同步器嚙合套滲碳淬火變形分析

中國一拖熱處理廠 （河南洛陽 471003） 李忠亮

20CrMnTi是一種低碳合金鋼，工藝性能優(yōu)良，廣泛用于截面小于30mm承受高速、中等或重載及受沖擊載荷和摩擦的重要滲碳零件，如汽車、拖拉機(jī)中的變速箱齒輪或凸輪，以及礦山機(jī)械使用的重載齒輪等， 但往往由于滲碳淬火變形問題，零件互換性較差，影響后續(xù)整車裝配。下面就我廠生產(chǎn)的大輪拖同步器嚙合套滲碳淬火變形問題作一探討。

1.技術(shù)要求

零件產(chǎn)品示意見圖1，內(nèi)花鍵參數(shù)見表1。

圖1 零件示意

表1 內(nèi)花鍵設(shè)計(jì)參數(shù)

該零件材料為20CrMnTi，技術(shù)要求：滲碳淬火，有效硬化層深0.5～0.8mm，表面硬度58～64HRC，心部硬度31～44HRC。根據(jù)齒輪廠外檢對零件的變形檢查要求：熱火大徑113.16～113.20mm為合格。該零件工藝路線：毛坯→鍛造→正火→粗加工→半精加工→插內(nèi)花鍵→滲碳、淬火→清洗、回火→噴丸→磨外圓、端面→檢查、入庫。該零件在新產(chǎn)品研制之初，為了實(shí)現(xiàn)在連續(xù)滲碳爐的批量化生產(chǎn)，“滲碳淬火有效硬化層深0.55～0.85mm”更改為“滲碳層深0.8～1.2mm”，同時(shí)滲碳淬火后就出現(xiàn)內(nèi)花鍵變形、端面翹曲超差等熱處理變形，根據(jù)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)，產(chǎn)品合格率不足30%。

隨著大輪拖產(chǎn)量的不斷增加和產(chǎn)品質(zhì)量的不斷提升，該零件質(zhì)量已嚴(yán)重制約產(chǎn)品品質(zhì)提升和產(chǎn)量不斷增加的需求，據(jù)此將該產(chǎn)品滿足產(chǎn)品符合性質(zhì)量列為工藝研發(fā)改進(jìn)項(xiàng)目。

2.變形原因分析

根據(jù)一拖的產(chǎn)品需要，20CrMnTi材料的嚙合套類產(chǎn)品，在連續(xù)滲碳爐上滲碳后直接降溫淬火已經(jīng)較成熟。但是，我廠在進(jìn)行批量化滲碳淬火加工時(shí)，連續(xù)滲碳爐的工藝控制滲碳層深為：0.8～1.2mm、1.0～1.4mm、1.1～1.6mm、1.4～1.7mm、1.8～2.2mm，也就是說工藝控制滲碳層深下限在0.8～1.2mm。按照使用要求，我廠對于大輪拖產(chǎn)品滲碳層深一般控制在技術(shù)要求的中上限，大輪拖同步器嚙合套圖樣規(guī)定滲碳有效硬化層深0.55～0.85mm，我廠在連續(xù)滲碳爐生產(chǎn)控制的滲碳層深大于該零件的圖樣規(guī)定。

為便于組織生產(chǎn)，滿足批量化要求，我廠與主機(jī)廠共同向一拖技術(shù)中心申請更改產(chǎn)品技術(shù)要求，將“有效硬化層深0.55～0.85mm”更改為“滲碳層深0.8～1.2mm”，在公司質(zhì)量部進(jìn)行隨機(jī)抽查切檢過程中，該零件一般滲碳層深為1.0～1.2mm，但大輪拖同步器對該零件要求精度較高，滲碳后內(nèi)花鍵收縮變形、零件端面翹曲超差，互換性較差，嚴(yán)重影響裝配，三裝廠多次因該零件而影響裝車進(jìn)度。

大輪拖同步器嚙合套的變形超差，已成為一個(gè)亟待解決的問題。為此，我廠成立攻關(guān)小組，期間專門到西安法士特傳動器總廠調(diào)研學(xué)習(xí)，了解到法士特此類嚙合套零件材料為8620H，零件工藝路線為：毛坯等溫正火→粗加工→半精加工→插內(nèi)花鍵→滲碳緩冷→轉(zhuǎn)爐加熱→淬火壓床壓淬→清洗、回火→噴丸→磨外圓、端面→入庫。而一拖公司該類零件材料均為20CrMnTi，毛坯預(yù)處理只作普通正火。一般滲碳鋼的淬透性好，相對滲碳淬火后變形較大。常用滲碳鋼的淬透性20CrMnMo＞19CN5＞20CrMnTi＞8620H，特別是對于大輪拖同步器嚙合套類零件，滲碳淬火后變形較大，因農(nóng)機(jī)產(chǎn)品價(jià)格較低，采用價(jià)格稍貴的8620H或滲碳后壓淬，成本就會增加。另外，若選擇滲碳后壓淬，需要重新規(guī)劃投資，短時(shí)間內(nèi)難以滿足技術(shù)和生產(chǎn)的需求。針對一拖熱處理廠現(xiàn)有工藝及設(shè)備條件，分析大輪拖同步器滲碳后變形原因。

（1）零件材料成分分析 從表2來看，該零件基本符合20CrMnTi材料標(biāo)準(zhǔn)。

表2 零件20CrMnTi化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（2）滲碳淬火工藝參數(shù)及裝爐方法 我廠現(xiàn)用天津鼎元雙排滲碳爐，工藝參數(shù)見表3。

表3 滲碳爐工藝參數(shù)

裝爐方式：平裝，9件/盤，將零件平放在料盤上，見圖2。

圖2 零件裝爐方式

淬火：835℃，北京華立等溫淬火油淬火。滲碳檢查金相報(bào)告見表4。

表4 金相報(bào)告

針對滲碳工藝分析，滲碳溫度930℃屬較高的滲碳溫度，淬火溫度835℃也稍高于一般20CrMnTi的淬火溫度。因此，零件淬火后應(yīng)力較大而引起變形超差。

（3）滲碳淬火前的預(yù)備熱處理選擇不當(dāng) 該零件的預(yù)備熱處理為正火，通過日常零件進(jìn)廠的毛坯切檢檢查，發(fā)現(xiàn)該零件毛坯經(jīng)常出現(xiàn)混晶、大量索氏體、魏氏組織和帶狀組織超級等原材料的缺陷，這些都會使內(nèi)孔變形增大。

（4）零件結(jié)構(gòu)分析 該零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬薄壁類嚙合套，很容易在滲碳淬火過程中受相變應(yīng)力和熱應(yīng)力的影響，而出現(xiàn)內(nèi)花鍵孔變形。特別是在該零件的中部還有撥擋槽，無疑給控制變形的精度帶來了很大難度。

（5）機(jī)加工影響 該零件在機(jī)加工過程中，有車削加工、內(nèi)孔拉花鍵等工序。一般熱處理的變形量隨機(jī)加工變形量的增大而增大。由于機(jī)加工工藝不當(dāng)，如拉削速度過快，刀具磨損切削時(shí)造成的殘留應(yīng)力，拉削過程中基準(zhǔn)面不平，存在鐵屑異物，以及齒輪拉花鍵孔時(shí)出現(xiàn)孔方向不當(dāng)?shù)?，都可能使熱處理變形量增大，在后續(xù)的滲碳淬火過程中會不斷地釋放，且與滲碳淬火過程產(chǎn)生的應(yīng)力非線性疊加，從而導(dǎo)致零件發(fā)生無規(guī)律的畸變。

（6）毛刺問題 滲碳淬火后檢查，發(fā)現(xiàn)有部分零件內(nèi)花鍵孔毛刺影響了綜合塞規(guī)的檢查。齒輪廠現(xiàn)對該零件大徑熱前尺寸控制在113.20～113.25mm，但由于機(jī)加工的毛刺未去除干凈，熱前測大徑尺寸時(shí)誤差很大。因此，若不做好熱前毛刺的去除，滲碳淬火后，毛刺變的很硬且更不易去除，會最終影響零件的精度。

3.采取措施

（1）機(jī)加工應(yīng)力消除 為消除零件在機(jī)加工過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，采用滲碳前加一道高溫回火的處理工序。高溫回火工藝參數(shù)：井式回火爐，25件/爐，580℃加熱，保溫4h，出爐空冷。

進(jìn)行工藝試驗(yàn)，取50件零件（其中25件作高溫回火處理，25件未作高溫回火處理）進(jìn)行對比試驗(yàn)，雙排連續(xù)滲碳爐滲碳淬火，隨0.8～1.2mm滲碳層深零件搭裝。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。

表5 測量數(shù)據(jù)對比 （mm）

從以上數(shù)據(jù)來看，零件滲碳淬火前進(jìn)行高溫回火處理有利于控制零件變形。滲碳淬火后，經(jīng)高溫回火處理的零件端面翹曲明顯小于未作高溫回火處理的零件，25件中僅有4件端面翹曲＞0.10mm，占16%。未經(jīng)高溫回火的25件零件中有10件端面翹曲＞0.10mm，占40%，且變形量較大。雖然本批50件在滲碳淬火后用相配件檢查，全部能通過相配件，但未經(jīng)高溫回火處理的零件手感有些緊。按檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)際生產(chǎn)控制，大徑尺寸φ113.0mm，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)上分析可知，零件作高溫回火處理對于大徑尺寸有一定影響，但差別不明顯。若通過試驗(yàn)解決該零件端面翹曲、內(nèi)花鍵變形問題，可以說是用最低的成本解決了現(xiàn)場生產(chǎn)難題。為此我廠技術(shù)人員按此工藝方案進(jìn)行了一次重復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果如下：①50件零件相配件檢查均不能通過。②端面翹曲基本合格，但零件圓度較大（0.15mm左右），大徑φ112.90mm左右。可見，單靠對該類嚙合套作高溫回火處理雖然可以減小機(jī)加工的殘留應(yīng)力，但不能完全解決嚙合套類零件的綜合變形問題。

（2）對零件毛坯作等溫正火預(yù)處理，提高組織均勻性 據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)介紹，由于該零件鍛造毛坯的預(yù)備熱處理，不僅對切削加工性能有極大的影響，而且對最終滲碳淬火變形影響較大。為了消除鍛造應(yīng)力，使組織均勻化，目前國內(nèi)對20CrMnTi齒坯普遍采用正火處理。但大輪拖同步器嚙合套加工復(fù)雜，精度要求高，相對熱處理質(zhì)量要高，顯然，普通正火已不能滿足該零件的預(yù)備熱處理要求。為提高機(jī)加工精度，毛坯的正火處理不僅要求硬度在一個(gè)較窄的范圍之內(nèi)（鋼件切削時(shí)易斷削、表面光潔），而且要求獲得穩(wěn)定的顯微組織（較細(xì)的鐵素體+較細(xì)的珠光體），以改善切削加工性能及穩(wěn)定滲碳淬火后的變形規(guī)律。對于20CrMnTi材質(zhì)的嚙合套進(jìn)行大批量滲碳淬火的生產(chǎn)，我廠外委進(jìn)行毛坯等溫正火處理。等溫正火工藝要點(diǎn)：等溫正火線930℃×2h、650℃×3h，正火組織≤2級，硬度160～180HBS。經(jīng)金相試驗(yàn)室對等溫正火后的毛坯檢驗(yàn)，硬度、金相組織均符合工藝要求，齒輪廠也反映毛坯等溫正火后，切削加工性能明顯提高，在產(chǎn)量提高的情況下，刀具損耗也降低了1/3，且提高了零件的加工精度，降低了廢品率。

（3）工藝和技術(shù)要求調(diào)整 在對該零件毛坯進(jìn)行等溫正火處理后，我廠技術(shù)人員從工藝上和技術(shù)要求上進(jìn)行調(diào)整。按照產(chǎn)品圖要求，零件有效硬化層深控制在0.55～0.85mm。工藝調(diào)整前、后雙排連續(xù)滲碳線的主要工藝參數(shù)對比見表6。

表6 滲碳爐工藝參數(shù)

工藝上降低滲碳溫度和滲碳碳勢，因滲碳溫度影響奧氏體晶粒度，降低滲碳溫度，減小奧氏體長大的傾向，從而減少相變應(yīng)力和熱應(yīng)力，有利于控制內(nèi)花鍵的淬火畸變。降低碳勢，可防止?jié)B碳后表面形成碳化物，使淬火組織優(yōu)化，減小淬火變形。另外，通過對連續(xù)滲碳線四區(qū)溫度的調(diào)整，保證零件在滲碳淬火后，擴(kuò)散階段后期很容易達(dá)到溫度均勻，從而有利于做到滲碳后預(yù)冷溫度一致性，從而能夠減少滲碳淬火變形。

按照上述試驗(yàn)方法，本批次零件滲碳檢查金相報(bào)告見表7。

表7 金相報(bào)告

由表7可見，本批次滿足滲碳技術(shù)要求，為檢查變形情況，從滲碳淬火前零件隨機(jī)各抽50件，進(jìn)行測量對比，部分試驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)見表8。

表8 測量數(shù)據(jù) （mm）

工藝試驗(yàn)一：共68件，其中合格62件，不合格6件。合格率91.1%，相配件檢查能順利通過。

工藝試驗(yàn)二：共242件，其中合格232件，不合格10件，且有1件內(nèi)花鍵收縮變形超差不合格，合格率95.9%。相配件檢查能通過。

綜上所述，本批試驗(yàn)共生產(chǎn)310件（包括工藝試驗(yàn)一、工藝試驗(yàn)二兩套方案），其中1件內(nèi)花鍵收縮變形孔超差不合格，15件端面翹曲≥0.11mm，零件圓度均≤0.10mm，合格率94.8%。

對比原工藝（普通正火處理），在現(xiàn)場隨機(jī)抽取測量50件未等溫正火的零件，滲碳淬火后大徑尺寸均＜φ113mm，用相配件檢查僅有14件能通過，合格率只有28%。

由此可見：①預(yù)備熱處理為等溫正火的零件，滲碳淬火后其變形統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的分布比較合理，概率密度曲線近似正態(tài)分布。②采取合理的滲碳工藝，有利于保證薄壁復(fù)雜類零件在連續(xù)滲碳爐的滲碳淬火變形。

另外，將各批次試驗(yàn)零件送試驗(yàn)室切檢，金相檢測報(bào)告見表9。

表9 三種工藝試驗(yàn)金相對比

從報(bào)告來看，本批零件降低了有效硬化層深度，滲碳淬火后零件表面的碳化物級別和殘留奧氏體級別≤3級，達(dá)到了預(yù)期的效果。

4.結(jié)果分析

通過比較分析和工藝試驗(yàn)，可從以下幾個(gè)方面對內(nèi)花鍵孔零件的滲碳淬火變形進(jìn)行控制：

（1）嚴(yán)格控制毛坯的正火金相組織，保證帶狀組織≤3級。

（2）增加零件毛坯的等溫正火工序，可消除或改善鍛造毛坯組織缺陷，使?jié)B碳淬火過程中奧氏體化均勻，有利于滲碳淬火變形的控制。

（3）增加零件滲碳前去應(yīng)力回火工序，消除機(jī)加工內(nèi)應(yīng)力，有利于控制零件滲碳淬火變形。

（4）有效地控制零件的滲碳有效硬化層深度，有利于滲碳淬火變形的控制。

（5）合理的裝爐方式，能夠保證滲碳淬火的變形量最小。

（6）加強(qiáng)對滲碳前零件熱前尺寸檢查，盡量去除內(nèi)花鍵孔內(nèi)毛刺，消除機(jī)加工的不利影響。