連續(xù)式雙排滲碳爐漢德錐齒輪滲碳淬火組織改善分析與對(duì)策

馮凱強(qiáng)，黃正祥，諶天奎，李忠亮

中國一拖齒輪傳動(dòng)公司 河南洛陽 471003

1 生產(chǎn)現(xiàn)狀

漢德錐齒輪是我公司為陜重汽漢德車轎公司（以下簡稱漢德車橋）生產(chǎn)的零件，長期以來熱處理滲碳淬火組織不穩(wěn)定。2019年因理化檢驗(yàn)組織超差，漢德車轎暫停與我公司產(chǎn)品供應(yīng)合作，既造成一定的經(jīng)濟(jì)損失，也嚴(yán)重影響了我公司的聲譽(yù)。

漢德錐齒輪材料為22CrMoH，有效硬化層深為1.4～1.7mm，我公司生產(chǎn)該零件的主要設(shè)備是連續(xù)式雙排滲碳爐，采取滲碳后直接淬火工藝，一旦出現(xiàn)質(zhì)量問題，就可能導(dǎo)致產(chǎn)品批量不合格品，給生產(chǎn)經(jīng)營帶來巨大損失。

圖1為連續(xù)式雙排滲碳爐生產(chǎn)線布局，由電算機(jī)自動(dòng)控制各項(xiàng)參數(shù)，一區(qū)溫度設(shè)定為900℃，二、三區(qū)溫度設(shè)定為920℃，四區(qū)溫度設(shè)定為870℃，五區(qū)溫度設(shè)定為820℃，工藝溫度曲線如圖2所示。

圖1 連續(xù)式雙排滲碳爐布局

圖2 工藝溫度曲線

針對(duì)漢德錐齒輪出現(xiàn)的心部硬度低、表面馬氏體及殘留奧氏體組織級(jí)別高、心部鐵素體級(jí)別高的問題，從以下幾方面入手進(jìn)行分析試驗(yàn)。

2 豐東爐設(shè)計(jì)試驗(yàn)

除連續(xù)式雙排滲碳爐外，我公司還有箱式滲碳線2條，分別是豐東爐211線（以下簡稱豐東爐）、易普森331線?？紤]到試驗(yàn)成本、柔性靈活等特點(diǎn)，先在豐東爐進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)試。

因?yàn)闈h德錐齒輪有主動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪，結(jié)構(gòu)和重量均相差很大，所以熱處理工藝制定上考慮區(qū)別對(duì)待，主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪主要工藝參數(shù)分別見表1、表2。

表1 主動(dòng)齒輪工藝參數(shù)

表2 從動(dòng)齒輪工藝參數(shù)

滲碳淬火、回火后，進(jìn)行理化檢驗(yàn)。結(jié)果：馬氏體組織4級(jí)、殘留奧氏體組織4級(jí)、鐵素體組織2級(jí)、心部硬度35～42HRC，完全滿足工藝要求[1]。

結(jié)論：豐東爐取得較好的效果，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)為必須控制好最終淬火溫度及最終碳勢(shì)。

3 雙排連續(xù)滲碳線設(shè)計(jì)試驗(yàn)

由于豐東多用爐產(chǎn)能有限，每天只能生產(chǎn)從動(dòng)齒輪70件或主動(dòng)齒輪40件，無法滿足客戶需求。因此綜合成本、交貨期等因素考慮，必須采用雙排連續(xù)滲碳線（以下簡稱雙排爐）能夠生產(chǎn)漢德錐齒輪。

我們?cè)O(shè)想將豐東爐工藝曲線完全復(fù)制到雙排連續(xù)滲碳爐，理論上就能夠保證組織合格。但由于爐型不同，設(shè)備結(jié)構(gòu)多處不能滿足復(fù)制工藝要求，淬火油老化問題也是一個(gè)重要的影響因素。針對(duì)上述問題，采取如下對(duì)策：

（1）設(shè)備改善方面 通過對(duì)雙排連續(xù)滲碳爐前后排氣孔的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了能夠手動(dòng)控制前后排氣孔排氣的大小，保證能夠及時(shí)、靈活地控制前后排氣孔的排氣量，控制爐壓。

（2）工藝流量方面 在五區(qū)增加一個(gè)空氣進(jìn)入通道，加大了五區(qū)空氣流量（仍然能夠自動(dòng)控制），確保最終碳勢(shì)能降到設(shè)定值。

（3）淬火冷卻介質(zhì)方面 調(diào)整了淬火池中快速淬火油的冷卻性能，使其基本達(dá)到了快速淬火油的標(biāo)準(zhǔn)，通過六輪試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了雙排連續(xù)滲碳爐生產(chǎn)漢德齒輪，工藝參數(shù)見表3。

表3 主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪工藝參數(shù)

滲碳淬火、回火后，進(jìn)行理化檢驗(yàn)。結(jié)果：馬氏體組織4級(jí)、殘留奧氏體組織4級(jí)、鐵素體組織2級(jí)、心部硬度35～42HRC，完全滿足工藝要求。

結(jié)論：雙排連續(xù)滲碳爐通過工藝優(yōu)化和設(shè)備改進(jìn)等手段，取得了良好效果。

需說明的是，這個(gè)優(yōu)化工藝參數(shù)只適應(yīng)于我公司目前的雙排連續(xù)滲碳爐，如果爐體結(jié)構(gòu)和料盤分布有較大變化，則要重新試驗(yàn)確定相關(guān)工藝參數(shù)。

4 雙排連續(xù)滲碳生產(chǎn)線工藝優(yōu)化分析

經(jīng)過近半年的跟蹤調(diào)試，期間出現(xiàn)了一些情況值得總結(jié)，以便于工程技術(shù)人員和車間管理人員以后少走彎路，讓更多的技術(shù)人員和操作工懂得工藝、設(shè)備及生產(chǎn)管理之間的因果聯(lián)系。

4.1 V區(qū)溫度（淬火溫度）的影響

1）使用豐東爐生產(chǎn)時(shí)，主動(dòng)齒輪采用805℃淬火，從動(dòng)齒輪使用810℃淬火，原因是主動(dòng)齒輪總體尺寸大，蓄熱能力強(qiáng)，入油溫度高，容易造成殘留奧氏體組織超差[2]。目前，從中間門開起到淬火入油間隔時(shí)間為25s左右，這個(gè)參數(shù)也很關(guān)鍵，以后隨著機(jī)械老化，這個(gè)時(shí)間也許會(huì)變化，應(yīng)及時(shí)調(diào)整，需要定期檢測。

2）在雙排連續(xù)滲碳爐V 區(qū)采用淬火溫度820℃，原因是雙排連續(xù)滲碳爐從后橫導(dǎo)軌向快速淬火油槽運(yùn)動(dòng)時(shí)間長，約65s，比豐東爐多40s，在運(yùn)行過程中溫度會(huì)下降，尤其對(duì)表面及次表面影響甚大。溫度過高時(shí)會(huì)造成零件淬火馬氏體及殘留奧氏體級(jí)別超差，但是低于820℃會(huì)使零件表面產(chǎn)生鐵素體，這個(gè)溫度參數(shù)與零件大小、試塊放置位置關(guān)系很大，會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生很大影響。

V區(qū)溫度分別為815℃、820℃的兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)見表4～表7。

表4 第一組主動(dòng)齒輪化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

零件齒朝上時(shí)，用工字梁支撐零件，十字交叉裝4件，如圖3所示；零件齒朝下時(shí)，零件直接反向平放到料盤，如圖4所示。

從材料成分上看，差異較小。主動(dòng)齒輪剖切零件從距表面2.5mm處開始出現(xiàn)鐵素體，越往心部越少，至心部為鐵素體2級(jí)，而試塊沒有出現(xiàn)鐵素體是因?yàn)樵噳K齒部反扣，接觸下層零件，表面溫度降低不如零件降得多，所以均沒有在次表面出現(xiàn)鐵素體。

表5 第一組主動(dòng)齒輪815℃淬火結(jié)果

表6 第二組主動(dòng)齒輪化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表7 第二組主動(dòng)齒輪820℃淬火結(jié)果

圖3 零件齒朝上

圖4 零件齒朝下

不同位置500倍金相組織如圖5～圖7所示。

圖5 距表面2.5mm處鐵素體2級(jí)

圖6 距表面6mm處鐵素體5級(jí)

圖7 心部鐵素體2級(jí)

4.2 IV區(qū)溫度設(shè)置的影響

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，我公司針對(duì)不同滲碳鋼材料，IV區(qū)滲碳溫度設(shè)置為880℃或900℃， V區(qū)淬火溫度一般設(shè)定原則：20CrMnTi材料為830℃，22CrMoH材料為820℃[3]。

實(shí)際上，由于雙排連續(xù)滲碳爐爐體是貫通的，零件是周期性運(yùn)轉(zhuǎn)，極有可能出現(xiàn)的情況是盡管V區(qū)已顯示820℃，但零件實(shí)際溫度仍然較高，造成殘留奧氏體組織超差，這種情況對(duì)溫差小、周期短的零件影響尤為明顯[4]。

結(jié)論：目前，IV區(qū)滲碳溫度使用870℃，而前期使用滲碳溫度900℃時(shí)，生產(chǎn)零件馬氏體和殘留奧氏體級(jí)別超差，因此900℃滲碳不可行，但這個(gè)結(jié)論只適合漢德錐齒輪。

5 結(jié)束語

精心策劃的漢德錐齒輪滲碳淬火工藝試驗(yàn)，經(jīng)過反復(fù)在生產(chǎn)中進(jìn)行驗(yàn)證，取得了良好效果。對(duì)于漢德錐齒輪滲碳淬火組織不合格，要從淬火階段找到關(guān)鍵問題所在，通過精準(zhǔn)管控各項(xiàng)工藝參數(shù)，達(dá)到了改善零件滲碳淬火組織的目的，后續(xù)需加強(qiáng)生產(chǎn)和工藝過程管理，確保產(chǎn)品質(zhì)量。