王達(dá)鵬 郭成龍 董笑飛 吳寧 姜瑜 高志勇

（1.中國第一汽車集團(tuán)有限公司工程與生產(chǎn)物流部，長春 130011；2.一汽解放汽車有限公司傳動事業(yè)部，長春 130011；3.中國第一汽車集團(tuán)有限公司研發(fā)總院，長春 130011；4.一汽解放商用車開發(fā)院工藝材料部，長春 130011）

1 前言

相對于傳統(tǒng)的可控氣氛滲碳熱處理，真空熱處理技術(shù)更具備“綠色、環(huán)保、節(jié)能、高效”的技術(shù)特點(diǎn)。在當(dāng)前歐州、美國、日本等發(fā)達(dá)國家的汽車工業(yè)中，低壓真空熱處理技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，伴隨汽車行業(yè)競爭日益激烈，我國環(huán)保形勢日益嚴(yán)峻，汽車產(chǎn)品技術(shù)逐步提高，軸齒低壓真空滲碳熱處理技術(shù)將逐步替代常規(guī)可控氣氛滲碳熱處理技術(shù)成為主要的熱處理生產(chǎn)技術(shù)。

汽車運(yùn)行時(shí)，變速箱軸和齒輪不僅承受高速轉(zhuǎn)動時(shí)的扭矩和沖擊，還承受強(qiáng)大的振動力、摩擦力，而且必須滿足在高溫環(huán)境下運(yùn)行；作為變速箱中的關(guān)鍵部件，軸和齒輪產(chǎn)品需要具備良好的機(jī)械性能、綜合力學(xué)性能和耐高溫性能；變速箱齒輪經(jīng)滲碳淬火后，表面碳含量增加，形成針狀馬氏體和殘余奧氏體組織，增強(qiáng)了表面強(qiáng)度和耐磨性，心部仍維持較低的含碳量，能夠保證較高的強(qiáng)度和沖擊韌性。變速箱齒輪和軸在熱處理過程中始終伴有產(chǎn)品變形，在實(shí)際生產(chǎn)中，過大的變形量以及不同條件下變形量的變化在工件經(jīng)過熱后磨削加工后，會造成硬化層的深淺不一，使得殘余應(yīng)力分布不均，影響齒輪的使用壽命。

將依據(jù)我廠引進(jìn)使用的ECM（依西埃姆工業(yè)爐貿(mào)易有限責(zé)任公司）真空滲碳熱處理設(shè)備及實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐，通過試驗(yàn)分析各種維度對齒輪零件的變形影響因素，研究齒輪變形控制方法，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

2 真空熱處理技術(shù)及應(yīng)用簡介

2.1 真空熱處理滲碳技術(shù)工藝原理及實(shí)施過程

低壓真空滲碳熱處理工作原理是在低壓5×10-4～15×10-4MPa真空狀態(tài)下，通過多段脈沖式的滲碳+擴(kuò)散與1個集中的擴(kuò)散過程，達(dá)到所需硬化層深度的方法，如圖1所示。實(shí)際生產(chǎn)中對于1種零件，1個脈沖過程一定層深內(nèi)調(diào)整的層深范圍為0.05～0.07 mm，即每增加或減少1個脈沖階段，層深相應(yīng)的增加或減少0.05～0.07 mm；通過優(yōu)化調(diào)整滲碳、擴(kuò)散時(shí)間配比，可以實(shí)現(xiàn)控制表面碳濃度以及滲碳層深的目的。

圖1 低壓真空脈沖式滲碳+擴(kuò)散原理示意

脈沖式滲碳擴(kuò)散工藝參數(shù)如滲碳擴(kuò)散溫度、滲碳脈沖時(shí)間和次數(shù)，以及氣體流量、淬火控制一般由設(shè)備內(nèi)置模擬軟件和人工實(shí)際生產(chǎn)操作經(jīng)驗(yàn)并依據(jù)零件材料、滲碳總表面積、層深等參數(shù)模擬運(yùn)算得出。零件經(jīng)滲碳擴(kuò)散過程完畢后，移動至氣淬單元，瞬間通入大量高壓氮?dú)馐蛊湓诹慵砻婵焖倭鬓D(zhuǎn)冷卻降溫，實(shí)現(xiàn)氣體冷卻淬火。

我廠引進(jìn)的法國ECM真空滲碳爐共有6個低壓滲碳室，1個氣淬室和1個油淬室。一般滲碳壓力為8×10-4MPa左右，低壓真空滲碳介質(zhì)選用乙炔，滲碳過程乙炔流量一般選用2 500～3 500 L/h，氣淬時(shí)選用氮?dú)鉃榇慊鸾橘|(zhì)，最大淬火壓力≤2 MPa。真空爐設(shè)置有專門的冷卻循環(huán)水系統(tǒng)，同時(shí)整個真空熱處理系統(tǒng)設(shè)備配有5 個低溫回火爐用于淬火后的低溫回火熱處理，1 臺前清洗和1 臺后清洗設(shè)備以及風(fēng)冷臺和1 個高溫回火爐，低壓氮?dú)夤抻糜趦Υ姹Ｗo(hù)氣體氮?dú)猓邏旱抻糜趦Υ娲慊鹩酶邏旱獨(dú)?，軌道小車?fù)責(zé)將放置零件的料盤傳輸至各處理單元，中央控制系統(tǒng)管控各處理單元完成相應(yīng)的工藝過程操作，整個設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行由ECM 真空爐內(nèi)置ICBP（低壓滲碳模塊化設(shè)備）控制系統(tǒng)智能操控并自動運(yùn)行，ECM 真空熱處理設(shè)備系統(tǒng)總覽示意圖如圖2 所示。一般真空滲碳熱處理爐工藝過程描述為上料、前清洗、脫脂、滲碳/擴(kuò)散（多段脈沖）、氣淬、回火、風(fēng)冷、下料。

真空滲碳熱處理中的滲碳介質(zhì)常采用乙炔（C2H2）或者丙烷（C3H8），國外的研究資料表明，采用乙炔能夠明顯改善零件不同位置滲層深度均勻性，尤其對盲孔可以有效進(jìn)行滲碳，對于齒輪類零件，采用乙炔介質(zhì)，齒輪的齒根和節(jié)圓部位滲層深度均勻性最好[1]；采用丙烷在生產(chǎn)中非常容易產(chǎn)生焦油，易造成工件與工裝接觸區(qū)硬化層不合格[2]，因此我廠ECM 真空爐滲碳熱處理選用乙炔為滲碳介質(zhì)。除需要較快冷速的較大軸類零件和大齒輪零件需要油淬外，一般齒輪零件及齒輪軸都可采用氣淬方式，圖3 和圖4 為我廠ECM 真空爐實(shí)物。

目前我廠ECM 真空爐搭載的產(chǎn)品主要為乘用車變速箱軸齒零件等，產(chǎn)品應(yīng)用材料分類如表1 所示，圖5 所示為我廠應(yīng)用真空滲碳淬火技術(shù)生產(chǎn)的變速箱軸齒零件。

圖2 引進(jìn)的法國ECM真空熱處理設(shè)備系統(tǒng)總覽示意

圖3 ECM真空爐

圖4 真空滲碳室、高壓氮?dú)夤?/p>

表1 真空滲碳熱處理產(chǎn)品應(yīng)用材料分類

圖5 真空熱處理零件

2.2 真空滲碳熱處理與傳統(tǒng)可控氣氛式滲碳熱處理工藝的差異

一般的傳統(tǒng)可控氣氛式滲碳熱處理工藝基本過程描述為脫脂、升溫、強(qiáng)滲（滲碳或碳氮共滲）、擴(kuò)散、降溫后保溫、淬火、后清洗、回火。強(qiáng)滲（碳氮共滲）和擴(kuò)散階段是一定濃度的碳、氮原子連續(xù)持續(xù)滲入已經(jīng)完全奧氏體化的零件表面，通過強(qiáng)滲和擴(kuò)散工藝，使零件表面滲層的合理呈現(xiàn)梯度分布，隨后通過淬火工藝和回火工藝，最終達(dá)到符合技術(shù)要求的硬化層深度和表面硬度以及心部硬度。

現(xiàn)生產(chǎn)的大眾MQ200變速箱輸出軸，毛坯材料為TL4521（相當(dāng)于20CrNi2MoH），已經(jīng)應(yīng)用低壓真空滲碳熱處理技術(shù)和傳統(tǒng)可控氣氛滲碳熱處理技術(shù)同時(shí)進(jìn)行生產(chǎn)，其低壓真空滲碳熱處理工藝過程為：清洗后入爐預(yù)熱升溫，通入氮?dú)?；升溫?50 ℃，脫脂60 min；快速升溫至920 ℃，保溫90 min，保持低壓真空狀態(tài)，使工件充分奧氏體化；脈沖滲碳擴(kuò)散+集中擴(kuò)散90 min；降溫預(yù)冷至840 ℃，保溫40 min；高壓氣體淬火，氣淬壓力為1.1～2 MPa，時(shí)間為5 min；回火和風(fēng)冷。圖6為大眾MQ200變速箱輸出軸低壓真空滲碳熱處理工藝過程示意。

圖6 大眾MQ200變速箱輸出軸低壓真空滲碳熱處理工藝過程示意

真空熱處理技術(shù)工藝過程與傳統(tǒng)可控氣氛式滲碳熱處理工藝過程基本相似，不同點(diǎn)如下。

a.其強(qiáng)滲和擴(kuò)散階段是在低壓真空狀態(tài)下，采用脈沖式滲碳原理，即通過多個強(qiáng)滲（滲碳介質(zhì)）+擴(kuò)散（氮?dú)猓┮约? 個集中的擴(kuò)散過程，達(dá)到其最終滲層要求的工藝過程；

b.在低壓真空狀態(tài)下，可有效避免零件表面氧化，熱后不會產(chǎn)生非馬組織，同時(shí)規(guī)避零件表面合金元素的氧化反應(yīng)，滲碳速度和效率明顯提高，生產(chǎn)周期顯著縮短，零件表面硬度、殘余壓應(yīng)力得到有效保證，延長零件使用壽命。圖7 與圖8 分別為傳統(tǒng)滲碳熱處理與真空滲碳熱處理后的表層金相組織，可以看到傳統(tǒng)熱處理后的表層組織氧化形成了非馬氏體組織層；

圖7 傳統(tǒng)滲碳熱處理后表層非馬氏體組織（500×）

圖8 真空滲碳熱處理后表層無非馬氏體組織（500×）

c.真空滲碳熱處理過程中不會產(chǎn)生CO、SO2等有害氣體或表面物質(zhì)，環(huán)境污染小，具有綠色環(huán)保的特點(diǎn)；

d.真空熱處理淬火過程應(yīng)用氣體持續(xù)對流冷卻方式淬火，具有熱處理變形小的特點(diǎn)；

e.真空熱處理淬火一般采用氣淬方式，且淬火氣體可以回收，避免淬火油對工件的污染，圖9 所示為經(jīng)過真空滲碳熱處理后的齒輪和齒輪軸，最終得到的零件表面潔凈，呈現(xiàn)“土豪金”光澤，即使采用油淬，也是在真空的淬火室里，避免了大量氣體液體污染，真空技術(shù)對零件表面有很強(qiáng)的凈化效果，零件可以省去熱后清洗和清理拋丸工序；

圖9 真空熱處理后的齒輪和軸表面均呈現(xiàn)“土豪金”光澤

f.傳統(tǒng)箱式爐、連續(xù)爐以及環(huán)形爐生產(chǎn)時(shí)需要提前3～5 d 對爐內(nèi)升溫預(yù)熱、爐罐滲碳，而且降溫過程也比較慢，因此傳統(tǒng)熱處理爐一般不會停爐，在不生產(chǎn)時(shí)也處于保溫狀態(tài)，以減少開閉爐升溫預(yù)熱過程的漫長等待時(shí)間，而真空熱處理爐則沒有這個顧慮，可以根據(jù)生產(chǎn)需要隨時(shí)開啟設(shè)備，完成生產(chǎn)后可以關(guān)閉設(shè)備，具備節(jié)能、高效等特點(diǎn)。

3 低壓真空滲碳熱處理工藝對齒輪變形影響研究

齒輪熱處理工藝過程中伴隨有復(fù)雜體積相變過程，齒輪的變形受相變過程組織內(nèi)應(yīng)力和熱應(yīng)力共同影響作用。試驗(yàn)零件為我廠某變速箱齒輪，尺寸結(jié)構(gòu)如圖10 所示，試驗(yàn)設(shè)備采用ECM 低壓真空滲碳熱處理設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，分別從材料、熱處理?xiàng)l件、氣淬壓力、預(yù)冷溫度、裝爐方式等方面試驗(yàn)分析對齒輪熱處理變形的影響。

3.1 常用齒輪材料及其真空滲碳淬火工藝參數(shù)

齒輪材質(zhì)的不同，其淬透性不同，依據(jù)我廠滲碳鋼技術(shù)系列標(biāo)準(zhǔn)Q/CAM-11.2-2017《滲碳鋼技術(shù)條件第2 部分：Mn-Cr 系列》、Q/CAM-11.3-2016《滲碳鋼技術(shù)條件第3 部分：Cr-Mn-Ti 系列》、Q/CAM-11.5-2017《滲碳鋼技術(shù)條件第5 部分：Cr-Ni-Mo 系列》，可知需要的熱處理滲碳擴(kuò)散、氣淬壓力等工藝參數(shù)不同，得到的檢驗(yàn)結(jié)果也不同。應(yīng)用ECM 真空爐進(jìn)行4 種常用齒輪材質(zhì)的試驗(yàn)零件真空熱處理試驗(yàn)研究，氣體淬火時(shí)間均為300 s，根據(jù)齒輪材質(zhì)淬透性選用對應(yīng)的熱處理參數(shù)、氣體淬火壓力范圍，并且裝爐方式均為平裝方式，得到對應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果，如表2 所示。

圖10 試驗(yàn)齒輪尺寸結(jié)構(gòu)

通過分析表2 結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，可知材質(zhì)不同，選擇的熱處理工藝不同；各材質(zhì)的淬透性不同，層深和材料淬透性有關(guān)系，材料淬透性越好，滲碳工藝層深更深；齒輪熱后心部硬度與材料淬透性有關(guān)，淬透性上不去，心部硬度亦上不去。

表2 不同材質(zhì)零件真空熱處理試驗(yàn)工藝參數(shù)和檢驗(yàn)結(jié)果

就熱處理工藝而言，淬透性越好的材料，滲碳熱處理效果越好；不同的材料綜合性能不同，需要結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計(jì)、機(jī)械性能綜合來看。

3.2 氣體淬火壓力對真空熱處理變形的影響

氣體淬火壓力代表了冷卻速度，一般淬火時(shí)氣體淬火壓力越大，零件冷卻速度越快，試驗(yàn)得到的硬化層深度越深，心部硬度越高，相應(yīng)的氣體淬火變形也越劇烈。對比氣體淬火壓力試驗(yàn)研究，試驗(yàn)齒輪的前期預(yù)處理工藝、機(jī)械加工制造過程相同，熱處理采用的脫脂溫度400 ℃、加熱滲碳擴(kuò)散溫度920 ℃及預(yù)冷溫度840 ℃，熱處理工藝過程相同，裝爐方式均為平裝，變量為氣體淬火壓力分別選用1.9 MPa 和2.0 MPa，氣淬時(shí)間300 s。該齒輪真空熱處理工藝參數(shù)如表3所示，變量對比及檢驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表3 真空熱處理工藝參數(shù)

表4 氣體淬火壓力變量對比及檢驗(yàn)結(jié)果

由于試驗(yàn)齒輪前期預(yù)處理工藝和采用的機(jī)械加工制造過程相同，因此熱前齒輪內(nèi)孔尺寸、平面度基本一致，分別對試驗(yàn)齒輪內(nèi)孔直徑和內(nèi)圈端面跳動進(jìn)行熱前熱后檢測對比，在不同氣體淬火壓力下，試驗(yàn)齒輪的熱處理變化如圖11 所示。

由圖11 可知，在氣淬壓力大時(shí)，內(nèi)孔直徑變化量略大；在保證齒輪心部硬度的前提下，氣淬壓力越小，相對來說變形控制略好；氣淬壓力增大，層深變深，相應(yīng)變形亦增大；變形量越小的齒輪在后續(xù)磨削加工后，得到的有效硬化層深度會更均勻。

圖11 不同氣淬壓力齒輪的熱處理變化

3.3 淬火預(yù)冷溫度對變形的影響

在零件表面硬度和心部硬度以及金相組織技術(shù)要求范圍內(nèi)，合理選用淬火預(yù)冷溫度能夠避免馬氏體組織粗大，降低熱處理變形，提高齒輪韌性和疲勞強(qiáng)度。分別進(jìn)行840 ℃和870 ℃溫度的淬火預(yù)冷溫度變形對比試驗(yàn)研究，該試驗(yàn)齒輪預(yù)處理工藝、脫脂、滲碳擴(kuò)散及回火工藝以及氣淬壓力等參數(shù)相同，裝爐方式為吊裝。

通過淬火預(yù)冷溫度對比試驗(yàn)，所獲得的零件表面硬度、硬化層深度、心部硬度均基本相同，表層組織均為針狀馬氏體+殘余奧氏體3級，如圖12所示；心部組織也均為板條馬氏體+鐵素體組織，亦相差不大，均處于合理技術(shù)要求范圍內(nèi)，如圖13 所示。預(yù)冷淬火溫度分別為840 ℃與870 ℃時(shí)，平面度變化相差不大，但預(yù)冷溫度為870 ℃經(jīng)淬火后，內(nèi)孔收縮量波動略大，周節(jié)累計(jì)偏差Fp為870 ℃略好于840 ℃，相差很小，齒圈跳動Fr變形量相差不大，如圖14 所示。因此，在保證技術(shù)要求的前提下，淬火預(yù)冷溫度越低，相對變形控制越好，如若采用較高淬火預(yù)冷溫度有可能會造成淬火后組織應(yīng)力較大、心部硬度過高，導(dǎo)致零件韌性降低，嚴(yán)重時(shí)可造成零件報(bào)廢。

3.4 裝爐方式對變形的影響

齒輪真空熱處理工藝平裝與吊裝的不同影響因素在于：加熱與冷卻溫度均勻性以及受裝爐定位方式的影響，自身各部位重力的差異。對試驗(yàn)齒輪分別應(yīng)用平裝與吊裝2 種裝爐方式對比變形試驗(yàn)，熱處理工藝完全相同，齒形、齒向、鼓形量、周節(jié)累計(jì)和齒圈跳動偏差、齒輪測量起點(diǎn)相同，工件裝夾方向均為標(biāo)識面朝上。不同裝爐方式齒輪熱處理變化結(jié)果如圖15 所示，齒輪精度變形數(shù)據(jù)及變化量統(tǒng)計(jì)如表5 所示。

圖12 滲碳淬火后的表面組織針狀馬氏體+殘余奧氏體3級（500×）

圖13 滲碳淬火后的心部組織板條馬氏體+鐵素體（500×）

試驗(yàn)對比可知，齒輪吊裝熱后內(nèi)圈端面跳動小于平裝，說明齒輪吊裝時(shí)平面度好于平裝，吊裝熱后內(nèi)孔直徑變化波動大，這是由于受自身重力因素影響，齒輪吊裝時(shí)內(nèi)孔收縮，變化量大于平裝，平裝變化量較小。

圖14 不同預(yù)冷溫度齒輪的熱處理變化

通過分析表5不同裝爐方式齒輪精度的熱處理變形數(shù)據(jù)以及實(shí)際檢測結(jié)果可得，齒形變化趨勢為齒頂熱后微微收縮，齒根熱后微微脹大（平裝與吊裝兩者均有），如圖16所示；平裝與吊裝齒形變形量幾乎相同都是提升1級左右，熱前9級，熱后8級；受重力因素影響，平裝熱后齒向變化為平裝下方齒向脹大、上方齒向收縮，即與熱處理工裝接觸一側(cè)的齒向向外凸，齒向的變形呈八字形變形，如圖17 所示；吊裝熱后齒向變得沒有規(guī)律性，如圖18所示，由于平裝熱后齒向變形是有規(guī)律的，這種變化規(guī)律有利于通過齒輪熱前反向修形來控制齒輪熱后變形，從而提高齒輪熱后精度；平裝齒向變形量大于吊裝。鼓形量幾乎無大變化；平裝周節(jié)累計(jì)偏差Fp與齒圈跳動Fr變形量略好于吊裝（相差在1級內(nèi)）。

圖15 不同裝爐方式齒輪的熱處理變化

表5 不同裝爐方式齒輪精度的熱處理變形數(shù)據(jù)及變化量統(tǒng)計(jì)表

圖16 齒輪熱前熱后齒形變化趨勢

圖17 齒輪平裝熱前熱后齒向變化趨勢

試驗(yàn)研究齒輪在平裝與吊裝不同裝爐方式情況下真空滲碳熱處理變形的區(qū)別，有利于在實(shí)際生產(chǎn)中根據(jù)齒輪設(shè)計(jì)裝配需要以及變形傾向需求來選擇合適的裝爐方式。試驗(yàn)用齒輪選擇吊裝的裝爐方式進(jìn)行生產(chǎn)，更利于保證熱后端面平面度的裝配定位精度，便于熱后定位面直接裝配。

圖18 齒輪吊裝熱前熱后齒向變化趨勢

4 分析與討論

a.低壓真空滲碳技術(shù)具備“綠色、環(huán)保、節(jié)能、高效”的技術(shù)特點(diǎn)，這項(xiàng)技術(shù)在變速箱軸齒零件熱處理中的應(yīng)用發(fā)展，將有助于提升產(chǎn)品技術(shù)能級，有效提高產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)產(chǎn)品競爭力。

b.通過試驗(yàn)研究，試驗(yàn)用TL4521材質(zhì)的變速箱齒輪的低壓真空熱處理工藝參數(shù)為滲碳溫度920 ℃、預(yù)冷溫度840 ℃、氣淬壓力1.9 MPa，裝爐方式為吊裝，保證了熱后齒輪滲碳層表面硬度764 HV1，層深0.65 mm，心部硬度368 HV30，金相組織符合產(chǎn)品技術(shù)要求，內(nèi)孔尺寸精度變化<0.05 mm，端面平面度精度變化<0.05 mm，有效控制熱處理變形，保證齒輪熱后端面平面度的裝配定位精度，便于熱后定位面直接裝配。

c.齒輪熱處理變形受裝爐方式的影響存在明顯差異傾向，齒輪平裝熱后內(nèi)孔精度較好，平面度不好，而吊裝熱后內(nèi)孔精度不好，平面度較好。平裝與吊裝兩者齒頂熱后均微微收縮，齒根熱后微微脹大；平裝熱后齒向變形更有規(guī)律性，呈八字形變形，而吊裝熱后齒向變得沒有規(guī)律性；實(shí)際生產(chǎn)中可根據(jù)齒輪設(shè)計(jì)裝配和定位需要以及變形傾向需求來選擇合理的裝載方式，有效利用齒輪的熱處理變形規(guī)律來為生產(chǎn)服務(wù)。

5 結(jié)束語

近年來，軸齒真空熱處理技術(shù)作為1 項(xiàng)綠色環(huán)保、節(jié)能高效的現(xiàn)代化熱處理技術(shù)，在國內(nèi)外汽車變速箱零件加工生產(chǎn)中獲得了不斷應(yīng)用和發(fā)展。就軸齒真空熱處理技術(shù)的工藝原理、實(shí)施過程、應(yīng)用優(yōu)勢以及對齒輪的變形影響進(jìn)行論述和分析，希望為真空熱處理工藝后的產(chǎn)品質(zhì)量精度控制提供有效保障和技術(shù)支持，希望真空熱處理技術(shù)能夠在未來汽車加工制造中進(jìn)一步推廣應(yīng)用。