推盤爐生產(chǎn)線滲碳齒輪的熱處理返修工藝研究

馮海波

大眾汽車自動變速器天津有限公司 天津 300301

1 序言

推盤爐是一種可控氣氛氣體滲碳自動生產(chǎn)設(shè)備，其設(shè)計合理，性能可靠穩(wěn)定，自動控制程度高，且節(jié)能效果明顯，廢棄排放少，對環(huán)境污染小，也是一種在齒輪生產(chǎn)中廣泛使用的爐型。

推盤爐生產(chǎn)線是由預(yù)熱爐、滲碳爐、淬火機構(gòu)、清洗機、回火爐、料盤轉(zhuǎn)移機構(gòu)、供氣系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)，以及碳勢控制系統(tǒng)組成。溫度控制系統(tǒng)是由溫度測量裝置、溫度控制器、加熱裝置組成，溫度控制器通過溫度傳感器的輸出來調(diào)節(jié)加熱功率輸出，從而控制溫度達(dá)到一個設(shè)定目標(biāo)。碳勢控制系統(tǒng)則由Lambda探頭、碳控箱和碳控表組成。因為采用了先進(jìn)的自動化和機械化的過程控制技術(shù)，所以生產(chǎn)線可以連續(xù)不斷地上料運行，生產(chǎn)效率高，大批量連續(xù)滲碳淬火，具有產(chǎn)量大、節(jié)省能源、質(zhì)量穩(wěn)定的特點[1，2]。

齒輪在滲碳過程中，不可避免地會出現(xiàn)由于工藝制定不合理或設(shè)備發(fā)生故障造成滲碳零件未滿足驗收指標(biāo)的情況。此類零件會出現(xiàn)殘留奧氏體過多、表面硬度低、滲碳層太淺，以及零件表層和心部出現(xiàn)組織異常等現(xiàn)象[3]。為了挽救不合格產(chǎn)品，需對不同的缺陷產(chǎn)品，制定有針對性的返修工藝，最終使產(chǎn)品滿足使用性能的要求。

對于連續(xù)推盤熱處理生產(chǎn)線來講，由于生產(chǎn)線為大批量連續(xù)滲碳生產(chǎn)，受到設(shè)備結(jié)構(gòu)及最小生產(chǎn)周期的限制，對于缺陷產(chǎn)品的返修非常困難，這就對工藝的制定與控制提出了更高的要求。本文以連續(xù)推盤爐為例，介紹了缺陷齒輪產(chǎn)品的返修工藝。

2 產(chǎn)品簡介及技術(shù)要求

差速器是汽車變速器中重要的傳動部件，其轉(zhuǎn)矩的分配和各零件的強度決定著汽車的可靠性，由于其不斷承受著變化的轉(zhuǎn)速和載荷，因此對齒輪的傳動平穩(wěn)性、耐磨性和疲勞強度有很高的要求。差速器齒輪的制造過程為：毛坯精鍛→去應(yīng)力退火→粗加工→滲碳處理→精加工→拋丸→清洗。

差速器齒輪的材料為16MnCr5鋼，化學(xué)成分技術(shù)要求見表1，熱處理驗收要求見表2。

表1 16MnCr5鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）技術(shù)要求 （%）

表2 差速器齒輪熱處理驗收要求

3 檢測結(jié)果分析

一批差速器齒輪在抽檢過程中發(fā)現(xiàn)，表面硬度不合格。其熱處理工藝為：預(yù)氧化區(qū)溫度為450℃；加熱區(qū)溫度為910℃；滲碳區(qū)溫度為940℃，碳勢為1.02%；淬火區(qū)溫度為930℃，碳勢為0.82%；熱處理生產(chǎn)線周期為550s。

通過進(jìn)一步檢測發(fā)現(xiàn)，該批零件表面硬度為670～676HV，低于驗收標(biāo)準(zhǔn)680HV，滲碳層深度為0.51～0.55mm，接近下限，檢測結(jié)果見表3。

表3 差速器齒輪熱處理檢測結(jié)果

零件表面硬度偏低的原因有很多，比如碳濃度高，產(chǎn)生殘留奧氏體含量高；滲碳層中碳含量偏低；回火溫度過高，回火時間太長；原材料淬透性低；表層脫碳，出現(xiàn)大量的非馬氏體組織等。

通過火花光譜分析表明，母材的化學(xué)成分符合16MnCr5鋼的要求，化學(xué)成分檢測結(jié)果見表4。經(jīng)計算淬透性為31.4HRC，符合30～34HRC的要求。

表4 16MnCr5鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）檢測結(jié)果 （%）

查看回火爐溫度記錄數(shù)據(jù)，溫度偏差在5℃以內(nèi)，無異常，因此判斷不是由于回火溫度異常導(dǎo)致的表面硬度不合格。對比零件齒廓位置的金相組織，發(fā)現(xiàn)不合格零件殘留奧氏體偏少，與合格零件差別明顯。圖1a所示為不合格零件齒廓位置的金相組織，為馬氏體+極少量殘留奧氏體。圖1b所示為合格零件相同位置的金相組織，為馬氏體+10%殘留奧氏體。從表層組織以及滲層偏低的結(jié)果來分析，初步懷疑是由于表面碳含量太少，從而導(dǎo)致表面硬度不合格。

圖1 不合格零件與合格零件表層金相組織對比（500×）

進(jìn)一步測定不合格零件表面碳含量發(fā)現(xiàn)，零件表層wC只有0.5%左右，遠(yuǎn)低于合格零件的0.8%。

由此確定，這批零件不合格的主要原因是滲碳層中碳含量過低造成的。不合格零件表層碳濃度變化曲線如圖2所示。

圖2 不合格零件表層碳濃度變化曲線

通過調(diào)查生產(chǎn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，是由于熱處理生產(chǎn)線Lambda探頭故障，造成爐內(nèi)碳勢出現(xiàn)異常，最終導(dǎo)致產(chǎn)品表面碳含量過低。

4 返修試驗結(jié)果與分析

通過以上分析可知，造成該批零件不合格的原因是滲碳層中碳含量過低。對于這種情況，我們只能選擇重新進(jìn)爐滲碳的方式來增加滲層碳含量，以達(dá)到提高表面硬度的目的。

返修試驗選取3個不合格零件，在連續(xù)式推盤滲碳爐中進(jìn)行二次滲碳。由于產(chǎn)品已經(jīng)有一次滲碳，且受到連續(xù)推盤爐最小周期的限制，太高的滲碳溫度會造成滲層太深，超出驗收要求的上限，因此返工工藝的滲碳溫度不能太高。結(jié)合以往的經(jīng)驗，選取滲碳區(qū)的溫度為880℃。最終制定的返修工藝為：預(yù)氧化區(qū)溫度為300℃；加熱區(qū)溫度為860℃；滲碳區(qū)溫度為880℃，碳勢為1.2%；淬火區(qū)溫度為860℃，碳勢為0.82%；連續(xù)推盤爐生產(chǎn)線周期為545s。根據(jù)以往的經(jīng)驗，零件二次滲碳后，表層碳含量較高，受到淬火油冷卻能力的限制，組織中不可避免地會出現(xiàn)過量的殘留奧氏體，因此在二次滲碳后，增加了深冷處理。此外，深冷處理可以有效提高零件表面硬度[4]。深冷處理的工藝參數(shù)為-50℃冷凍，170℃回火。返修試驗的檢測結(jié)果見表5。

表5 返修試驗零件檢測結(jié)果

返修試驗的檢測結(jié)果說明，表面硬度在通過二次滲碳和深冷處理后達(dá)到740～750HV，在檢測金相組織的過程中，發(fā)現(xiàn)齒頂位置有顆粒狀碳化物，如圖3所示。出現(xiàn)碳化物的原因，可能是碳勢過高造成的。由于該產(chǎn)品不允許存在碳化物，大量碳化物的存在會降低零件的使用壽命[5]，因此需要重新試驗。

圖3 齒輪齒頂位置的碳化物（500×）

對返修工藝進(jìn)行優(yōu)化，滲碳區(qū)碳勢調(diào)整為1.1%，減小碳勢的目的是降低零件表層碳含量。淬火區(qū)溫度調(diào)整為870℃，目的是讓更多的碳原子溶解在馬氏體晶格中。其他參數(shù)不變，進(jìn)行第二次返修試驗，結(jié)果見表6。第二次返修試驗后，齒尖位置沒有發(fā)現(xiàn)碳化物，表面硬度741～754HV，其他項目檢測結(jié)果也都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。第二次返修試驗齒尖位置的金相組織如圖4所示。

表6 第二次返修試驗零件檢測結(jié)果

圖4 第二次試驗齒尖位置的金相組織（500×）

5 結(jié)束語

由以上的試驗實例得出，通過采用連續(xù)推盤熱處理爐，并選擇合理的工藝參數(shù)，可將不合格的16MnCr5鋼齒輪零件返修合格。返修成功的關(guān)鍵在于明確產(chǎn)品不合格的原因，并制定合理的返修滲碳溫度和碳勢。