汽車滲碳齒輪的心部硬度控制

劉超

摘 要：汽車制造過程中，對(duì)每項(xiàng)部件的要求都要達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)，由于在真正實(shí)施過程中，受材料、條件、設(shè)備等影響，得到的成果會(huì)有所不同，而且對(duì)于不斷運(yùn)轉(zhuǎn)的齒輪來說，為了傳遞動(dòng)力在嚙合時(shí)需要承受各種力量的沖擊和壓迫，這就對(duì)滲碳齒輪的心部硬度有了一個(gè)強(qiáng)性要求，本篇文章將通過試驗(yàn)所得的結(jié)論來對(duì)如何控制滲碳齒輪心部強(qiáng)度進(jìn)行具體分析。

關(guān)鍵詞：汽車齒輪；滲碳齒輪；心部硬度

影響齒輪的質(zhì)量因素很多，因?yàn)樵谶\(yùn)轉(zhuǎn)過程中需要承受脈動(dòng)沖擊力和彎曲應(yīng)力等，因此對(duì)其制造工藝就有嚴(yán)格的要求，以便于控制心部硬度在工作時(shí)依舊給滲碳齒輪提供充分的支撐和強(qiáng)韌性。在制造齒輪時(shí)會(huì)依據(jù)不同的要求提供不同的材料來保證質(zhì)量，而進(jìn)行滲碳后的質(zhì)量會(huì)采用硬度及金相檢驗(yàn)，以此保證心部硬度達(dá)到能夠承受沖擊的標(biāo)準(zhǔn)。作為滲碳齒輪的綜合性指標(biāo)，對(duì)承載特性要求是很高的，因此這篇文章對(duì)如何控制心部硬度進(jìn)行分析和探究。

1 汽車滲碳齒輪心部硬度測(cè)定及合適范圍

隨著改革開放以來政策的鼓勵(lì)和支持，以及科學(xué)技術(shù)的大力支持，制造高質(zhì)量的汽車齒輪的指標(biāo)也在不斷地提高。若沿用標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)不能很好地滿足現(xiàn)狀，比如長(zhǎng)期以來我國(guó)汽車齒輪標(biāo)準(zhǔn)中，沿用的是原蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行測(cè)定心部硬度，測(cè)定位置確定在距齒頂2/3齒高處，硬度規(guī)定范圍為H RC 33一48，但是依據(jù)專業(yè)分析可得由于考慮心部的承載需要，這樣的標(biāo)準(zhǔn)不算足夠合理。因此目前國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定測(cè)定位置在齒寬中部法截面上即齒的中心線與齒根圓的交點(diǎn)處，相比之前的要求更加精確也更加具體。顯然這一新的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的執(zhí)行可以反映出鋼材的淬透性及熱處理淬火的質(zhì)量，并得到了大家的認(rèn)同而被采納，然而這種規(guī)定并沒有被工廠嚴(yán)格地執(zhí)行下去。根據(jù)一些工廠的試驗(yàn)得出的結(jié)論可以了解到心部硬度在模數(shù)不同的情況下進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，不同用途的齒輪的心部硬度控制為一致比如H R C 33一48，是不符合實(shí)際情況的。經(jīng)國(guó)外試驗(yàn)得出國(guó)內(nèi)試驗(yàn)幾乎相同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠闡述：模數(shù)較大的齒滲層較深的齒輪需要控制較低的心部硬度，高于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)會(huì)增加齒輪質(zhì)量的脆性，抗彎強(qiáng)度就不太理想，因此控制在H R c 33～42范圍內(nèi)可以避免和緩解這類問題。

2 新型技術(shù)及制造工藝對(duì)齒輪心部硬度的影響

2.1 碳化物對(duì)滲碳齒輪的影響

隨著高科技對(duì)技術(shù)水平的促進(jìn)，相關(guān)實(shí)驗(yàn)人員對(duì)汽車滲碳齒輪的研究展開了新征途，對(duì)其中硬度可達(dá)Hv1000以上的碳化物研究較多，汽車齒輪中采用滲碳齒輪的原因就是，碳化物在滲碳層中呈塊、角的形狀便于集中微區(qū)應(yīng)力，那么形成的網(wǎng)絡(luò)狀就增加了脆性會(huì)對(duì)齒輪的疲勞壽命有所降低。

2.2 淬火處理

滲碳步驟一般是為了提高齒輪的表面的耐磨性，碳濃度和耐磨性成正比，碳濃度的增加會(huì)提高耐磨性。滲碳后不淬火得到的高碳鋼正火組織，在碳濃度足夠和冷卻速度足夠緩慢的情況下得到網(wǎng)狀碳化物降低疲勞壽命，不經(jīng)過熱處理的部件難以產(chǎn)生起到耐磨作用的組織。那么淬火的目的就是提高硬度，得到更多的馬氏體組織，以便于二次分解成索氏體得到較好的機(jī)械性能。而專業(yè)制造人員都了解的是，齒輪的心部硬度恰巧主要依賴于原材料的淬透性如何，因?yàn)闈B碳齒輪的心部幾乎沒有滲碳，可以保持原來的化學(xué)材質(zhì)。淬火工藝應(yīng)用極其廣泛，在工具、磨具、部件等制造業(yè)中都需要這一工藝。在進(jìn)行淬火過程中，各方面的參數(shù)要求都需要嚴(yán)格執(zhí)行，尤其是淬火時(shí)的溫度進(jìn)行不同的控制也會(huì)有不同的成效。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。淬火作為用來提高硬度和強(qiáng)度及耐磨性的熱處理工藝，在加熱到一定溫度后需要急速冷卻，那么關(guān)于其冷卻介質(zhì)的選擇就值得探討一番。淬火冷卻介質(zhì)理想的狀態(tài)應(yīng)該具備的條件是能夠使部件可以淬成馬氏體，但也不會(huì)引起太大的應(yīng)力，那么就應(yīng)該控制攪拌速度來達(dá)到理想效果。在此基礎(chǔ)之上就整理出一些提高效率的方法例如：提高淬火溫度、提高攪拌速度等工藝參數(shù)來提高冷卻速度，或者從其他角度入手，比如提高材料的淬透性帶位置及直接使用冷卻速度快的介質(zhì)。面對(duì)滲碳齒輪淬火后心部硬度還是低的情況，那么如果允許在一定的范圍對(duì)零件外形進(jìn)行變形的情況下，可以采用提高淬火溫度、加強(qiáng)冷卻等方法重新加熱淬火，或者采用適當(dāng)增加滲碳層厚度的方法來滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 汽車滲碳齒輪的心部硬度控制

對(duì)于總結(jié)得出的對(duì)齒輪心部硬度會(huì)產(chǎn)生影響的幾方面原因，決定經(jīng)過改變不同的參數(shù)來進(jìn)行試驗(yàn)，以便總結(jié)試驗(yàn)結(jié)果來得出合適的控制心部強(qiáng)度的方法。明顯得到的結(jié)論是，面對(duì)不同淬透性值的鋼材在相同的熱處理流程下展現(xiàn)的心部強(qiáng)度也有所不同，那就啟示研究人員這些專業(yè)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并不是空穴來風(fēng)，而是需要全面的設(shè)計(jì)試驗(yàn)條件。

3.1 對(duì)熱處理工藝參數(shù)的調(diào)整

對(duì)于材料的淬火和回火是熱處理工藝中的重中之重，也是在眾多制造業(yè)中應(yīng)用極其廣泛的工序。了解一些基本的熱處理知識(shí)后，會(huì)對(duì)淬火的作用有比較全面的認(rèn)知，再配以不同溫度的回火，可以減輕產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)達(dá)到增加強(qiáng)度的目的。在以上滲碳工藝的基礎(chǔ)上，嚴(yán)格控制提高了淬火溫度到（890± 10）℃，也減少了裝爐量到每爐140件，然后維持其他 參數(shù)不變，經(jīng)調(diào)整后的熱處理工藝順利進(jìn)行之后，對(duì)其心部硬度進(jìn)行了檢測(cè)，具體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出調(diào)整熱處理工藝參數(shù)的確會(huì)對(duì)心部強(qiáng)度產(chǎn)生一定的影響。尤其是針對(duì)提高淬火溫度和減少裝爐量后，心部硬度確實(shí)有所提高，但是依舊會(huì)有上文分析的經(jīng)熱處理后硬度還是不夠的現(xiàn)象，甚至?xí)a(chǎn)生變形，由于汽車齒輪零件心部強(qiáng)度難以達(dá)到穩(wěn)定的控制性，再次經(jīng)工藝制造會(huì)耗費(fèi)大成本，對(duì)制造業(yè)本身就是一種負(fù)擔(dān)。因此，控制好熱處理工藝的參數(shù)，嚴(yán)格執(zhí)行要求和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，會(huì)得到預(yù)計(jì)的試驗(yàn)成果。其中調(diào)整熱處理工藝的參數(shù)具體實(shí)例有：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。

3.2 淬火冷卻介質(zhì)的調(diào)整

不管是滲碳淬火、感應(yīng)加熱淬火或者其他等，在冷卻過程可能出現(xiàn)的熱處理質(zhì)量問題主要有：淬火后硬度不夠、不均、深度不足；淬火后心部硬度過高等。汽車齒輪制造出現(xiàn)的這類質(zhì)量問題與熱處理和淬火冷卻有關(guān)，調(diào)整合適的冷卻介質(zhì)也不免是一個(gè)好的實(shí)驗(yàn)方法。對(duì)于中小齒輪，淬火硬度不夠是因?yàn)槔渌俨蛔銓?dǎo)致的，這就需要調(diào)整冷卻速度。淬火冷卻速度的偏低會(huì)造成齒輪出現(xiàn)硬度不足、不均或者硬化深度不夠的質(zhì)量問題，但是根據(jù)實(shí)際淬火齒輪的材料、形狀等條件以及熱處理工藝要求的不同，會(huì)自動(dòng)分成幾種溫度和速度不同的情況。不管是淬火油還是水溶性淬火介質(zhì)，在接觸高溫之后會(huì)受到許多影響，會(huì)使介質(zhì)產(chǎn)生不同程度的變化。而水溶性淬火劑對(duì)降低水的低溫冷卻速度有極大的促進(jìn)作用，恰恰相反的是，水溶性淬火液會(huì)使低溫冷卻速度逐漸提高。冷卻介質(zhì)會(huì)變質(zhì)是不可避免的現(xiàn)象，可能由于剛被加入工作的量不多，變質(zhì)程度還不足以造成巨大的影響，也反映不出來齒輪的變質(zhì)問題，但是為了避免隨著淬火量的增加，變質(zhì)程度可能達(dá)到更多，就會(huì)對(duì)部件質(zhì)量造成劣質(zhì)影響，可以考慮直接使用冷卻速度較快的冷卻介質(zhì)，也可以加快攪拌速度來控制整個(gè)體系的進(jìn)行速度。

3.3 材料淬透性的優(yōu)化

因?yàn)樾牟坑捕鹊臋z測(cè)結(jié)果取決于鋼材成分、材料淬透性等參數(shù)，而且面對(duì)不同材料的齒輪所得的心部強(qiáng)度也是不同的。對(duì)于材料的淬透性好與差常借助淬硬層深度來表示，深度越大那么淬透性就越好，而材料的淬透性是其本身擁有的屬性，只取決于其本身的內(nèi)部因素，而與外部因素是無關(guān)的。制造汽車齒輪的鋼材淬透性主要取決于它的化學(xué)成分，加熱溫度和保溫時(shí)間都是會(huì)產(chǎn)生影響的因素，為達(dá)到對(duì)汽車滲碳齒輪的心部 硬度達(dá)到穩(wěn)定的控制要求，優(yōu)化制造工藝所用的材料的淬透性也是有改善效果的比如嘗試試驗(yàn)將零件淬透性帶 由原來的J9：30～36HRC擴(kuò)大為 J9：33～38HRC。

4 結(jié)語

為了適應(yīng)時(shí)代競(jìng)爭(zhēng)的模式，從當(dāng)前市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)情況考慮，穩(wěn)定的產(chǎn)品性能需要較高的技術(shù)指標(biāo)，經(jīng)過多次試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)和分析，了解到需要調(diào)整熱處理工藝參數(shù)以及調(diào)整淬火需要的介質(zhì)，提高各方面的技術(shù)要求，但是這樣還不能達(dá)到對(duì)生產(chǎn)過程的管控，可以選擇采用調(diào)整鋼材淬透性帶的方法來穩(wěn)定產(chǎn)品的心部硬度。對(duì)于用于汽車滲碳齒輪的參數(shù)，要求是很高的，不僅需要達(dá)到一定的抗彎強(qiáng)度，還同樣需要具備足夠的抗沖擊性等。這樣高標(biāo)準(zhǔn)的要求下，有利于控制并減少熱處理時(shí)出現(xiàn)變形的情況，在不斷進(jìn)步的工藝中得到高質(zhì)量的齒輪。

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