重型載貨汽車齒輪深層滲碳處理的工藝控制

■ 金林奎，鄧永玖，趙建國(guó)，王春亮

重型載貨汽車后橋主從動(dòng)弧齒錐齒輪對(duì)熱處理內(nèi)在質(zhì)量，以及外形尺寸精度要求越來(lái)越高。特別是齒輪外表面的平面度和接觸區(qū)，要求從動(dòng)齒平面度變形不大于0.05mm，主從動(dòng)齒接觸區(qū)位移不超過(guò)2.00mm。

我公司長(zhǎng)期以生產(chǎn)中型汽車驅(qū)動(dòng)軸行星半軸齒輪為主，同時(shí)也生產(chǎn)小模數(shù)輕型汽車弧齒錐齒輪，其滲層深度較淺。重型載貨汽車弧齒錐齒輪的深滲層產(chǎn)品，相對(duì)于輕型汽車齒輪來(lái)說(shuō)生產(chǎn)量要少一些。要實(shí)行產(chǎn)品更新?lián)Q代，使重型載貨汽車弧齒錐齒輪成為公司的主導(dǎo)產(chǎn)品，對(duì)于熱處理生產(chǎn)加工工藝，必須能夠滿足重型載貨汽車齒輪的內(nèi)在質(zhì)量和外形尺寸精度要求。

1. 工藝概述

（1）重型載貨汽車用弧齒錐齒輪輪齒表面滲碳周期長(zhǎng)，熱處理質(zhì)量要求較為嚴(yán)格。因此，必須嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)QC/T262—1999要求檢測(cè)。檢測(cè)項(xiàng)目包括有效硬化層深度，齒角碳化物級(jí)別，節(jié)圓及齒根處次表層的馬氏體和殘留奧氏體級(jí)別，齒廓外緣表層非馬氏體層深度，以及表面、心部硬度測(cè)量（見(jiàn)表1）。

（2）深層滲碳的齒輪產(chǎn)品，熱處理滲碳淬回火的設(shè)備，采用第一汽車制造廠生產(chǎn)的雙排滲碳處理連續(xù)爐生產(chǎn)線進(jìn)行加工。雙排爐的熱處理加工工序，共有脫脂、透燒、高溫均熱、滲碳、擴(kuò)散、低溫均熱、淬火、清洗、回火等9道，每道工序的料盤(pán)都有各自不同的數(shù)量，整個(gè)生產(chǎn)線共使用52個(gè)料盤(pán)（見(jiàn)表2），以保證熱處理產(chǎn)品表面滲碳處理的質(zhì)量要求。

2. 工藝分析

（1）要想增加齒輪的有效硬化層深度，在提高滲碳加熱溫度的前提下，可以加快滲碳介質(zhì)的分解，加大碳原子在奧氏體中的溶解度，提高碳原子擴(kuò)散的速度，快速增加滲層深度。但高溫滲碳對(duì)深層滲碳處理不宜采用，因?yàn)辇X輪工件長(zhǎng)時(shí)間滯留在高溫區(qū)，使組織晶粒急劇長(zhǎng)大，嚴(yán)重降低齒輪產(chǎn)品的強(qiáng)度和韌性。同時(shí)粗大的組織帶來(lái)淬火變形量加大，而且淬火的組織應(yīng)力使工件開(kāi)裂傾向增大。同時(shí)滲碳處理的加熱溫度越高，將會(huì)顯著縮短加熱元件的使用壽命，綜合經(jīng)濟(jì)效益很不理想。經(jīng)過(guò)分析論證，將滲碳處理的高溫區(qū)（高溫均熱、強(qiáng)滲、擴(kuò)散）溫度，控制在880～900℃較為合適。

表1 重型載重汽車用弧齒錐齒輪檢測(cè)項(xiàng)目

表2 滲碳處理連續(xù)爐生產(chǎn)線加工工序

（2）脫脂溫度的確定，殘留在工件表面的油脂類污垢，一般在500℃左右基本能夠清除干凈。脫脂過(guò)程還有一個(gè)防氧化的作用，脫脂過(guò)程實(shí)際上也是一個(gè)預(yù)氧化的過(guò)程，該溫度范圍內(nèi)，齒輪工件表面形成薄層的Fe3O4鈍化膜，能夠顯著降低齒輪產(chǎn)品高溫氧化脫碳的傾向，減少輪齒表面的非馬氏體組織的形成。

（3）透燒過(guò)程是為下道工序的高溫均熱做準(zhǔn)備，從脫脂溫度直接升溫到較高的滲碳溫度，工件的內(nèi)外溫差較大，形成較大的熱應(yīng)力，因此變形和開(kāi)裂傾向較大。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，將透燒溫度調(diào)整到800℃時(shí)，可以降低加熱過(guò)程中的熱應(yīng)力，既減小工件輪齒的變形，又能為高溫均熱做好充分準(zhǔn)備。

圖1 低溫淬火心部組織（400×）

（4）滲碳后淬火溫度的高低，直接影響到材料的組織和硬度性能。過(guò)低的淬火溫度會(huì)出現(xiàn)大量鐵素體，輪齒心部硬度不能滿足圖樣要求（見(jiàn)圖1）。要使組織轉(zhuǎn)變完全，心部硬度提高，就要提高淬火溫度。但提高淬火溫度，又會(huì)帶來(lái)淬火組織應(yīng)力的增大，這就要求淬火溫度不能太高，在冷卻過(guò)程中盡量減少組織應(yīng)力，使變形和開(kāi)裂傾向降到最低。將淬火溫度定在810℃，淬火油溫度保持在60℃左右，既保證了工件輪齒部位的淬透性，又降低了淬火組織應(yīng)力，減小了工件變形量和開(kāi)裂的傾向（見(jiàn)圖2）。

（5）我們使用雙排爐連續(xù)滲碳淬回火生產(chǎn)線，工件表面滲層的控制，取決于爐內(nèi)推桿送料的周期，碳勢(shì)擴(kuò)散的溫度以及滲碳劑的流量。這些參數(shù)對(duì)整個(gè)熱處理滲碳過(guò)程都起到重要的作用。雙排連續(xù)滲碳生產(chǎn)線，每個(gè)程序動(dòng)作完成至少需要18min，只要零件推桿送料的周期不少于20min就可以控制。對(duì)于重型載貨汽車深層滲碳的齒輪，推桿送料周期大于20min。實(shí)際周期確定的時(shí)間，根據(jù)確保齒輪工件表面的滲層而定。滲碳加熱溫度及滲碳劑消耗量一定時(shí)，滲碳擴(kuò)散時(shí)間的長(zhǎng)短，會(huì)影響滲層的深度以及滲入碳原子的濃度，從而影響輪齒表面有效硬化層的梯度（見(jiàn)圖3、圖4）。

（6）滲碳劑的選擇及碳勢(shì)的控制，在雙排連續(xù)爐滲碳時(shí)，我們選用丙酮（CH3COCH3）做滲碳劑，甲醇（CH3OH）做稀釋劑。因?yàn)楸奶籍?dāng)量高，活性能力強(qiáng)，裂解后產(chǎn)氣量大，爐內(nèi)的碳勢(shì)相對(duì)較高，而且在熱處理過(guò)程中不容易形成積炭，化學(xué)成分比較穩(wěn)定，夾雜物含量少，從而保證了熱處理滲碳過(guò)程的穩(wěn)定性。所謂碳勢(shì)，就是指一定溫度下，爐內(nèi)氣氛與工件之間碳原子交換，達(dá)到平衡時(shí)工件表面附近的相對(duì)含碳量。當(dāng)爐內(nèi)氣氛的碳勢(shì)高于工件表層碳含量，就發(fā)生滲碳反應(yīng)。通過(guò)向爐內(nèi)加入丙酮及甲醇進(jìn)行滲碳，丙酮汽化裂解后形成滲碳?xì)夥铡Ｒ哉{(diào)整丙酮流量來(lái)控制碳勢(shì)，同時(shí)設(shè)定合理的碳勢(shì)控制參數(shù)，采用碳控儀對(duì)爐內(nèi)各區(qū)碳勢(shì)值進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)視、測(cè)量和調(diào)整。

（7）選用淬火冷卻介質(zhì)時(shí)，應(yīng)盡量考慮在高溫區(qū)冷卻速度大，而在低溫區(qū)冷卻速度小。為了盡量減少以熱應(yīng)力為主引起的變形，在保證工件達(dá)到表面硬度和心部硬度的前提下，應(yīng)盡量采用在高溫區(qū)冷卻能力低，而在低溫區(qū)有較高冷卻速度的淬火冷卻介質(zhì)。為了使淬火后每個(gè)輪齒部位盡可能均勻冷卻，淬火油應(yīng)有較好的流動(dòng)性。選擇熱油能夠增大淬火冷卻介質(zhì)的流動(dòng)性，又能縮小與工件的溫差。因此熱油淬火加空冷的分級(jí)淬火處理，更有利于減少齒輪工件的變形量。

圖2 正常淬火心部組織（400×）

圖3 有效硬化層曲線平緩 圖4 有效硬化層曲線較陡

（8）重型載貨汽車齒輪的全部滲碳熱處理過(guò)程，分為：中溫透燒區(qū)、高溫均熱區(qū)、強(qiáng)碳區(qū)、擴(kuò)散區(qū)、低溫均熱區(qū)、預(yù)冷淬火區(qū)。每個(gè)區(qū)域的碳勢(shì)控制不佳時(shí)，都會(huì)影響滲碳速度，使輪齒表面發(fā)生貧碳。另外，輪齒表面碳濃度過(guò)高，易形成網(wǎng)狀碳化物以及粗大針狀馬氏體等缺陷組織，增加材料組織的脆性，同時(shí)對(duì)有效硬化層梯度產(chǎn)生影響。

3. 工藝確定

為保證重型載貨汽車齒輪深層滲碳熱處理產(chǎn)品的質(zhì)量和尺寸精度，對(duì)雙排爐滲碳工藝多次調(diào)整。在結(jié)合金相組織檢驗(yàn)、性能試驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，確定深滲層滲碳熱處理最佳工藝（見(jiàn)圖5、表3）。該深滲層滲碳工藝與常規(guī)滲碳工藝比較見(jiàn)表4）。

圖5 深滲層滲碳工藝曲線

圖6 齒角部位金相組織（400×）

圖7 齒角部位金相組織（400×）

圖8 節(jié)圓部位金相組織（400×）

圖9 節(jié)圓部位金相組織（400×）

表3 深滲層滲碳工藝各工序參數(shù)

表4 深層滲碳工藝與常規(guī)滲碳工藝對(duì)比