲孔后扩孔容易产生折叠。
2、尺寸：主要是偏心导致的单边车不出，锻造余量稍小；局部存在黑皮打磨后小尺；车削时未及时借车导致尺寸报废。
3、探伤：原材料内部质量问题；锻造镦拔不够。
质量控制改进措施
1、折叠：装炉前仔细检查原料表面质量，如有折叠、重皮等表面缺陷及时清除；冲孔时内孔最后一次用成型冲头再冲一次，确保内孔毛刺、冲孔重皮等冲干净，保障最后扩孔时不出现折叠。
2、尺寸：适当增加工艺余量；制作中心孔定心卡钳，确保冲头冲孔对正不偏心；齿轮类产品车削前要先划线，确保能够借车出来。
3、探伤：合理选择原材料供应商；合理制定锻造工艺，控制材料的变形比，确保内部锻透。
2016年9月-2017年8月一年的质量问题作为统计依据，不合格汇总如表2：
由上表可以看出，平均控制水平逐期提高，废品量减少。质量波动减小，趋于平稳。这说明我公司在渗碳齿轮钢质量的控制上思路是正确的，措施是得力的。
三、渗碳齿轮钢内在质量问题成因分析
经过大量的解剖分析，逐渐发现影响渗碳齿轮钢的根本问题在于内部夹杂，在齿轮钢工作时会引起疲劳断裂。如图1所示：
从检测结果上看，主要是Al、Si、Ca、Mg类夹杂物导致。
1、氧化物对齿轮钢内在质量的影响
钢包喷吹工艺是利用载气将Si-Ca粉状物质直接吹入钢包中，迅速加快钢水反应的动力学，有利于夹杂物的上浮和排除，可以明显的降低钢中的氧、硫含量和夹杂物的含量，提高钢的综合性能和使用寿命。
钢中夹杂物是一种脆性相，其体积分数fv愈高，韧性愈低，夹杂物的尺寸愈大，韧性下降的愈快。对于解理断裂的韧性而言，夹杂物的尺寸愈细小，夹杂物的间距愈小，则韧性不但不下降，反而提高。因为晶内脆性相如果排列较密，则可缩短位错堆塞距离，使解理断裂不易发生，从而可以提高解理断裂强度，也可阻止断裂伸展，并使断裂尺寸限于颗粒间距而提高解理断裂强度。这些提高韧性的因素也必然是延长寿命的原因。
齿轮钢内在质量的综合标志就是疲劳寿命，材质的优劣对寿命影响最大，钢中氧含量是影响材质的重要因素。钢中氧含量越低，则其纯洁度越高，相对应的额定寿命就越长。
真空脱氧工艺降低了氧含量，仍未起到大幅度提高轴承钢疲劳寿命的作用。虽然真空脱氧工艺降低了氧含量，但在氧化物夹杂量降低以后，多余的硫化物又成为影响钢材疲劳寿命的不利因素。只有同时降低氧化物含量、硫化物含量，才能充分挖掘材质潜力，大幅度提高轴承钢的疲劳寿命。
实验结果表明：喷粉精炼工艺之所以取得比电炉工艺成倍的提高材质的使用寿命，关键在于喷粉工艺通过喷吹装置吹入粉状物质，大大加速反应的动力学，有利于夹物物细化和上浮，提高了材质的纯洁度。
2、硫化物对对齿轮钢内在质量的影响
钢中的硫化物几乎全部以硫化物形态存在。凡钢中的硫含量增高，则钢中的化合硫相应增高，但因硫化物能很好的包围在氧化物的周围，减少了氧化物对疲劳寿命的影响。
硫化物具有较低的熔点，当钢凝固时，就附着在多角形的氧化物夹杂的表面，特别是棱角处，形成氧化物---硫化物共生夹杂物。因此硫含量适当的提高，增加氧化物被硫化物包围的机会，导致共生夹杂数量增多。当热加工时，这种共生夹杂物与基体之间造成一个平滑的内表面，它的应力集中倾向比脆性棱角形氧化物低。同时由于硫化物的膨胀系数大，不易出现拉应力，被硫化物包围的氧化物与基体之间的应力也是很低的。当硫化物-氧化物共生时，即使硫化物夹杂体积比氧化物大或小，基体中的残余应力比起没有同硫化物结合的来说，在程度上有所减轻。残余应力本身是不足以引起疲劳的，但遇到存在的氧化物夹杂，应力就会加强，氧化物被应力所包围，再加上任何外加的应力，使应力强化到某种程度，结果导致产生疲劳裂纹。所以外部应力是破坏的直接原因，而夹杂是内因，这两者的应力场将使材料更加经不住外来的应力。当硫化物与氧化物共生时，则残余应力较低，压应力的作用也小，这将阻碍裂纹的发生，材料也就增强了抵抗外来应力的能力，提高材料的疲劳寿命。
3、加热、锻造对齿轮钢内在质量的影响
加热温度是一个重要的冶金参数。加热不当对产品本身会产生诸多不利因素，比如：脱碳、过热、过烧、加热裂纹、铜脆等缺陷。最终都会导致产品的使用寿命及安全受到严重影响。那么加热设备的选择对此类影响将至关重要，有些炉子是先天不足，炉内温差比较大，会容易导致局部过热或过烧情况，炉子的定期校准显得尤其重要，在正常的冶金生产过程中，精细化操作越来越得到重视，尤其是生产过程的监事和测量设备的准确性显得异常重要，所以在此推荐选择在尽量靠拢AMS2750E6级以上的加热炉进行加热，以确保产品不至于受到加热缺陷的影响。
自由锻造在生产制造中是一个很重要的加工方式，它可以通过变形生产出不同复杂形状的产品类型。锻造的好坏也将会影响着产品的最终使用，锻造过程中会产生各类缺陷，比如：锻造晶粒粗大、晶粒不均匀、锻造裂纹、锻造折叠等，同样也会影响着产品的使用性能。
目前我司采用原材料優先选择炉外精炼的厂家，原材料经过开坯后再投入锻造生产，锻造过程中控制终锻温度及最后一火次的变形量来控制产品内部质量，锻后采用等温正火工艺获得平衡组织及所需要的加工硬度，为产品的最终渗透淬火做准备。
四、结语
通过研究分析，我们总结出最佳生产方案：原材料冶炼采用LF+VD，经过开坯能够焊合钢锭区域的内部大缩孔，控制钢锭利用率可以有效合理利用锭身质量好的部分，从而提高产品的疲劳寿命，加热采用炉温均匀性较好的蓄热式加热炉，有效减少加热缺陷，锻造采用镦拔合理搭配控制最后一火次的变形量，锻后及时冷却，采用等温正火工艺得到平衡态组织和所需硬度，为最终产品渗碳淬火做组织准备。
参考文献
[1] 余永宁.《金属学原理》，2003年版.
[2] 黄希祜.《钢铁冶金原理》，2004年版.
[3] 王忠信.《齐钢技术》，1995年合订本.
[4] 王海川.《国际钢铁研究》，2005年第4期.
[关键词]渗碳齿轮钢；质量；研究；改进
中图分类号：S194 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）08-0272-02
一、前言
风力发电用齿轮及传动轴是风力发电设备的重要部件之一，关系到风力发电设备的整体性能及设备的安全性。是至关重要的一环。他的工作周期直接影响到整机的整体工作寿命，为此设备生产商对该类零件的采购也给予高度重视，目前，国内还没有一个统一的风力发电用齿轮钢的国家标准，各公司用于指导生产的风力发电用齿轮钢的技术标准多是引用国际、国内相关（相近）标准或企业标准在执行。为此浙江伟晟控股会同冶金工业信息标准研究院编制了该类产品的国家标准。杭州金越晟重型机械有限公司为伟晟旗下的控股子公司。因此，我公司对该类产品做了详细的研究。
二、渗碳齿轮钢质量调查
以杭州金越晟重型机械有限公司为例，几经对锻造工艺的改进，目前工艺技术已经成熟，产品质量一直保持稳定，具有代表意义。
2014年9月-2015年8月一年的质量问题统计数据，不合格汇总如表1：
经过原因分析及制定的纠正预防措施后检测数据如下：
原因分析：
1、折叠：原材料表面有折叠，尤其是坯料，经过二次加工后表面有折叠倾向；经冲孔后扩孔容易产生折叠。
2、尺寸：主要是偏心导致的单边车不出，锻造余量稍小；局部存在黑皮打磨后小尺；车削时未及时借车导致尺寸报废。
3、探伤：原材料内部质量问题；锻造镦拔不够。
质量控制改进措施
1、折叠：装炉前仔细检查原料表面质量，如有折叠、重皮等表面缺陷及时清除；冲孔时内孔最后一次用成型冲头再冲一次，确保内孔毛刺、冲孔重皮等冲干净，保障最后扩孔时不出现折叠。
2、尺寸：适当增加工艺余量；制作中心孔定心卡钳，确保冲头冲孔对正不偏心；齿轮类产品车削前要先划线，确保能够借车出来。
3、探伤：合理选择原材料供应商；合理制定锻造工艺，控制材料的变形比，确保内部锻透。
2016年9月-2017年8月一年的质量问题作为统计依据，不合格汇总如表2：
由上表可以看出，平均控制水平逐期提高，废品量减少。质量波动减小，趋于平稳。这说明我公司在渗碳齿轮钢质量的控制上思路是正确的，措施是得力的。
三、渗碳齿轮钢内在质量问题成因分析
经过大量的解剖分析，逐渐发现影响渗碳齿轮钢的根本问题在于内部夹杂，在齿轮钢工作时会引起疲劳断裂。如图1所示：
从检测结果上看，主要是Al、Si、Ca、Mg类夹杂物导致。
1、氧化物对齿轮钢内在质量的影响
钢包喷吹工艺是利用载气将Si-Ca粉状物质直接吹入钢包中，迅速加快钢水反应的动力学，有利于夹杂物的上浮和排除，可以明显的降低钢中的氧、硫含量和夹杂物的含量，提高钢的综合性能和使用寿命。
钢中夹杂物是一种脆性相，其体积分数fv愈高，韧性愈低，夹杂物的尺寸愈大，韧性下降的愈快。对于解理断裂的韧性而言，夹杂物的尺寸愈细小，夹杂物的间距愈小，则韧性不但不下降，反而提高。因为晶内脆性相如果排列较密，则可缩短位错堆塞距离，使解理断裂不易发生，从而可以提高解理断裂强度，也可阻止断裂伸展，并使断裂尺寸限于颗粒间距而提高解理断裂强度。这些提高韧性的因素也必然是延长寿命的原因。
齿轮钢内在质量的综合标志就是疲劳寿命，材质的优劣对寿命影响最大，钢中氧含量是影响材质的重要因素。钢中氧含量越低，则其纯洁度越高，相对应的额定寿命就越长。
真空脱氧工艺降低了氧含量，仍未起到大幅度提高轴承钢疲劳寿命的作用。虽然真空脱氧工艺降低了氧含量，但在氧化物夹杂量降低以后，多余的硫化物又成为影响钢材疲劳寿命的不利因素。只有同时降低氧化物含量、硫化物含量，才能充分挖掘材质潜力，大幅度提高轴承钢的疲劳寿命。
实验结果表明：喷粉精炼工艺之所以取得比电炉工艺成倍的提高材质的使用寿命，关键在于喷粉工艺通过喷吹装置吹入粉状物质，大大加速反应的动力学，有利于夹物物细化和上浮，提高了材质的纯洁度。
2、硫化物对对齿轮钢内在质量的影响
钢中的硫化物几乎全部以硫化物形态存在。凡钢中的硫含量增高，则钢中的化合硫相应增高，但因硫化物能很好的包围在氧化物的周围，减少了氧化物对疲劳寿命的影响。
硫化物具有较低的熔点，当钢凝固时，就附着在多角形的氧化物夹杂的表面，特别是棱角处，形成氧化物---硫化物共生夹杂物。因此硫含量适当的提高，增加氧化物被硫化物包围的机会，导致共生夹杂数量增多。当热加工时，这种共生夹杂物与基体之间造成一个平滑的内表面，它的应力集中倾向比脆性棱角形氧化物低。同时由于硫化物的膨胀系数大，不易出现拉应力，被硫化物包围的氧化物与基体之间的应力也是很低的。当硫化物-氧化物共生时，即使硫化物夹杂体积比氧化物大或小，基体中的残余应力比起没有同硫化物结合的来说，在程度上有所减轻。残余应力本身是不足以引起疲劳的，但遇到存在的氧化物夹杂，应力就会加强，氧化物被应力所包围，再加上任何外加的应力，使应力强化到某种程度，结果导致产生疲劳裂纹。所以外部应力是破坏的直接原因，而夹杂是内因，这两者的应力场将使材料更加经不住外来的应力。当硫化物与氧化物共生时，则残余应力较低，压应力的作用也小，这将阻碍裂纹的发生，材料也就增强了抵抗外来应力的能力，提高材料的疲劳寿命。
3、加热、锻造对齿轮钢内在质量的影响
加热温度是一个重要的冶金参数。加热不当对产品本身会产生诸多不利因素，比如：脱碳、过热、过烧、加热裂纹、铜脆等缺陷。最终都会导致产品的使用寿命及安全受到严重影响。那么加热设备的选择对此类影响将至关重要，有些炉子是先天不足，炉内温差比较大，会容易导致局部过热或过烧情况，炉子的定期校准显得尤其重要，在正常的冶金生产过程中，精细化操作越来越得到重视，尤其是生产过程的监事和测量设备的准确性显得异常重要，所以在此推荐选择在尽量靠拢AMS2750E6级以上的加热炉进行加热，以确保产品不至于受到加热缺陷的影响。
自由锻造在生产制造中是一个很重要的加工方式，它可以通过变形生产出不同复杂形状的产品类型。锻造的好坏也将会影响着产品的最终使用，锻造过程中会产生各类缺陷，比如：锻造晶粒粗大、晶粒不均匀、锻造裂纹、锻造折叠等，同样也会影响着产品的使用性能。
目前我司采用原材料優先选择炉外精炼的厂家，原材料经过开坯后再投入锻造生产，锻造过程中控制终锻温度及最后一火次的变形量来控制产品内部质量，锻后采用等温正火工艺获得平衡组织及所需要的加工硬度，为产品的最终渗透淬火做准备。
四、结语
通过研究分析，我们总结出最佳生产方案：原材料冶炼采用LF+VD，经过开坯能够焊合钢锭区域的内部大缩孔，控制钢锭利用率可以有效合理利用锭身质量好的部分，从而提高产品的疲劳寿命，加热采用炉温均匀性较好的蓄热式加热炉，有效减少加热缺陷，锻造采用镦拔合理搭配控制最后一火次的变形量，锻后及时冷却，采用等温正火工艺得到平衡态组织和所需硬度，为最终产品渗碳淬火做组织准备。
参考文献
[1] 余永宁.《金属学原理》，2003年版.
[2] 黄希祜.《钢铁冶金原理》，2004年版.
[3] 王忠信.《齐钢技术》，1995年合订本.
[4] 王海川.《国际钢铁研究》，2005年第4期.