山东中科普锐检测技术有限公司

差速器锥齿轮（通常称为行星半轴齿轮）因承受交变载荷，要求具有良好的耐磨损性能，可通过对齿面、内孔及安装面进行减摩磷化（又称为抗磨磷化，以下简称“磷化”）处理获得。

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减摩用磷酸盐转化膜作用在于改进表面摩擦性能，以促进其滑动，一般优先选用锰系磷化膜，齿轮经过减摩磷化处理后具有降低摩擦因数，提高胶合负荷的作用，因磷化膜多孔存储润滑油的特性，浸油后具有更好的润滑效果，见表1及图1。在减摩、润滑方面，锰系磷化膜相对锌系磷化膜具有较好的热稳定性，较高的硬度和较强的抗打磨能力。另外，锰系磷化膜在降低噪声方面有很大优点，因此用于减摩、耐磨、润滑的场合主要采用锰系磷化膜。

一、原材料及典型零件工艺流程分析

1. 行星半轴齿轮原材料

采用磷化的行星半轴齿轮原材料优先采用保证淬透性合金结构钢，并符合GB/T 5216—2014保证淬透性结构钢的规定，常见钢种见表2。

表2 差速器锥齿轮磷化常用钢材国内外牌号对照表

行星半轴齿轮按是否磷化分为以下四种组合情况，见表3。

表3 行星半轴齿轮磷化应用组合

2.行星及半轴齿轮典型工艺

行星及半轴齿轮磷化对比照片见表4。

（1）行星齿轮滚压后磷化件典型工艺

备料→下料→倒角→磷皂化→冷挤压成形→热前机加工→滚压内孔及球面→渗碳淬火回火（碳氮共渗）→抛丸（喷丸）→磷化→检验→浸防锈油（浸防锈水）→包装。

（2）行星齿轮硬车后磷化件典型工艺

备料→下料→倒角→温锻成形→退火（正火）→磷皂化（表面润滑处理）→冷挤压精整成形→热前机加工→渗碳淬火回火（碳氮共渗）→抛丸（喷丸）→硬车内孔及球面→磷化→硬度计检验（里氏硬度计或者维氏硬度计）→浸防锈油（浸防锈水）→包装。

（3）半轴齿轮滚压后磷化典型工艺

备料→下料→倒角→磷皂化→蘑菇头预成形→退火→磷皂化（表面润滑处理）→冷挤压成形→热前机加工→滚压球面→拉花键→渗碳淬火回火（碳氮共渗回火）→抛丸（喷丸）→磷化→硬度计检验（里氏硬度计或者维氏硬度计）→浸防锈油（浸防锈水）→包装。

（4）半轴齿轮硬车后磷化典型工艺

备料→下料→倒角→温锻成形→退火（正火）→磷皂化（表面润滑处理）→冷挤压精整成形→热前机加工→拉花键→渗碳淬火回火（碳氮共渗回火）→抛丸（喷丸）→硬车端面外圆→磷化→硬度计检验（里氏硬度计或者维氏硬度计）→浸防锈油（浸防锈水）→包装。

备注：锻造成形方案与硬车滚压工序无对应关系，以上仅为示例。

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二、磷化方案的选择

减磨磷化线通常采用挂钩式工装（见图2），常规工艺流程为：脱脂→水洗→水洗→酸洗→水洗→水洗→表调→磷化→水洗→水洗→烘干。常用的是高温锰系磷化，也有部分行星半轴齿轮采用中温锰系磷化及锌锰系磷化，主要区别是磷化液、表调剂以及磷化槽加热温度不同。

三、磷化检验项目

磷化后的零件，常规检验项目主要包括磷化膜外观、磷化膜厚度、磷化膜硬度（纳米硬度计，超声波硬度计）度磷化前或磷化后装配尺寸。根据客户需要可增加磷化膜膜重、磷化后粗糙度、磷化后晶粒大小及形状、磷化膜成分分析、磷化膜蚀坑等指标。

1.磷化膜外观

磷化膜外观通常采用目测法，零件经锰系磷化后其外观为连续均匀和细密的晶体结构，并完全覆盖零件表面，颜色呈灰色到黑色，磷化后工件不允许存在严重挂灰，允许表面存在轻微的水迹、擦白及挂灰现象，由于局部热处理及表面加工状态的不同造成颜色差异和结晶不均匀不能成为拒收的理由，检测时每批（次）可参照封样件对比确认。

针对磷化后工件检验磷化膜颜色时靠目测检验准确性不高，合格判定缺乏客观性的问题，可采用颜色检测仪器对磷化膜进行客观性判定及验证不同磷化工艺方案对应磷化颜色的变化。颜色检测仪器是指用来检测产品颜色偏差的仪器，分为用肉眼直接去分辨的检测仪器和用电脑去测量的检测仪器两大类。颜色检测仪器的两大类中，用肉眼直接去分辨颜色的称为标准光源对色灯箱，另一类颜色检测仪器叫做电脑色差仪，就是用电脑测量和处理的方法，自动显示颜色偏差的数据，如△E、△Lab等数值。标准光源就是为了统一照明灯光，不会因为环境的改变而影响人眼判断颜色偏差的效果。电脑色差仪分为手持式色差计、便携式色差仪和台式电脑色差仪。主要国际品牌有山东中科普锐、美国爱色丽和DataColor等。电脑色差仪能精密测量出两种物品的颜色偏差，而且是一个客观的数据，常用于颜色管理要求较高的行业领域，其价格相对偏贵。与颜色检测仪器相关的行业是色卡，它是一种国际通用的颜色语言，不用确认实物样板，直接报出某种色卡的号码，就知道这种颜色的标准（见图4）。

磷酸锰覆层为暗灰色，磷酸锌覆层为浅灰到暗灰色，碳钢、低合金钢磷化膜为灰黑至黑色，经喷砂再进行磷化处理时，磷化膜为灰黑色，含铬合金钢磷化膜层为灰褐色。采用柯尼卡CM-700d分光测色计（见图4）对部分样品及切割后的磷化工件进行现场实际验证，测量口径选用3mm，测量时先用理想黑进行零校正（对应数值为0），再用理想白进行白板校正（对应数值为100）使用L*a*B色空间进行差值辨别。白色与黑色之间可分为白色、浅灰、中灰、暗灰、深灰、黑色等。实测样件数据L如表5所示。

表5 不同状态工件L值对比

汽车内饰、外饰及粉末涂料普遍采用分光测色计进行检测，通过规定颜色综合公差值的误差来控制质量。从检测结果来看，用分光测色计可以准确的判定磷化件的颜色公差，并可以用标准件作为基准限制公差来进行检验。磷化后工件建议以40作为上限界定，或者直接以Q235钢板作为检测基准较为合理。对于球面及平面凸起区域大于3mm的均可直接测量，对于齿面则需切割后方可进行检测。

2.磷化膜厚度及膜重

对于工艺监控及验收，允许采用有充分的非破坏性测量方法，磷化膜厚度推荐磁感应测量程序，磁性测厚仪用于测量磁性金属基体的非磁性覆盖层的厚度，利用的是磁场的原理，利用电磁测厚仪可直接测得磷化膜的厚度，常用的是涂镀层测厚仪（见图5、图6），图6为测平面用测头，测量内孔及齿面时需采用图5探针结构。测量前统一按仪器校准规范用平板样块校正零位，在磷化前预先测定被处理齿轮的厚度，磷化后在齿轮的相同部位再次测定被处理工件的厚度，两次测得的厚度的差值，即为磷化层的厚度，根据不同品种，磷化前先用涂镀层测厚仪测量1件当批磷化前工件，等分测量基准位置中部三个点，并计算平均值M1，磷化后工件抽检时，等分测量基准位置中部三个点，并计算平均值M2，检验抽检三件，对应的工件磷化膜厚度为M2-M1，更换不同品种时需重复上述过程。不同品种磷化层测量基准不同，行星齿轮建议以内孔作为检测基准，带球面半轴齿轮建议以球面作为检测基准，带端面外圆半轴齿轮建议以外圆作为检测基准。表6为磷化前后半径变化（量具测量）与测厚仪测量结果对比。根据需要也可采用GB/T  6462《金属的氧化覆盖层横断面厚度显微镜测量法》进行破坏性测量，若需要可以约定测量点，对金相横截面进行放大500×的光学检测。

单位膜层的表面质量需破坯性测量，采用退膜法测量，可按GB/T  9792《金属材料上的转化膜单位面积上膜层质量的测定》标准规定的相应方法进行检测。磷化膜厚度一般为2~10μm，具有较大的动配合间隙磷化膜质量一般为5~20g/m^2[2]。表7为磷化膜厚度与膜重对比。

表6  A行星齿轮磷化后内孔直径与膜厚测量值对比

表7  B行星齿轮磷化膜厚度与膜重对比

3.齿轮磷化后几何尺寸及粗糙度

对于磷化的工件，图纸一般规定注明：所有尺寸、形位公差、表面粗糙度均在磷化前检验，根据需要可对部分行星齿轮增加磷化后内孔检验、内孔及球面粗糙度检验，半轴齿轮增加外圆尺寸检验、定位面粗糙度检验，对于要求在磷化后保证图纸上所标注的尺寸，应在尺寸后面加注“磷化后”字样。内孔尺寸用光滑极限量规检验，粗糙度用轮廓仪或粗糙度测量仪检验。磷化后粗糙度相对磷化前会变大，表8为磷化前后粗糙度对比。

表8  C行星齿轮磷化前后粗糙度对比（μm）

4.磷化膜微观组织检验

磷化膜层结晶形状、尺寸大小及排布，可将磷化膜放大100～4000倍进行观察，其结晶形状以柱状晶为好，结晶尺寸越小越好，排布应均匀一致，孔隙率越小越好。典型测量仪器为扫描电子显微镜（见图7）。

（1）磷化膜金相照片

中温及高温磷酸锰膜呈多面块状结晶、方向无序，纵横交错、孔隙多、膜重，典型金相照片如图10及图11所示，中温磷酸锌锰膜截面组织呈网形块状结构，晶体纵横交错，酸洗后未表调中温磷酸锌锰膜块晶和枝晶粗大且松散。

（2）磷化膜晶粒尺寸及平均晶粒度

磷化膜晶粒尺寸用扫描电子显微镜或光学显微镜测量，磷化膜的晶粒基本为圆形，晶粒尺寸分布均匀，呈正态分布，图12直径为8.2μm，直径2.23μm，平均晶粒度为5.07μm。

（3）磷化膜成分分析

磷化膜的成分用能谱仪进行分析（见图8）磷化膜的能谱分析结果如图13所示，表明该磷化膜的主要组成元素为O、Mn、P和Fe。量化分析各元素所占百分比结果如表9所示。

磷化膜X射线衍射仪见图9，磷化膜X射线衍射表明该磷化膜的主要物相组成为：磷酸锰和磷酸铁。

（4）磷化膜蚀坑要求

酸洗蚀坑检测应沿测量基准面方向长度应达到20mm，单个的酸洗坑是允许的，酸洗蚀坑的厚度一般不超过30μm，去除磷化层后，基材上必须可见均匀的酸洗侵蚀，磷化层良好地附着于基材上，酸洗侵蚀不能是点蚀的形式，磷化膜酸洗蚀坑如图14所示。  

四、结语

本文主要介绍差速器锥齿轮减摩磷化的应用及检验方析，对于汽车行业及其它行业减磨磷化零件也有参考作用，随着新技术新工艺的不断涌现，未来磷化技术的应用前景会更加广泛。

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