汽車齒輪鍛坯熱處理工藝優(yōu)化研究

秦 娟

(煙臺汽車工程職業(yè)學(xué)院 智能汽車工程系，山東 煙臺 265500)

汽車齒輪為汽車的關(guān)鍵零件，若汽車齒輪存在質(zhì)量問題，可使汽車的安全性受到威脅。當(dāng)前生產(chǎn)高精度、低噪聲、使用壽命長的汽車齒輪已成為汽車制造領(lǐng)域的發(fā)展方向。但大多數(shù)齒輪均存在生產(chǎn)效率低、能量消耗大等現(xiàn)象，如何提高汽車齒輪的質(zhì)量成為亟待解決的問題。為進一步提高汽車齒輪的性能，通過多項熱處理工藝對齒輪進行熱處理，以此實現(xiàn)對汽車齒輪的優(yōu)化，有利于提高汽車的安全性。

1 汽車齒輪熱處理工藝概述

汽車齒輪的制造原材料為低碳合金滲碳鋼，其制造工序主要包括5個步驟：

(1)采用鍛造工藝完成齒輪毛坯的制作；

(2)利用預(yù)先熱處理工藝對齒輪毛坯進行預(yù)處理；

(3)對預(yù)處理后的齒輪毛坯進行切削加工，使齒輪毛坯與預(yù)設(shè)的形狀相符合；

(4)實施滲碳淬火工藝，通過該方式得到汽車齒輪的高碳表面層；

(5)利用冷熱加工工序?qū)X輪毛坯進行精加工處理，該步驟可重復(fù)多次。

經(jīng)過制造工序形成的汽車齒輪具有良好的耐磨性、耐疲勞性以及耐腐蝕性等優(yōu)勢，汽車齒輪的表面硬度較高、心部韌性較好，可廣泛應(yīng)用于汽車制造領(lǐng)域[1-2]。

1.1 預(yù)先熱處理工藝

該工藝為汽車齒輪制造過程的核心步驟，通過對汽車齒輪毛坯進行預(yù)先熱處理，可使汽車齒輪毛坯的表面呈現(xiàn)較高的硬度，為齒輪毛坯的第2次熱處理做鋪墊。傳統(tǒng)預(yù)先熱處理工藝的核心方法為正火處理，該方法對設(shè)備的要求較低，可在無任何大型加工設(shè)備的基礎(chǔ)上完成汽車齒輪的制作。采用正火處理方法生產(chǎn)汽車齒輪時，該方法對能量的消耗較少，同時對工藝的要求較為簡單，被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)中。但該方法可使汽車齒輪出現(xiàn)毛坯強度較低以及變形的問題，將該齒輪用于汽車生產(chǎn)中，不利于維持汽車的穩(wěn)定運行[3-4]。

1.2 滲碳工藝

該工藝主要通過氣體滲碳的方式提升汽車齒輪的綜合力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于汽車齒輪的生產(chǎn)。大多數(shù)汽車生產(chǎn)商均采用滲碳工藝進行齒輪生產(chǎn)，氣體滲碳工藝實際上是一種較為常見的表面硬化處理工藝，將該工藝引進低碳鋼的生產(chǎn)中，可使低碳鋼的性能達到較高水平。大多數(shù)汽車生產(chǎn)廠家為生產(chǎn)出性能最佳的滲碳層深度，在汽車生產(chǎn)設(shè)備中引進計算機控制系統(tǒng)，通過計算機全程控制汽車的生產(chǎn)程序，該系統(tǒng)控制的主要內(nèi)容為滲碳的深度以及表面硬度，在計算機控制系統(tǒng)的支持下，有利于降低汽車齒輪出現(xiàn)變形現(xiàn)象的概率。

1.3 碳氮共滲工藝

為保證汽車齒輪具有良好的滲透深度及硬度，本研究選用碳氮共滲工藝對汽車齒輪進行處理。碳氮共滲工藝可在特定的時間內(nèi)提升汽車齒輪滲透層的深度及硬度，同時該工藝可最大限度地降低汽車零件出現(xiàn)變形的概率，并提升汽車齒輪的強度以及耐磨性能。碳氮共滲工藝是經(jīng)過多次試驗和研究后形成的先進技術(shù)，最開始被應(yīng)用在坦克的齒輪生產(chǎn)中，隨后被推廣至民用汽車的齒輪生產(chǎn)，最終普及于全國的汽車齒輪生產(chǎn)。

1.4 滲氮工藝

該工藝為傳統(tǒng)熱處理工藝中的一種，采用該工藝進行汽車齒輪的生產(chǎn)，可使汽車齒輪的承載能力無法得到預(yù)期效果，不利于滲氮工藝的推廣。但滲氮工藝對溫度的要求較低，采用該工藝完成汽車齒輪的生產(chǎn)時，可降低鍛造坯的畸變程度，并減少加工工藝的程序。將該技術(shù)應(yīng)用于汽車齒輪生產(chǎn)中，有利于降低單位的生產(chǎn)成本[5-6]。

1.5 感應(yīng)淬火

大部分汽車生產(chǎn)廠家在汽車齒輪的制造初期均采用感應(yīng)淬火的方式完成生產(chǎn)，該工藝具有較高的生產(chǎn)效率，可有效降低工件的變形概率；同時還具有能量消耗低、易實現(xiàn)自動化等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于汽車生產(chǎn)領(lǐng)域。

2 基于熱處理工藝的汽車齒輪鍛坯優(yōu)化試驗方法

本研究為提高汽車齒輪的質(zhì)量，通過多種熱處理工藝對齒輪鍛坯進行熱處理，從而獲取良好的切削性和均勻的組織，有利于減低汽車齒輪鍛坯在滲碳淬火時發(fā)生不規(guī)則變形的概率。為獲取熱處理工藝對汽車齒輪鍛坯性能的影響，對汽車齒輪鍛坯的性能進行研究。

2.1 汽車齒輪鍛坯試驗材料

汽車齒輪鍛坯性能試驗開始之前，應(yīng)完成試驗的準備工作，選用20MnCr5鋼汽車齒輪鍛坯作為該試驗的樣本；20MnCr5鋼汽車齒輪鍛坯的化學(xué)成分和質(zhì)量分數(shù)如表1所示[7]。

表1 20MnCr5鋼汽車齒輪鍛坯的化學(xué)成分和質(zhì)量分數(shù)Tab.1 Chemical composition and mass fraction of 20MnCr5 steel automobile gear forging blank

汽車齒輪鍛坯的選材及生產(chǎn)方式：

(1)將20MnCr5鋼的化學(xué)成分作為主要依據(jù)，在化學(xué)成分的基礎(chǔ)上完成汽車齒輪鍛坯的配料，利用感應(yīng)淬火工藝對試驗樣本進行熱處理，以此實現(xiàn)對試驗樣本的熔煉，通過電渣重熔的方法對汽車齒輪鍛坯進行冶煉、澆注以及冷卻等操作，即可獲取尺寸為φ200 mm×700 mm的20MnCr5鋼棒狀坯料；

(2)采用閉式模鍛的方法完成試驗樣本的鍛壓，在自制的模具上以此進行下料、加熱、鐓粗、預(yù)鍛、終鍛以及沖連皮等操作，即可實現(xiàn)汽車齒輪鍛坯的生產(chǎn)；

(3)利用模鍛系統(tǒng)對生產(chǎn)完畢的汽車齒輪鍛坯進行處理，可提升該材料的基本性能，該系統(tǒng)包括上下模、汽車齒輪鍛坯以及毛邊槽等部分[8-9]。

對汽車齒輪鍛坯進行鍛壓過程中，整個生產(chǎn)工序的始鍛溫度為1 150 ℃，終鍛溫度控制在800 ℃，鍛壓變形量為8.6%，汽車齒輪鍛坯試驗樣本的熱處理工藝如表2所示。

表2 汽車齒輪鍛坯試驗樣本的熱處理工藝Tab.2 Heat treatment process of automobile gear forging billet test sample

2.2 汽車齒輪鍛坯試驗方法

本研究對汽車齒輪鍛坯試驗樣本的耐磨損性能進行測試時，采用THT型高溫摩擦磨損試驗機作為該試驗的核心設(shè)備。對試驗樣本進行選取時，將試驗樣本切割成尺寸為φ10 mm×5 mm的棒狀結(jié)構(gòu)，試驗樣本切割完畢后，將其置于室溫環(huán)境下，驗證汽車齒輪鍛坯的耐磨損性能。試驗開始前，將THT型高溫摩擦磨損試驗機的載荷控制在100 N，相對滑動速度調(diào)節(jié)至120 mm/min，磨輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至240 r/min，磨損時間為20 min。試驗開始之后，應(yīng)實時記錄試驗樣本的體積變化情況，并根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)完成磨損體積的計算，最后利用JSM6510型掃描電子顯微鏡(SEM)對磨損后的試驗樣本的表面形貌進行觀察[10-11]。

對汽車齒輪鍛坯試驗樣本的拉伸性能進行測試時，采用BDL-500L型拉伸試驗機作為該試驗的核心設(shè)備。對試驗樣本進行選取時，將汽車齒輪切割成尺寸為φ20 mm×15 mm×5 mm的矩形結(jié)構(gòu)，該試驗樣本為V型開口，其開口的深度為2 mm。試驗樣本切割完畢后，將其置于室溫環(huán)境下，驗證汽車齒輪鍛坯的拉伸性能。試驗開始之前，將試驗樣本的拉伸速度調(diào)節(jié)為1 mm/s。試驗開始之后，應(yīng)實時記錄試驗樣本的抗拉強度、屈服強度以及斷后伸長率等變化情況。最后利用JSM6510型掃描電子顯微鏡(SEM)對試驗樣本的拉伸斷口形貌進行觀察[12-13]。

3 基于熱處理工藝的汽車齒輪鍛坯優(yōu)化試驗結(jié)果與分析

3.1 汽車齒輪鍛坯耐磨損性能

通過對汽車齒輪鍛坯的耐磨損性能進行試驗驗證可知，不同的熱處理工藝可使汽車齒輪鍛坯的耐磨損性能出現(xiàn)不同程度的變化。研究采用常規(guī)退火方法對汽車齒輪鍛坯試驗樣本進行熱處理時，試驗樣本的磨損體積與退火溫度之間呈反比關(guān)系變化，隨著退火溫度的不斷升高，可使試驗樣本的磨損體積逐漸減小，當(dāng)試驗樣本的磨損體積降至最小范圍時，呈現(xiàn)增大的趨勢。采用等溫退火方法對汽車齒輪鍛坯試驗樣本進行熱處理時，試驗樣本的體積出現(xiàn)明顯減小的情況，試驗樣本的磨損體積與耐磨損性能之間呈反比關(guān)系變化。隨著試驗樣本磨損體積的減小，可提升汽車齒輪鍛坯的耐磨損性能。當(dāng)試驗樣本磨損體積出現(xiàn)增長的情況時，可使汽車齒輪鍛坯的耐磨損性能逐漸變差。由試驗樣本的變化情況可知，采用常規(guī)退火和等溫退火的方法分別對試樣樣本進行熱處理，其中等溫退火方法更具優(yōu)勢，有利于增強試驗樣本的耐磨損性能。汽車齒輪鍛坯耐磨損性能測試結(jié)果如圖1所示[14-1]。

圖1 汽車齒輪鍛坯耐磨損性能測試結(jié)果Fig.1 Wear resistance test results of automobile gear forging blank

從圖1可以看出，退火溫度控制在800 ℃時，眾多試驗樣本中，編號1的磨損體積最大，其數(shù)值為31.8×10-3mm3，該試驗樣本的耐磨損性能最差。當(dāng)退火溫度控制在860 ℃時，眾多試驗樣本中，編號4的磨損體積數(shù)值為17.1×10-3mm3，采用對比分析的方式對編號4、1進行分析，編號4較編號1的磨損體積減小了46%。采用常規(guī)退火方法對試驗樣本進行熱處理時，編號4的磨損體積最小，但該樣本的耐磨損性能最優(yōu)。當(dāng)退火溫度控制在880 ℃時，編號4的磨損體積數(shù)值為21.5×10-3mm3，編號4較編號1的磨損體積減小了32%，其耐磨損性能呈下降趨勢變化。

對汽車齒輪鍛坯進行熱處理時，應(yīng)嚴格控制退火的溫度，適宜的退火溫度在一定程度上可提高汽車齒輪鍛坯的耐磨損性能。選用常規(guī)退火方法對樣本進行熱處理時，應(yīng)將退火的溫度調(diào)節(jié)為860 ℃。采用等溫退火方法對汽車齒輪鍛坯進行處理時，編號6的磨損體積為11.8×10-3mm3，該樣本的磨損體積較編號1降低了63%，較編號4降低了31%。等溫退火方法處理的試驗樣本性能明顯優(yōu)于常規(guī)退火方法處理的試驗樣本[16-17]。

采用常規(guī)退火和等溫退火方法分別對試驗編號4、6的樣本進行處理，并利用JSM6510型掃描電子顯微鏡分析試驗編號4、6的表觀面貌。其中編號4的表面出現(xiàn)較多的磨痕，并伴隨起皮現(xiàn)象，該樣本的磨損現(xiàn)象較為嚴重。編號6的表面存在少量細小的磨痕，該樣本的起皮現(xiàn)象較少，耐磨損性能較之前具有明顯改善。綜上所述，等溫退火工藝更適用于汽車齒輪的生產(chǎn)制造，可使汽車齒輪的耐磨損性能出現(xiàn)明顯提升。

3.2 汽車齒輪鍛坯拉伸性能

通過對汽車齒輪鍛坯的拉伸性能進行試驗驗證可知，不同的熱處理工藝可使汽車齒輪鍛坯的拉伸性能出現(xiàn)不同程度的變化。本研究采用常規(guī)退火方法對汽車齒輪鍛坯試驗樣本進行熱處理時，隨著退火溫度的提升，試驗編號1～5的性能變化情況為：汽車齒輪鍛坯試驗樣本的抗拉強度和屈服強度呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢；而斷后伸長率呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢。采用等溫退火方法對汽車齒輪鍛坯試驗樣本進行熱處理時，試驗編號6的性能變化情況為：汽車齒輪鍛坯試驗樣本的抗拉強度和屈服強度均優(yōu)于常規(guī)退火方法處理的樣本，其斷后伸長率方面小于常規(guī)退火工藝處理的樣本[18]。汽車齒輪鍛坯拉伸性能測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 汽車齒輪鍛坯拉伸性能測試結(jié)果Fig.2 Tensile performance test results of forging slab of automobile gear

從圖2可以看出，對汽車齒輪鍛坯進行熱處理時，應(yīng)嚴格控制退火的溫度，適宜的退火溫度在一定程度上可提高汽車齒輪鍛坯的拉伸性能。選用常規(guī)退火方法對樣本進行熱處理時，應(yīng)將退火的溫度調(diào)節(jié)為860 ℃。采用等溫退火方法對汽車齒輪鍛坯進行處理時，可使試驗樣本的性能明顯優(yōu)于常規(guī)退火方法處理的試驗樣本[19-20]。

采用常規(guī)退火和等溫退火方法分別對試驗編號4、6的樣本進行處理，并利用JSM6510型掃描電子顯微鏡分析試驗編號4、6的表觀面貌。其中編號4的表面出現(xiàn)較淺的粗大韌窩；編號6表面的韌窩明顯減小、變深。綜上所述，等溫退火工藝更適用于汽車齒輪的生產(chǎn)制造，可使汽車齒輪的拉伸性能出現(xiàn)明顯提升。

4 結(jié)語

本研究為進一步提升汽車齒輪的質(zhì)量，采用多種熱處理工藝對齒輪鍛坯進行熱處理，有利于減低汽車齒輪鍛坯在滲碳淬火時發(fā)生不規(guī)則變形的概率。通過對汽車齒輪鍛坯的性能進行研究，獲取熱處理工藝對汽車齒輪鍛坯性能的影響。不同的熱處理工藝可使汽車齒輪鍛坯的耐磨損性能出現(xiàn)不同程度的變化。眾多工藝中，等溫退火工藝更適用于汽車齒輪的生產(chǎn)制造，將該方法應(yīng)用于汽車齒輪生產(chǎn)中，可提升汽車齒輪的整體質(zhì)量。