汽车行星和半轴齿轮热处理工艺的改进

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汽车行星和半轴齿轮热处理工艺的改进

1.前言 汽车差速器行星齿轮和半轴齿，轮毛坯的锻造已广泛采用精锻制造技术，其热精锻工艺流程为棒料切料→中频加热→热精锻→去飞边→余热退火→抛丸清理→切削加工→渗碳、淬火、回火→磨削加工。齿轮的锻造余热退火是齿轮的锻坯在终锻切边后，以大约40~50℃/min的冷却速度冷却到珠光体转变温度（600~700℃）人炉并保温90 min后出炉空冷，以得到珠光体和铁素体组织，表面硬度为156-220 HBS.这种处理方式与自常温下加热到A C3以上的等温退火相比，大约可节省70%的燃料费，而且可以减轻因进行再次加热等温退火造成齿轮氧化而对精锻齿轮精度的影响。但在实际生产中发现，在后续渗碳淬火过程中，因部分齿轮金相组织超级，出现了不合格品。为此，进行了全面分析和技术攻关，找出了原因，并做出了改进措施，不仅使产品达到了技术要求，而且还满足了齿轮大批量热处理生产的需要。 2.齿轮材料 齿轮采用20CrMnTiH钢制造，材料化学成分要求执行GB/T 5216-2004《保证淬透性结构钢》标准，材料淬透性能要求为J9=30~40 HRC，材料晶粒度的检测按GB 6394-1986《金属平均晶粒度测定法》标准执行。 3.产品技术要求 所生产的行星和半轴齿轮模数为7.65 mm，齿轮渗碳淬火有效硬化层深度为1.0~1.3 mm；碳化物为1-5级，马氏体、残余奥氏体为1-5级；齿轮表面与心部硬度分别为58~63 HRC和30~40 HRC。检验按QC/T 262-1999《汽车渗碳齿轮金相检验》标准规定执行。 4.原热处理工艺与设备 齿轮的渗碳、淬火和回火采用UBE-1000型带缓冷密封箱式气体渗碳多用炉，其组成为2个主炉、1个清洗机和1个回火炉，即2-1-1线。热处理工艺路线为60~70℃清洗→920℃渗碳、扩散→830℃淬火→60-70℃清洗→180℃ x 120 min回火→30 min抛丸清理→交检。齿轮的渗碳介质采用甲醇和丙烷气，渗碳时甲醇的滴量为2 200~2 500 mL/h，丙烷在渗碳扩散时设定在5-8 L/min。其热处理工艺参数可在PLC系统的程序内设定并进行自动控制。热处理工艺曲线见图1。工艺参数见表1。检验结果见表2。 由表2看出，原工艺处理后的部分齿轮工作面的渗碳层淬火组织为粗大的马氏体，残余奥氏体较多，甚至个别马氏体组织出现超级情况。 5.改进的热处理工艺 根据原工艺检验结果，为降低马氏体、残余奥氏体组织级别，对原热处理工艺参数（碳势和淬火温度等）进行了调整，但效果不够明显。通过对已进行锻造余热退火锻件进行的金相分析发现，得到的金相组织为片状珠光体、块状铁素体，部分齿轮的晶粒局部达3-4级。奥氏体晶粒尺寸粗大时，它的转变产物如马氏体、残余奥氏体以及非马氏体组织相应也要粗化。因此，可以判定部分齿轮的锻坯余热退火组织不良是导致马氏体组织粗大超级的主要原因。文献「2-3〕指出，再加热淬火是工件在渗碳、扩散处理后，在炉中降到工艺要求的温度，然后置于空气或适当的气氛中冷却至室温后再加热并进行淬火。再加热淬火的主要目的在于通过再加热调节那些影响晶粒度、残余奥氏体和碳化物等材料强度的主要因素，使工件获得良好的力学性能。再重新加热淬火的工艺比渗碳后降温直接淬火能细化晶粒，改善心部和渗层组织，提高零件的力学性能。为此，将原渗碳后直接淬火工艺调整为再加热淬火工艺进行试验。 5.1 改进的热处理工艺I 设备仍采用UBE-1000型气体渗碳多用炉，其热处理工艺路线为60-70℃清洗除油→920℃渗碳、扩散→900℃预冷→（拉料盘到）前室并缓冷至600℃以下→（拉回）加热炉在保护气氛中850℃再加热并保温120 min→前室淬火→60-70℃清洗→180℃x120 min回火→30 min抛丸清理→交检。其工艺曲线见图2，改进工艺I参数见表3，检验结果见表4。 由表4看出，采用再加热淬火工艺I后，齿轮材料的晶粒得到细化，马氏体和残余奥氏体组织级别下降了1-2级，并达到了产品技术要求。其工艺操作中要求，齿轮在装卡过程中，要保证齿轮间适当的间隙，以保证渗碳气氛能够均匀流动和齿轮均匀冷却。 5.2 改进的热处理工艺II 采用再加热淬火工艺I后，虽然齿轮的金相组织得到了改善，并达到了产品的技术要求，但因齿轮（包括工装料盘．）从900℃缓冷到600℃以下需要2-3h，并且还需要在850℃进行再加热，因此该工艺大大降低了齿轮热处理的生产效率，不能满足齿轮大批量热处理生产的需要。为解决这一矛盾，工厂投人了一条中冷连续式渗碳自动线（单排），其结构为主炉（1-4区）16盘．＋中冷（水冷）1盘＋再加热（1区）4盘＋再加热（2区）3盘＋料盘空位1个＋回火炉9盘。每盘可装半轴齿轮50个，推料周期为35 min，工艺路线为60~70℃清洗→450-500℃预处理炉加热→870℃加热（1区）→900℃预渗碳（2区）→910℃渗碳(3区）→900℃扩散（4区）→550℃中冷（中冷室）→850℃再加热（1区）→830℃再加热（2区）→60-70℃清洗→180℃x300 min→30 min抛丸清理→交检。其热处理工艺见表5，检验结果见表6。为减少半轴齿轮和行星齿轮的热变形，淬火温度从850℃降至830℃，淬火油采用好富顿（中国）有限公司生产的355等温淬火油，油温控制在100~120℃。连续式渗碳自动线上中冷室中红热状态下齿轮的冷却是通过室壳外冷却水套进行的，而不是通过通人N2进行保护和冷却的，保护气氛是通过料盘经过主炉和再加热炉后带人中冷室的渗碳气氛。同时，要保证中冷室为正的炉压，并大于5 mm水柱，以保证在冷却过程中红热状态下的齿轮表面不产生氧化与脱碳，从而保证齿轮（表面）的金相组织和硬度。 通过表6看出，采用改进的热处理工艺II，齿轮在经过中冷室和再加热炉处理后，可以获得细化的晶粒和金相显微组织，马氏体、残余奥氏体组织级别下降了1-2级，这是由于中冷室中红热状态下的齿轮通过室壳外冷却水套的冷却速度远大于在密封箱式气体渗碳多用炉前室中的缓冷速度。因此，渗碳淬火后的齿轮材料晶粒度和金相组织的改善效果更加明显。采用中冷连续式渗碳自动线生产的经余热退火处理齿轮已近1年，不仅热处理工艺和产品质量稳定可靠，而且还满足了产品大批量热处理生产的需要。 6.结论 a．采用再加热淬火工艺，可以细化材料的晶粒和金相组织，使不良的预处理组织得到改善。 b.采用中冷连续式渗碳自动线，不仅可以细化材料的晶粒，改善齿轮的金相组织，还可以大大提高热处理的生产效率。 c.中冷连续式渗碳自动线比较适合于像20MnVB等本质粗晶粒钢和一些预处理组织不良工件的大批量渗碳淬火。