齒輪軸熱處理工藝開發(fā)

浙江雙環(huán)傳動(dòng)股份有限公司 （臺(tái)州 317600） 郝豐林 蘇松根 吳 金

齒輪質(zhì)量很大程度上取決于材料及熱處理工藝，熱處理是齒輪質(zhì)量控制過程中的一個(gè)關(guān)鍵因素，齒輪的許多特性都是通過熱處理來實(shí)現(xiàn)，熱處理質(zhì)量直接影響齒輪的使用壽命。

我公司是專業(yè)齒輪加工廠，在為某變速箱廠開發(fā)一款不同排量的AT變速箱齒輪時(shí)，其中一根齒輪軸熱處理出現(xiàn)了問題。該軸采用精鍛工藝，由于我們對(duì)鍛造加工流程不是很熟悉，熱處理加工參數(shù)選擇不合適，熱處理后金相檢驗(yàn)沒有發(fā)現(xiàn)問題，最終造成樣件臺(tái)架試驗(yàn)失敗。下面是對(duì)齒輪軸開發(fā)時(shí)出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析。

一、第一次送樣

圖1為失效齒輪軸實(shí)物，圖2為失效齒輪軸的疲勞裂紋缺陷，圖3～圖8是齒輪軸金相照片。

圖1 失效實(shí)物

圖2 疲勞裂紋（失效工件）

1.失效分析

（1）根據(jù)金相檢驗(yàn)可分析出是由于材料組織不均勻造成了熱處理缺陷。由于合金元素的偏析（見圖3），造成合金元素含量高的區(qū)域滲碳后殘留奧氏體嚴(yán)重超標(biāo)（估計(jì)48%，見圖4），局部殘留奧氏體嚴(yán)重超標(biāo)，大大降低了局部的疲勞強(qiáng)度，并伴有淬火微裂紋（見圖5）。

（2）偏析處滲碳淬火后形成的馬氏體針粗大，并且形成了晶間裂紋。

（3）齒輪服役時(shí)在這些局部區(qū)域首先產(chǎn)生疲勞裂紋或晶間裂紋并迅速擴(kuò)展為疲勞裂紋。由于成分偏析的隨機(jī)性與多源疲勞正好相呼應(yīng)，即當(dāng)成分偏析恰好位于齒根轉(zhuǎn)角附近時(shí)，形成疲勞裂紋的概率大大增加。

（4）齒輪軸采用兩種材料：一種是改進(jìn)的SAE8620H材料，其中C、 Cr、Mo三種元素含量都比SAE8620要多（排量是2.4L）；一種是20CrMoH材料（排量是1.6L）。這兩種材料都易形成帶狀組織。附表主要是分析排量是2.4L的軸。

SAE8620H材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

圖3 材料成分偏析嚴(yán)重（白色條帶）

圖4 殘留奧氏體嚴(yán)重

圖5 淬火微裂紋

圖6 心部粗大板條馬氏體

（5）鍛造工藝為：粗鍛→余熱退火→退火→精整。此軸端面有一六方孔要求精鍛，為了防止毛坯脫碳，提高模具壽命，采用余熱退火再增加一次退火，以降低產(chǎn)品硬度，便于精整六方孔。由于余熱退火的不穩(wěn)定性，再加上退火工藝不合理，鍛件材料的帶狀組織將非常嚴(yán)重。對(duì)于廠家提供的毛坯，檢驗(yàn)的金相組織如圖8所示，材料組織不均勻，珠光體有球化的趨勢(shì)。

圖7 原材料成分偏析引起的帶狀偏析

圖8 毛坯金相組織

（6）熱處理設(shè)備采用豐東連續(xù)爐，熱處理工藝為滲碳淬火工藝。

2.改善措施

由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的原因，造成鍛造的缺陷，采用滲碳直接淬火的熱處理工藝不能改善現(xiàn)有的狀況。為了避免毛坯過多脫碳，保證齒輪的精度，只有按照現(xiàn)在的鍛造工藝執(zhí)行。對(duì)熱處理工藝進(jìn)行優(yōu)化，可以采用下面幾種工藝：

（1）毛坯采用真空正火工藝以保證金相組織，然后滲碳淬火。

（2）滲碳緩冷然后再加熱淬火（零件滲碳后工件拉到緩冷室緩冷到室溫，然后再加熱到淬火溫度淬火）。

（3）滲碳中冷工藝然后再加熱淬火（零件滲碳后拉到前室緩冷，溫度降到600℃以下，然后再拉到后室中加熱到淬火溫度淬火）。我公司現(xiàn)有設(shè)備愛協(xié)林箱式多用爐恰好就有滲碳中冷這種功能，于是在第二次送樣時(shí)采用該熱處理工藝。

二、第二次送樣

圖9是第二次臺(tái)架試驗(yàn)出現(xiàn)問題齒輪軸失效實(shí)物。

圖9

（1）失效分析 此次試驗(yàn)有兩種排量，一種是1.6L排量（采用20CrMoH材料），一種是2.4L排量（采用改進(jìn)SAE8620H材料）。1.6L排量臺(tái)架試驗(yàn)過關(guān)，沒有出現(xiàn)問題。出現(xiàn)問題的是2.4L排量的齒輪軸，臺(tái)架試驗(yàn)沒有出現(xiàn)斷齒，但是出現(xiàn)了局部剝落現(xiàn)象。齒頂金相組織如圖10所示。從圖9、圖10中可以看出，剝落形式屬于脆性剝落，剝落位置沒有壓潰現(xiàn)象（心部硬度較高），剝落的位置均位于節(jié)圓與齒頂之間的區(qū)域，且剝落位置均集中在齒輪的一端（主動(dòng)齒面），檢測(cè)同批的齒輪熱處理項(xiàng)目均符合圖樣要求。

圖10 齒頂金相組織（滲碳中冷工藝）

（2）改善措施 排除客戶安裝的問題，要想改善只有通過熱處理工藝的改變：此次齒輪軸采用滲碳中冷淬火工藝，雖然熱處理項(xiàng)目合格，比較理想，但是齒面的殘留奧氏體含量很低。表層有適當(dāng)?shù)臍埩魥W氏體量，對(duì)于重載可以明顯提高齒輪的接觸疲勞壽命，但是對(duì)于輕載問題不是很大，1.6L排量臺(tái)架試驗(yàn)過關(guān)就是個(gè)說明。殘留奧氏體是軟相，在接觸嚙合過程中易產(chǎn)生塑性變形，改善嚙合條件，增大嚙合面積，降低實(shí)際接觸應(yīng)力。同時(shí)，殘留奧氏體在使用過程中會(huì)產(chǎn)生形變誘發(fā)馬氏體相變，因而提高了材料強(qiáng)度。加上在齒輪表層硬度高，摩擦系數(shù)小，使用時(shí)嚙合平穩(wěn)，噪聲小，裂紋不易產(chǎn)生。要改善這種情況只有提高表面殘留奧氏體的含量。由于我公司有真空滲碳爐，因此，采用先真空正火然后滲碳淬火的熱處理工藝。

剝落位置很固定，因?yàn)榇丝钭兯傧洚a(chǎn)品的排量較大，齒輪受力較大，由于是磨齒產(chǎn)品，若齒形齒向嚴(yán)格按照?qǐng)D樣中差加工，齒輪在受力較小的時(shí)候，齒輪接觸面較大，但是一旦受力加大，齒輪接觸面反而會(huì)減少，這樣會(huì)造成局部過載，致使齒輪局部點(diǎn)蝕剝落。

三、第三次送樣

圖11～圖14是第三次臺(tái)架試驗(yàn)工件金相照片。為了提高殘留奧氏體的含量，保證熱處理后的金相合格，先采用ECM真空爐正火，然后多用爐滲碳淬火的熱處理工藝。

圖11 齒面正火組織

圖12 心部正火組織

圖13 心部滲碳組織

圖14 節(jié)圓滲碳組織

對(duì)磨齒的齒形齒向進(jìn)行調(diào)整，采用可以控制的強(qiáng)力噴丸機(jī)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行強(qiáng)力噴丸，表面殘留壓應(yīng)力不低于700MPa。經(jīng)過熱處理工藝改善，產(chǎn)品臺(tái)架試驗(yàn)過關(guān)。經(jīng)過這次熱處理工藝的優(yōu)化，開發(fā)了合適的熱處理工藝，達(dá)到了客戶要求。