真空低壓滲碳熱處理在重載齒輪上的應(yīng)用

朱鵬凱，徐 燊，陳旭陽(yáng)，張曉田，李 陽(yáng)

（1.陜西法士特汽車傳動(dòng)集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710119；2.北京機(jī)電研究所有限公司，北京 100083）

重載齒輪一般在使用過(guò)程中受到較大的扭矩，零件在長(zhǎng)時(shí)間服役時(shí)為保證動(dòng)力高效平穩(wěn)的傳輸，對(duì)其疲勞性能有著較高的要求[1-2]，這類零件一般采用滲碳淬火的方法來(lái)提高硬度，改善材料內(nèi)部組織，以提高零件的綜合使用性能[3-4]。傳統(tǒng)氣氛滲碳熱處理技術(shù)較為成熟，在重載齒輪滲碳熱處理領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，但也存在著滲碳周期長(zhǎng)、零件表面存在內(nèi)氧化以及零件清潔度差等諸多缺點(diǎn)，隨著產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求的提高，傳統(tǒng)氣氛滲碳熱處理技術(shù)已逐漸不能滿足未來(lái)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需求。

真空滲碳熱處理技術(shù)具有生產(chǎn)效率高、無(wú)氧化、清潔等特點(diǎn)[5-7]，可以彌補(bǔ)氣氛滲碳熱處理的不足，目前在乘用車領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，但在商用車變速箱領(lǐng)域相關(guān)應(yīng)用研究較少。為了研究重載齒輪真空滲碳熱處理的工藝性，本文針對(duì)商用車同步器齒轂，分別進(jìn)行傳統(tǒng)氣氛滲碳熱處理與真空低壓滲碳熱處理試驗(yàn)，對(duì)比分析兩種工藝熱處理后組織、硬度梯度及變形情況。

1 試驗(yàn)零件及過(guò)程

1.1 試驗(yàn)零件

試驗(yàn)零件為重載商用車變速箱用某型號(hào)同步器齒轂，同步器可以在手動(dòng)變速箱中實(shí)現(xiàn)換擋同步，齒轂為同步器中核心零部件之一，零件具體尺寸根據(jù)不同箱型設(shè)計(jì)所定，典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，外圓直徑φ150 mm左右，有效厚度在20～30 mm之間，在使用過(guò)程中受到周期性載荷，對(duì)其齒部接觸疲勞強(qiáng)度和表面耐磨性有著較高的要求。零件材料為20CrMnTiH合金鋼，具體化學(xué)成分如表1所示。

表1 20Cr MnTiH鋼主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical composition of the 20Cr MnTiH steel（mass fraction，%）

圖1 同步器齒轂三維模型Fig.1 Three dimensional model of the synchronizer gear hub

對(duì)零件進(jìn)行滲碳淬火處理后采用線切割機(jī)沿著徑向取樣，使用不同目數(shù)的砂紙對(duì)試樣表面進(jìn)行打磨，采用拋光機(jī)對(duì)試樣表面進(jìn)行拋光處理后，用T2500（WH-2500）型顯微硬度計(jì)分別在齒面和齒根圓角處進(jìn)行硬度梯度檢測(cè)，加載載荷砝碼為1 kg，保載時(shí)間為12 s。用體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精溶液對(duì)試樣表面進(jìn)行腐蝕，腐蝕時(shí)間為5～8 s。制樣完成后采用Observer.A1M光學(xué)顯微鏡對(duì)顯微組織進(jìn)行觀察，使用螺旋測(cè)微器和量棒對(duì)零件熱處理前后的外花鍵跨棒距進(jìn)行測(cè)量，使用格里森齒輪測(cè)量中心測(cè)量零件熱處理前后的齒距累積值。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

真空試驗(yàn)在真空滲碳熱處理爐上完成，試驗(yàn)工藝為真空滲碳+油淬（高壓氣淬）+回火，淬火溫度為960℃，滲碳工藝總時(shí)間為305 min，具體滲碳淬火工藝曲線見(jiàn)圖2（a），采用飽和值調(diào)整法循環(huán)通入乙炔和保護(hù)氮?dú)膺M(jìn)行表面滲碳和內(nèi)部擴(kuò)散；傳統(tǒng)氣氛滲碳淬火試驗(yàn)在箱式氣氛爐中完成，試驗(yàn)工藝為氣氛滲碳+淬火+回火，使用丙酮和甲醇以及氮?dú)庾鳛闈B碳?xì)夥?，淬火溫?30℃，滲碳工藝總時(shí)間為205 min，工藝曲線見(jiàn)圖2（b）。因傳統(tǒng)氣氛滲碳溫度較真空滲碳溫度低，加熱冷卻時(shí)到溫所需時(shí)間短，整體工藝時(shí)間也較短。

圖2 滲碳工藝曲線示意圖Fig.2 Schematic diagram of carburizing process curves

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 硬化層深

硬化層深的檢測(cè)位置分別在外花鍵齒面和齒根處，采用硬度梯度法，由表面向垂直于齒面的方向，每

間隔0.1 mm取一點(diǎn)進(jìn)行硬度檢測(cè)，得到由表面到心部的硬度梯度，取硬度513 HV位置點(diǎn)距表面的距離為零件的滲碳硬化層深參考值。對(duì)比了真空滲碳+油淬和氣氛滲碳+油淬兩種工藝熱處理后的硬化層深，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同工藝下試驗(yàn)鋼的硬度分布曲線Fig.3 Hardness profiles of the tested steel under different processes

受零件結(jié)構(gòu)影響，齒根處靠近齒輪基體，不利于淬火時(shí)奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，對(duì)于真空滲碳和氣氛滲碳，兩種工藝滲碳后在齒根處的硬化層深均小于齒面。表2給出了不同工藝下零件不同位置的滲層深度，該零件齒面層深設(shè)計(jì)要求為0.5～0.9 mm，兩種工藝均可以滿足圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求。

表2 不同工藝下外花鍵硬化層深Table 2 Hardened layer depth of external spline under different processes

對(duì)比兩種工藝對(duì)硬度梯度的影響，在0.4 mm范圍內(nèi)，真空滲碳零件滲層硬度變化平緩，而氣氛滲碳硬度逐漸降低；在0.4～1.0 mm滲層范圍內(nèi)，隨著含碳量的降低，真空滲碳和氣氛滲碳后零件表層硬度均逐漸降低，兩種工藝對(duì)硬度的影響除了數(shù)值大小外，其變化規(guī)律基本一致，硬度梯度可通過(guò)改變工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整；在滲碳層深1.0 mm范圍后，已達(dá)到外界滲入碳原子的最大深度，兩種工藝下的硬度值變化緩慢，硬度為基體硬度。

2.2 顯微組織分析

2.2.1 晶間氧化

晶間氧化形成原因是在滲碳過(guò)程中，氧原子與表層合金元素形成氧化物并沿著晶界析出，產(chǎn)生了內(nèi)氧化，使表層的合金元素發(fā)生貧化，淬透性降低，在淬火后形成貝氏體、屈氏體等非馬氏體組織[8-9]。

真空滲碳和氣氛滲碳后的晶間氧化情況如圖4所示，真空滲碳的滲碳?xì)夥罩胁缓醒踉?，滲碳完成后幾乎無(wú)晶間氧化現(xiàn)象；而傳統(tǒng)氣氛滲碳所使用的甲醇、丙酮等介質(zhì)在高溫下裂解出的氧原子與合金元素結(jié)合形成氧化物，沿著晶界析出形成了內(nèi)氧化，如圖4（b）所示，最大晶間氧化深度為8.05μm。

圖4 滲碳淬火后試驗(yàn)鋼表層晶間氧化Fig.4 Surface intergranular oxidation of the tested steel after carburizing and quenching

2.2.2 非馬氏體組織

非馬氏體組織的存在會(huì)降低零件表面硬度，影響硬度梯度，從而降低零件的疲勞強(qiáng)度和使用壽命，因此，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，熱處理工藝應(yīng)控制非馬氏體組織出現(xiàn)的深度，盡可能減小或避免非馬氏體組織的形成。

圖5（a，b）分別為真空滲碳和氣氛滲碳經(jīng)淬火后的滲層顯微組織照片，因真空滲碳工藝在滲碳過(guò)程中無(wú)氧原子的參與，未發(fā)生內(nèi)氧化，淬火后的次表層幾乎無(wú)非馬氏體組織的出現(xiàn)，而氣氛滲碳工藝在滲碳過(guò)程中零件表層已經(jīng)產(chǎn)生了部分內(nèi)氧化，這些區(qū)域在淬火時(shí)因淬透性降低產(chǎn)生非馬氏體組織，最大達(dá)到了14.2μm。

圖5 滲碳淬火后試驗(yàn)鋼表層非馬氏體組織Fig.5 Surface non-martensitic structures of the tested steel after carburizing and quenching

2.2.3 殘留奧氏體組織

圖6（a，b）分別為真空滲碳淬火和傳統(tǒng)氣氛滲碳淬火后表層組織狀態(tài)，均為片狀馬氏體+少量殘留奧氏體，從橫截面金相結(jié)果來(lái)看，兩種工藝下次表層滲碳組織類型和含量差異不大。

圖6 滲碳淬火后試驗(yàn)鋼表層組織Fig.6 Surface microstructure of the tested steel after carburizing and quenching

2.2.4 熱處理畸變

齒轂外徑尺寸精度是零件加工過(guò)程中重點(diǎn)控制的參數(shù)，為了分析不同工藝對(duì)零件熱處理畸變的影響，對(duì)比了真空滲碳下油淬和高壓氣淬以及氣氛滲碳+油淬3種工藝熱處理后零件外花鍵的跨棒距變化量和花鍵累積值Fp。外花鍵跨棒距可反映零件徑向尺寸變化，是衡量帶花鍵軸類和齒輪類零件熱處理畸變的重要指標(biāo)之一。對(duì)同批次加工的齒轂真空滲碳和氣氛滲碳熱處理前、后外花鍵跨棒距進(jìn)行了測(cè)量，匯總數(shù)據(jù)如表3所示。由圖7（a）可以明顯看出，3種工藝熱處理后外花鍵跨棒距均有一定程度的增加，說(shuō)明零件經(jīng)熱處理后均沿著徑向膨脹，其中真空滲碳+高壓氣淬工藝零件的跨棒距變化量最小，氣氛滲碳+油淬、真空滲碳+油淬兩種工藝對(duì)跨棒距的影響較大，且二者之間無(wú)明顯差異。

圖7 試驗(yàn)鋼熱處理畸變曲線Fig.7 Heat treatment distortion curves of the tested steel

表3 不同滲碳工藝下外花鍵跨棒距Table 3 Span distance of external spline under different carburizing processes

花鍵累積值Fp為齒輪同側(cè)齒面任意弧段內(nèi)的最大齒距累積偏差，表現(xiàn)為累積偏差曲線的總幅值，反映了齒的位置度以及齒經(jīng)熱處理后沿著周向變形的均勻程度，F(xiàn)p越小，齒在齒輪周向分布的位置度越好。對(duì)經(jīng)不同工藝熱處理前后的零件測(cè)其Fp值大小，結(jié)果如表4所示，可以看出經(jīng)熱處理后Fp值均發(fā)生了增大，3種熱處理工藝中，真空滲碳+高壓氣淬的方式累積Fp值變化量最小，說(shuō)明零件在高壓氣淬的過(guò)程中有著較好的變形協(xié)調(diào)性。

表4 不同滲碳工藝下外花鍵齒距累積F pTable 4 Cumulative F p of external spline pitch underdifferent carburizing processes

零件在滲碳淬火過(guò)程中的熱處理畸變主要由淬火冷卻過(guò)程中應(yīng)力的釋放造成，一般來(lái)說(shuō)，冷卻速度越平緩，零件冷卻過(guò)程內(nèi)外溫差越小，淬火后的畸變就越小[10-11]。從3種工藝熱處理后零件的畸變結(jié)果來(lái)看，真空滲碳+高壓氣淬工藝在零件的熱處理畸變控制上表現(xiàn)最好。

3 結(jié)論

對(duì)比了20CrMnTiH合金鋼同步器齒轂在真空滲碳+油淬、真空滲碳+高壓氣淬以及氣氛滲碳+油淬3種工藝熱處理后顯微組織、硬度及熱處理畸變的區(qū)別，主要有以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）真空低壓滲碳技術(shù)在晶間氧化、非馬氏體組織控制上相對(duì)傳統(tǒng)氣氛滲碳有較大的優(yōu)勢(shì)，熱處理后幾乎無(wú)晶間氧化和非馬組織的出現(xiàn)，有利于改善滲碳熱處理后零件次表層組織狀態(tài)，提高產(chǎn)品使用性能。

2）受零件結(jié)構(gòu)影響，對(duì)于真空滲碳和氣氛滲碳，在均為油液淬火的前提下，齒根處同深度下的硬度低于齒面；在距離0.4 mm滲層內(nèi)真空滲碳后材料硬度可維持一較高水平基本不變，而氣氛滲碳后硬度從表面到心部會(huì)持續(xù)降低。

3）淬火過(guò)程對(duì)零件熱處理畸變有著重要的影響，零件在高壓氣淬過(guò)程中冷卻緩慢，導(dǎo)致內(nèi)外溫差小，各部分的畸變情況更加均勻，徑向和周向均表現(xiàn)出較好的變形協(xié)調(diào)性，相比油液淬火在熱處理畸變控制上具有一定的優(yōu)勢(shì)。