汽車滲碳齒輪的心部硬度控制

■ 李玉婕，趙洪花

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齒輪運轉(zhuǎn)過程主要是傳遞動力和改變速度，齒輪嚙合時齒根受到脈動沖擊力和交變彎曲應(yīng)力的作用，需要不斷承受沖擊力和彎曲應(yīng)力。滲碳齒輪的心部硬度是保證齒輪在傳遞動力時具有足夠的強韌性，能夠承受扭矩，在換檔過程中能夠承受沖擊。對于不同承載條件下的齒輪根據(jù)其承載要求設(shè)計不同的心部硬度和匹配不同的材料及要求。我公司生產(chǎn)的差速器齒輪如圖1所示。

圖1 差速器齒輪

該零件材料為20CrMnTiH，材料末端淬透性選用J9：30～36HRC，零件法向模數(shù)2.51，齒寬33mm，滲碳熱處理有效硬化層深0.6～0.9mm，心部硬度要求為330～480HV（HV20），心部硬度檢測位置為齒寬中部齒根圓齒厚中心處。生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的主要問題是心部硬度不足，那么我們是如何解決的呢？下面把我的經(jīng)驗與大家共享。

一、影響齒輪心部硬度的因素及其測定

齒輪的心部硬度是綜合性指標(biāo)，其承載特性要求既要有足夠的強度同時要保證有足夠的韌性，因此對齒輪的心部硬度制訂了具體的范圍要求，同時心部硬度在某種程度上也反映了齒輪的心部金相組織。由于滲碳齒輪的心部幾乎沒有滲碳而保持原材料的化學(xué)成分，因此齒輪的心部硬度主要取決于原材料的淬透性和淬冷烈度，熱處理工藝參數(shù)的調(diào)整尤其是淬火溫度的調(diào)整也能產(chǎn)生一定的影響。淬冷烈度主要取決于淬火冷卻介質(zhì)的選型和攪拌速度，淬火冷卻介質(zhì)選定后通過調(diào)整攪拌速度和裝爐量可調(diào)整淬冷烈度。而淬火溫度的調(diào)整主要是通過調(diào)整過冷奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體的轉(zhuǎn)變量來調(diào)整心部硬度的。因此，為提高齒輪的心部硬度，我們采取了以下試驗措施：調(diào)整熱處理工藝參數(shù)，即提高淬火溫度、提高攪拌速度、原淬火冷卻介質(zhì)添加調(diào)整油來提高冷卻速度（或使用冷卻速度更快的冷卻介質(zhì)）、減少裝爐量，以及提高材料的淬透性帶位置。關(guān)于齒輪心部硬度的測定位置，不同的客戶有不同的要求，在客戶沒有特殊要求的情況下，我們根據(jù)QC/T262—2005《汽車滲碳齒輪金相檢驗》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，心部硬度的測定位置為齒寬中部橫截面上，輪齒中心線與齒根圓相交處的硬度（見圖2），心部硬度測試位置范圍為±1mm。

二、試驗方案

我公司滲碳熱處理使用的設(shè)備是IPSEN熱處理多用爐生產(chǎn)線（見圖3），采用超級滲碳工藝（丙烷＋空氣）。

圖2 心部硬度測定位置示意

該齒輪的滲碳淬火工藝（工藝1）如表1所示，淬火油為Y35-I分級淬火油，裝爐量為168件，攪拌速度為快速攪拌。

對于不同的鋼材批次，我們進行了鋼材淬透性檢測，原材料的淬透性通過端淬試驗GB/T225進行檢驗，發(fā)現(xiàn)對于淬透性值不同的鋼材批次采用相同的熱處理工藝，其心部硬度出現(xiàn)了明顯的差別，檢測結(jié)果如表2所示。

通過以上試驗數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，對于淬透性值不同的鋼材批次，淬透性值J9：34～35HRC的鋼材，采用以上滲碳工藝可保證符合要求的心部硬度，而對于淬透性值J9：30～33HRC的鋼材采用以上滲碳工藝則心部硬度大多低于下限值（330HV20），個別合格的也是處于下限臨界值附近。為此，我們根據(jù)不同批次淬透性值J9：30～33HRC的鋼材進行了系列性試驗。

圖3 易普森熱處理多用爐生產(chǎn)線

表1 原滲碳工藝參數(shù)

表2 不同批次鋼材的齒輪熱處理心部硬度檢測結(jié)果

1. 熱處理工藝參數(shù)的調(diào)整

在以上滲碳工藝的基礎(chǔ)上，我們將淬火溫度由原來的（840±10）℃提高至（890±10）℃，裝爐量由原來的每爐168件減少到每爐140件，其他參數(shù)不變，調(diào)整后的熱處理工藝（工藝2）如表3所示。

調(diào)整熱處理工藝后的心部硬度檢測結(jié)果如表4所示。

通過表4試驗數(shù)據(jù)可以看出，提高淬火溫度和減少裝爐量后心部硬度有所改善，但仍處于下限甚至有個別爐次出現(xiàn)硬度偏低的情況，零件心部硬度控制穩(wěn)定性差，造成返工成本較高，且返工處理不利于控制零件的熱處理變形。這個檢測結(jié)果與鋼材的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖分析也是相吻合的。對于滲碳熱處理的工藝時間可完全保證奧氏體成分的均勻化，提高淬火溫度的目的是提高過冷奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體的轉(zhuǎn)變量，從而提高心部硬度。而減少裝爐量可在某種程度上提高淬冷烈度以使心部硬度提高。

2. 淬火冷卻介質(zhì)的調(diào)整

鑒于以上的檢測結(jié)果，我們又進行了以下試驗：對Y35-I淬火冷卻介質(zhì)的冷卻特性進行了檢測和進行淬火油改性，我們采用了添加調(diào)整分級淬火油以提高淬火冷卻介質(zhì)的冷卻能力，試驗發(fā)現(xiàn)心部硬度有所改善基本符合要求，但是總在要求指標(biāo)的下限徘徊，而且在交付時往往引起爭議。因為心部硬度的檢測結(jié)果與鋼材成分、材料淬透性是密切相關(guān)的，不同零件的心部硬度結(jié)果是有波動的，而且有時波動較大，所以爭議是在所難免的。為此我們采用了K34快速淬火油，以實現(xiàn)穩(wěn)定的心部硬度要求，但是又要考慮零件的變形問題，通過檢測零件的心部硬度指標(biāo)和關(guān)鍵尺寸指標(biāo)均達到要求，并且通過了批量生產(chǎn)驗證，如表5所示。

但是新的問題是首先要保證淬透性不同的鋼材批次進行區(qū)分，對于淬透性值不同的鋼材批次要采用不同的熱處理工藝，不利于生產(chǎn)組織和管理。

3. 材料淬透性的優(yōu)化

對比GB/T5216－2004《保證淬透性結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)，該鋼材淬透性J9：30～36HRC，屬于HL類且上限壓縮2HRC，如圖4、表6所示為20CrMnTiH鋼的淬透性帶及其各點的硬度值，正火溫度為900～920℃，端淬溫度為（880±5）℃。

對于HL類的20CrMnTiH鋼，其淬透性值J 9：3 0～38HRC。為穩(wěn)定該零件的心部硬度要求，我們將零件淬透性帶由原來的J9：30～36HRC調(diào)整為J9：33～38HRC，這里試驗的重點是對于鋼材淬透性J9：37～38HRC零件的熱處理變形情況，為此我們單獨組織一批鋼材進行熱處理試驗，采用原來的工藝參數(shù)（工藝1）、裝爐量和淬火冷卻介質(zhì)，根據(jù)試驗結(jié)果每爐隨機抽取不同數(shù)量的零件進行了心部硬度、關(guān)鍵尺寸測量和后續(xù)磨削驗證，全部符合要求。測量結(jié)果如表7所示。

表3 調(diào)整后的滲碳工藝參數(shù)

表4 調(diào)整熱處理工藝后的心部硬度檢測結(jié)果

表5 淬火冷卻介質(zhì)調(diào)整后的心部硬度和關(guān)鍵尺寸檢測結(jié)果

圖4 20CrMnT iH鋼的淬透性帶

表6 20CrMnT iH鋼的淬透性帶及其各點的硬度值

表7 淬透性帶調(diào)整后的心部硬度、關(guān)鍵尺寸測量結(jié)果

三、結(jié)語

由以上試驗數(shù)據(jù)和分析，由于不同批次材料的淬透性波動比較大，通過調(diào)整熱處理工藝參數(shù)和淬火介質(zhì)，心部硬度問題得到了解決，但是生產(chǎn)過程不便于管控和管理，因此給熱處理生產(chǎn)帶來很大難度，為穩(wěn)定產(chǎn)品的心部硬度和便于組織生產(chǎn)，我們最終建議選用調(diào)整鋼材淬透性帶的方法，即將材料的末端淬透性J9：30～36HRC調(diào)整為J9：33～38HRC，以穩(wěn)定熱處理工藝，降低熱處理的返工成本，而且有利于控制零件的熱處理變形。