齒輪快速滲碳工藝模式研究

張猛，肖捷

陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司 陜西西安 710077

1 序言

滲碳熱處理是利用化學(xué)反應(yīng)，有時(shí)兼用物理方法改變鋼件表層化學(xué)成分及組織結(jié)構(gòu)，以便得到比均質(zhì)材料更好的金屬熱處理工藝[1]。重型貨車變速器中常用的齒輪和軸類零件需經(jīng)過(guò)鍛造、正火、機(jī)加工后，再進(jìn)行滲碳淬火和回火等加工工藝。零件表層為硬度較高的滲碳層，心部為具有良好綜合力學(xué)性能的組織，這些組織以及淬火后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力對(duì)軸和齒輪的力學(xué)性能有著決定性的作用[2]。目前，滲碳淬火在我公司應(yīng)用普遍，也是較為成熟的一種熱處理工藝。由于機(jī)械零件的失效和破壞，大多發(fā)生在零件表層，因此特別在可能引起磨損、疲勞、腐蝕等條件下，提高工作零件表面層的性能顯得尤其重要。

2 理論架構(gòu)

2.1 傳統(tǒng)滲碳工藝

目前，參考相關(guān)熱處理手冊(cè)，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)采用的熱處理工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 常用滲碳材料臨界溫度與熱處理工藝參數(shù)[3] (℃)

以20CrMnTi材料為例，硬化層深要求為CZ2（0.84～1.34mm）的齒輪零件，滲碳工藝在可控式氣氛滲碳爐內(nèi)的滲碳溫度為925℃，碳勢(shì)為1.25%。圖1所示為傳統(tǒng)滲碳工藝控制曲線，一般為零件入爐后開(kāi)始升溫約3h，溫度達(dá)到925～930℃目標(biāo)值后快速升高碳勢(shì)，20min后碳勢(shì)達(dá)到1.25%，零件至此進(jìn)入快速滲碳階段。經(jīng)過(guò)4～5h快速滲碳后，程序控制逐步降低溫度至830℃，碳勢(shì)至0.9%，降溫3～4h，而后完成淬火及出爐，整個(gè)工藝過(guò)程結(jié)束，生產(chǎn)周期為10～12h。

圖1 傳統(tǒng)滲碳工藝控制曲線

2.2 齒輪滲碳金屬學(xué)原理探索

（1）典型金屬晶體結(jié)構(gòu) 金屬晶體的結(jié)合鍵是金屬鍵，由于金屬鍵沒(méi)有方向性和飽和性，因此使多數(shù)金屬晶體都具有排列緊密、對(duì)稱性高的簡(jiǎn)單晶體結(jié)構(gòu)。最常見(jiàn)的典型金屬通常具有面心立方、體心立方和密排六方三種晶體結(jié)構(gòu)[4]，如圖2所示。

圖2 三種晶體結(jié)構(gòu)

（2）滲碳時(shí)晶格類型的轉(zhuǎn)變 零件在升溫至一定溫度發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，晶格由α-Fe（體心立方）變?yōu)棣?Fe（面心立方），滲碳時(shí)碳存在于鐵原子的八面體間隙中。α-Fe、γ-Fe和碳的原子半徑分別為0.125nm、0.129nm和0.077nm。α-Fe的八面體間隙半徑r=0.019nm，γ-Fe的八面體間隙半徑r=0.053nm，可見(jiàn)碳原子半徑是γ-Fe間隙半徑的1.45倍，是α-Fe間隙半徑的4倍左右[5]，碳原子在γ-Fe中的溶解度更大，因此滲碳熱處理一般在材料完全奧氏體化的前提下進(jìn)行。

2.3 快速滲碳工藝方案建立

根據(jù)金屬材料熱處理理論研究得出，可用于滲碳處理的低碳合金鋼（以20CrMnTi材料為例）在升溫至Ac1（約740℃，奧氏體化初始溫度）以上并繼續(xù)加熱，便滿足發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變的條件，隨著溫度繼續(xù)升溫至Ac3（約825℃，奧氏體化終了溫度），隨著剩余滲碳體溶解達(dá)到奧氏體均勻化，具有面心立方晶格類型的奧氏體具有較大的八面體間隙半徑，便滿足了零件表面滲碳的初步條件；升溫至Ac3以上30～50℃，即達(dá)到本工藝方案所涉及的齒輪表面“預(yù)滲碳”的初始溫度，隨著溫度繼續(xù)升高，碳在奧氏體中的擴(kuò)散系數(shù)增加，最終升溫至925℃，達(dá)到高溫快速滲碳的恒溫溫度，也是“預(yù)滲碳”的終了溫度。整個(gè)過(guò)程持續(xù)1.3～1.6h，完全結(jié)合在零件升溫過(guò)程中，旨在通過(guò)升溫階段獲得一定化學(xué)層深來(lái)縮短高溫滲碳階段的工藝時(shí)間，從而達(dá)到提高生產(chǎn)效率的目的。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 工藝調(diào)整

根據(jù)炭黑極限（見(jiàn)圖3），合理調(diào)整升溫階段（主要為870～925℃階段），碳勢(shì)曲線如圖4所示。圖4中，藍(lán)線是改進(jìn)前碳勢(shì)設(shè)定曲線，綠線是改進(jìn)后碳勢(shì)設(shè)定曲線，紅線為爐膛溫度變化曲線。在870℃溫度條件下，20CrMnTi材料零件已經(jīng)滿足滲碳的條件，此時(shí)開(kāi)啟的“預(yù)滲碳”過(guò)程能夠有效提高零件表面碳含量，達(dá)到滲碳處理的工藝要求。

圖3 溫度-炭黑極限

圖4 溫度-碳勢(shì)曲線示意

3.2 預(yù)滲碳效果驗(yàn)證

為驗(yàn)證“預(yù)滲碳”工藝效果，開(kāi)展了三輪工藝對(duì)比驗(yàn)證。

1）試驗(yàn)件隨爐升溫達(dá)到925℃后，立即將試驗(yàn)件放置于淬火臺(tái)上，并在安全氮?dú)獗Ｗo(hù)下冷卻90s（試驗(yàn)件降溫至淬火溫度）后淬火，檢測(cè)半齒高處硬化層深。

2）待試驗(yàn)件隨爐升溫達(dá)到925℃后，立即降溫，使零件隨爐冷卻，檢測(cè)化學(xué)層深。

檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2、表3，零件能夠在“預(yù)滲碳”工藝中獲得約0.40mm的硬化層深或0.55mm的化學(xué)滲碳層深度，效果明顯，而且預(yù)滲碳階段能夠達(dá)到的層深已經(jīng)接近CZ1要求的下限，因此該工藝模式對(duì)于硬化層深要求較薄、強(qiáng)滲周期較短的零件改善效果更加突出，效率提升非常明顯。

表2 20CrMnTi鋼試件硬化層深檢測(cè)結(jié)果

表3 化學(xué)層深檢驗(yàn)結(jié)果 （mm）

化學(xué)層深金相檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖5 化學(xué)層深金相檢測(cè)結(jié)果

3.3 生產(chǎn)效率前后對(duì)比

20CrMnTi材料CZ2齒輪在Aichelin多用爐執(zhí)行FOCOS 8#程序，連續(xù)抽樣對(duì)比工藝改進(jìn)前后各30爐次生產(chǎn)總時(shí)間的數(shù)據(jù)變化（見(jiàn)圖6）。新工藝方案的介入，使得生產(chǎn)周期縮短接近50min，降幅超過(guò)8%，改進(jìn)效果十分明顯。

圖6 FOCOS 8#程序工藝周期改進(jìn)前后對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

由于“預(yù)滲碳”工藝過(guò)程匹配在零件升溫的過(guò)程中，所以提供給零件表面一定滲碳層深度的同時(shí)，能夠縮短傳統(tǒng)熱處理工藝中高溫保溫升碳勢(shì)和高溫滲碳的時(shí)間，平均高溫保溫時(shí)間減少15%～20%，生產(chǎn)效率提高6.0%～8.0%，并且節(jié)約大量的電耗和機(jī)輔料，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

通過(guò)將熱處理實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和金屬學(xué)原理進(jìn)行深度結(jié)合，充分利用零件在升溫階段的金相組織和晶格類型變化，為零件升溫過(guò)程匹配出一條能夠滿足滲碳條件且不超出設(shè)備炭黑極限的碳勢(shì)曲線。不僅打破了傳統(tǒng)熱處理工藝高溫滲碳的工藝思路，在零件升溫階段便獲得一定程度的化學(xué)層深，分擔(dān)了高溫滲碳的工作量，而且可大幅縮短整個(gè)工藝周期，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降本、提質(zhì)增效，有利于打造資源節(jié)約型、環(huán)境友好型生產(chǎn)車間。