轎車手動(dòng)變速器齒輪齒頂非馬氏體組織的成因分析與解決*

曾曉蕾

上海汽車變速器有限公司， 上海 201800

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轎車手動(dòng)變速器齒輪齒頂非馬氏體組織的成因分析與解決*

曾曉蕾

上海汽車變速器有限公司， 上海 201800

本文主要針對(duì)某項(xiàng)目從動(dòng)五檔齒輪經(jīng)過低壓真空滲碳、高壓氣體淬火工藝熱處理后，齒頂出現(xiàn)非馬氏體組織的成因進(jìn)行分析，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，表面碳濃度偏高及淬火時(shí)冷卻能力不足是導(dǎo)致齒頂出現(xiàn)非馬氏體的主要原因。通過有針對(duì)性地調(diào)整滲碳節(jié)拍、淬火的氣體壓力、攪拌速度、時(shí)間等參數(shù)，經(jīng)過多次驗(yàn)證，從根本上解決了齒頂組織異常問題。

檔位齒 真空滲碳熱處理 齒頂非馬氏體組織

1 概述

全新6速手動(dòng)變速箱某項(xiàng)目由國(guó)際知名整車廠商的歐洲團(tuán)隊(duì)研發(fā)，匹配1.4L中置直噴渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)。該款變速箱采用了同級(jí)最緊湊的輕量化設(shè)計(jì)，凈重比前一代手動(dòng)變速箱降低15%，檔位齒的模數(shù)在1.4-1.667。根據(jù)圖紙要求，該變速箱齒軸類零件熱處理采用低壓真空滲碳、高壓氣體淬火技術(shù)，在全新真空生產(chǎn)線進(jìn)行工藝試驗(yàn)。本文以從動(dòng)五檔齒為例，對(duì)工藝試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的齒頂非馬氏體組織成因進(jìn)行分析，并提出解決問題的方法。從五檔模數(shù)為1.496，原材料牌號(hào)為QS1927S0，零件形貌如圖1所示，熱處理裝架方式如圖2示。

2 問題描述

工藝試驗(yàn)期間，從動(dòng)五檔齒的金相試樣腐蝕后發(fā)現(xiàn)齒頂有大量黑色非馬氏體組織，如圖3所示， 與此同時(shí)，其他檔位齒輪齒頂也發(fā)現(xiàn)有類似組織。初步判斷，導(dǎo)致此種非馬氏體組織的原因有兩種：材料淬透性降低或工件冷卻速度低于C曲線的臨界淬火速度。

圖1 從動(dòng)五檔齒零件形貌Fig.1 The photo of GEAR-5TH

圖2 從五檔熱處理裝架方式Fig.2 The HT fixture of GEAR-5TH

3 問題分析

3.1 依據(jù)“人、機(jī)、料、法、環(huán)”魚骨狀分析方法，對(duì)該項(xiàng)目熱處理工藝調(diào)試階段出現(xiàn)的異常組織進(jìn)行成因分析(如圖4所示)，分析后認(rèn)為表面碳濃度偏高和淬火時(shí)冷卻能力不足是問題的關(guān)鍵。

3.2 主設(shè)備淬火室換向機(jī)構(gòu)故障對(duì)齒頂異常組織影響的分析

真空生產(chǎn)線淬火室通過換向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高壓氣淬時(shí)上下打風(fēng)，與傳統(tǒng)單向冷卻相比，工件冷卻更均勻，理論上可以獲得理想的硬化層深度和心部硬度。

圖3 從五檔齒頂深色非馬氏體組織形貌Fig.3 The microstructure at tooth tips of GEAR 5TH

圖4 非馬氏體組織成因分析圖Fig.4 Analysis the reason of non-martensite microstructure appearance

圖5 QS1927原材料合金元素化學(xué)成分(wt%)
Fig.5 The chemical composition of QS 1927

在工藝試驗(yàn)過程中，換向機(jī)構(gòu)發(fā)生故障，無法完全復(fù)位，如圖6左所示。設(shè)備供應(yīng)商對(duì)換向機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造，如果圖6右所示，對(duì)推動(dòng)桿進(jìn)行了加固，但仍然存推動(dòng)桿變形、換向機(jī)構(gòu)無法完全復(fù)位的問題，導(dǎo)致在氣淬時(shí)存在漏氣的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而影響淬火效果。

圖6 淬火室換向機(jī)構(gòu)3D示意圖Fig.6 The 3D models of quenching cell

3.3 表面碳濃度對(duì)齒頂異常組織影響的分析

通過設(shè)備供應(yīng)商提供的模擬軟件，得到滲碳后工件表面碳濃度為0.697wt%，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，推測(cè)齒輪表面實(shí)際碳濃度高于0.7wt%，而該產(chǎn)品為瘦高齒設(shè)計(jì)，尖角效應(yīng)導(dǎo)致齒頂碳濃度遠(yuǎn)高于齒面，從而降低了過冷奧氏體的穩(wěn)定性，使得C曲線臨界淬火速度增大。

3.4 關(guān)于齒頂異常組織形成的假設(shè)

綜上所述，通過分析導(dǎo)致工件齒頂出現(xiàn)異常組織的原因，提出一個(gè)假設(shè)：該產(chǎn)品的齒輪模數(shù)小，齒輪形狀尖銳，齒頂蓄熱量小。由于尖角效應(yīng)，齒頂?shù)奶紳舛瘸^共析點(diǎn)，降低了過冷奧氏體穩(wěn)定性，齒頂需要非?？斓睦鋮s速度才能穿過C曲線鼻子到達(dá)馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域。換向機(jī)構(gòu)發(fā)生故障之后的狀態(tài)可能是：10bar(80%)氣淬第一個(gè)節(jié)拍15s結(jié)束(包含換向時(shí)間2-3s)，齒面在A1線附近，齒頂可能已經(jīng)到鼻子附近至600℃左右，換向機(jī)構(gòu)換向期間齒頂已經(jīng)停留在珠光體或貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，故導(dǎo)致齒頂出現(xiàn)非馬氏體組織。這個(gè)假設(shè)也可以解釋直淬要好于換向冷卻。

4 解決問題的方法及結(jié)果驗(yàn)證

4.1 解決問題的方法

依據(jù)3.4中的假設(shè)，參考27MnCr5在裝爐量為282kg時(shí)采用18bar淬火時(shí)的冷卻曲線(如圖7所示)，我們期望齒頂獲得大于臨界淬火速度的冷卻曲線，同時(shí)兼顧心部硬度均勻性。為此，(1) 與設(shè)備供應(yīng)商溝通，確保氣淬室換向機(jī)構(gòu)工作的穩(wěn)定性；(2) 調(diào)整滲碳參數(shù)，使模擬表面碳濃度由0.697wt%降至0.671wt%，如圖8所示；(3) 提高淬火起始階段的氣體壓力，經(jīng)過多輪試驗(yàn)優(yōu)化，最終確定的淬火參數(shù)見表1.(4) 增大零件之間的間距，適當(dāng)減少裝爐量。

圖7 27MnCr5采用18bar淬火時(shí)的冷卻曲線Fig.7 The cooling curve of material 27MnCr5 at 18 bar

圖8 調(diào)整滲碳工藝后的表面碳濃度曲線Fig.8 The surface carbon content after modifying the recipe

表1 淬火參數(shù)對(duì)照表

Table 1 The recipe of quenching

淬火參數(shù)調(diào)整之前淬火參數(shù)調(diào)整之后時(shí)間，s速度氮?dú)鈮毫Γ琺b淬火時(shí)間，s淬火速度氮?dú)鈮毫?，mb15-70%900018s-70%150001570%900018s70%1500015-70%900020s-70%90001570%900020s70%900015-70%900020s-70%90001570%900020s70%900015-70%900020s-70%90001570%900020s70%900050-70%900020s-70%90005070%900020s70%900085-70%9000100s-70%90008570%9000124s70%9000

4.2 結(jié)果驗(yàn)證

調(diào)整淬火參數(shù)之后，獲得的金相組織滿足技術(shù)要求(如圖9所示)，齒頂非馬氏體組織已經(jīng)全部消除，驗(yàn)證了3.4中的假設(shè)成立。同時(shí)獲得了較理想的心部硬度(如表2所示)，且重復(fù)性良好。

5 結(jié)論

(1) 表面碳濃度偏高及淬火時(shí)冷卻能力不足，導(dǎo)致熱處理工藝試驗(yàn)中該項(xiàng)目檔位齒齒頂出現(xiàn)黑色非馬氏體組織；

(2) 通過①保障氣淬室換向機(jī)構(gòu)工作的穩(wěn)定性；②調(diào)整滲碳工藝參數(shù)降低表面碳濃度；③提高起始淬火壓力參數(shù)，使齒頂快速冷卻到達(dá)馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域；②減少裝爐量，增大工件之間的間距，解決了齒頂非馬氏體組織問題，同時(shí)獲得滿足圖紙技術(shù)要求、均勻的心部硬度，保障了項(xiàng)目進(jìn)度。

圖9 真空滲碳淬火后3%硝酸酒精腐蝕Fig.9 The Metallurgical Photomicrographs after modifying LPC recipe

(1) 齒輪宏觀形貌； (2) 齒頂500X； (3) 齒根圓角100X； (4) 齒根圓角500X； (5) 齒面100X； (6) 齒面500X； (7) 心部組織100X； (8) 心部組織500X

表2 調(diào)整工藝后從動(dòng)五檔齒金相檢測(cè)結(jié)果

[1] 金相分析原理及技術(shù)，仁頌贊，葉儉，陳德華編，上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社；

[2] 金屬學(xué)與熱處理(第2版)，崔中圻，覃耀春，機(jī)械工業(yè)出版社.

[3] HOW TO MAKE A REWORK RECIPE.ECM.

[4] HOW TO MAKE A HEAT CYCLE FROM THE SIMULATION.ECM.

[5] CBPWIN-Carbon diffusion simulator.ECM

The analysis and solution of non-martensite microstructure in MT gear tooth tips

ZengXiaolei

SJTUMechanical&PowerEngineeringInstitute

Non-martensite microstructure appears at the tooth tip area abnormally after the LPC HT testing for GEAR 5th. The experiment found the major reason is the high carbon concentration of tooth surface and insufficient cooling strategy. The tooth tip problem of this abnormal microstructure was essentially resolved through making a series of specific modifications on carburizing timing, gas quenching parameter, gas pressure, rotate speed and cycle time.

GEAR 5th LPC non-martensite microstructure

1006-8244(2015)02-026-05

* 該項(xiàng)目得到了上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)的資助，資助課題編號(hào)為“13DZ2250400(上海市汽車變速器工程技術(shù)研究中心)”

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