■ 金林奎，鄧永玖，趙建國，王春亮

重型載貨汽車后橋主從動弧齒錐齒輪對熱處理內在質量，以及外形尺寸精度要求越來越高。特別是齒輪外表面的平面度和接觸區(qū)，要求從動齒平面度變形不大于0.05mm，主從動齒接觸區(qū)位移不超過2.00mm。

我公司長期以生產中型汽車驅動軸行星半軸齒輪為主，同時也生產小模數輕型汽車弧齒錐齒輪，其滲層深度較淺。重型載貨汽車弧齒錐齒輪的深滲層產品，相對于輕型汽車齒輪來說生產量要少一些。要實行產品更新換代，使重型載貨汽車弧齒錐齒輪成為公司的主導產品，對于熱處理生產加工工藝，必須能夠滿足重型載貨汽車齒輪的內在質量和外形尺寸精度要求。

1. 工藝概述

（1）重型載貨汽車用弧齒錐齒輪輪齒表面滲碳周期長，熱處理質量要求較為嚴格。因此，必須嚴格按照國家標準QC/T262—1999要求檢測。檢測項目包括有效硬化層深度，齒角碳化物級別，節(jié)圓及齒根處次表層的馬氏體和殘留奧氏體級別，齒廓外緣表層非馬氏體層深度，以及表面、心部硬度測量（見表1）。

（2）深層滲碳的齒輪產品，熱處理滲碳淬回火的設備，采用第一汽車制造廠生產的雙排滲碳處理連續(xù)爐生產線進行加工。雙排爐的熱處理加工工序，共有脫脂、透燒、高溫均熱、滲碳、擴散、低溫均熱、淬火、清洗、回火等9道，每道工序的料盤都有各自不同的數量，整個生產線共使用52個料盤（見表2），以保證熱處理產品表面滲碳處理的質量要求。

2. 工藝分析

（1）要想增加齒輪的有效硬化層深度，在提高滲碳加熱溫度的前提下，可以加快滲碳介質的分解，加大碳原子在奧氏體中的溶解度，提高碳原子擴散的速度，快速增加滲層深度。但高溫滲碳對深層滲碳處理不宜采用，因為齒輪工件長時間滯留在高溫區(qū)，使組織晶粒急劇長大，嚴重降低齒輪產品的強度和韌性。同時粗大的組織帶來淬火變形量加大，而且淬火的組織應力使工件開裂傾向增大。同時滲碳處理的加熱溫度越高，將會顯著縮短加熱元件的使用壽命，綜合經濟效益很不理想。經過分析論證，將滲碳處理的高溫區(qū)（高溫均熱、強滲、擴散）溫度，控制在880～900℃較為合適。

表1 重型載重汽車用弧齒錐齒輪檢測項目

表2 滲碳處理連續(xù)爐生產線加工工序

（2）脫脂溫度的確定，殘留在工件表面的油脂類污垢，一般在500℃左右基本能夠清除干凈。脫脂過程還有一個防氧化的作用，脫脂過程實際上也是一個預氧化的過程，該溫度范圍內，齒輪工件表面形成薄層的Fe3O4鈍化膜，能夠顯著降低齒輪產品高溫氧化脫碳的傾向，減少輪齒表面的非馬氏體組織的形成。

（3）透燒過程是為下道工序的高溫均熱做準備，從脫脂溫度直接升溫到較高的滲碳溫度，工件的內外溫差較大，形成較大的熱應力，因此變形和開裂傾向較大。經過多次試驗，將透燒溫度調整到800℃時，可以降低加熱過程中的熱應力，既減小工件輪齒的變形，又能為高溫均熱做好充分準備。

圖1 低溫淬火心部組織（400×）

（4）滲碳后淬火溫度的高低，直接影響到材料的組織和硬度性能。過低的淬火溫度會出現大量鐵素體，輪齒心部硬度不能滿足圖樣要求（見圖1）。要使組織轉變完全，心部硬度提高，就要提高淬火溫度。但提高淬火溫度，又會帶來淬火組織應力的增大，這就要求淬火溫度不能太高，在冷卻過程中盡量減少組織應力，使變形和開裂傾向降到最低。將淬火溫度定在810℃，淬火油溫度保持在60℃左右，既保證了工件輪齒部位的淬透性，又降低了淬火組織應力，減小了工件變形量和開裂的傾向（見圖2）。

（5）我們使用雙排爐連續(xù)滲碳淬回火生產線，工件表面滲層的控制，取決于爐內推桿送料的周期，碳勢擴散的溫度以及滲碳劑的流量。這些參數對整個熱處理滲碳過程都起到重要的作用。雙排連續(xù)滲碳生產線，每個程序動作完成至少需要18min，只要零件推桿送料的周期不少于20min就可以控制。對于重型載貨汽車深層滲碳的齒輪，推桿送料周期大于20min。實際周期確定的時間，根據確保齒輪工件表面的滲層而定。滲碳加熱溫度及滲碳劑消耗量一定時，滲碳擴散時間的長短，會影響滲層的深度以及滲入碳原子的濃度，從而影響輪齒表面有效硬化層的梯度（見圖3、圖4）。

（6）滲碳劑的選擇及碳勢的控制，在雙排連續(xù)爐滲碳時，我們選用丙酮（CH3COCH3）做滲碳劑，甲醇（CH3OH）做稀釋劑。因為丙酮的碳當量高，活性能力強，裂解后產氣量大，爐內的碳勢相對較高，而且在熱處理過程中不容易形成積炭，化學成分比較穩(wěn)定，夾雜物含量少，從而保證了熱處理滲碳過程的穩(wěn)定性。所謂碳勢，就是指一定溫度下，爐內氣氛與工件之間碳原子交換，達到平衡時工件表面附近的相對含碳量。當爐內氣氛的碳勢高于工件表層碳含量，就發(fā)生滲碳反應。通過向爐內加入丙酮及甲醇進行滲碳，丙酮汽化裂解后形成滲碳氣氛。以調整丙酮流量來控制碳勢，同時設定合理的碳勢控制參數，采用碳控儀對爐內各區(qū)碳勢值進行自動監(jiān)視、測量和調整。

（7）選用淬火冷卻介質時，應盡量考慮在高溫區(qū)冷卻速度大，而在低溫區(qū)冷卻速度小。為了盡量減少以熱應力為主引起的變形，在保證工件達到表面硬度和心部硬度的前提下，應盡量采用在高溫區(qū)冷卻能力低，而在低溫區(qū)有較高冷卻速度的淬火冷卻介質。為了使淬火后每個輪齒部位盡可能均勻冷卻，淬火油應有較好的流動性。選擇熱油能夠增大淬火冷卻介質的流動性，又能縮小與工件的溫差。因此熱油淬火加空冷的分級淬火處理，更有利于減少齒輪工件的變形量。

圖2 正常淬火心部組織（400×）

圖3 有效硬化層曲線平緩 圖4 有效硬化層曲線較陡

（8）重型載貨汽車齒輪的全部滲碳熱處理過程，分為：中溫透燒區(qū)、高溫均熱區(qū)、強碳區(qū)、擴散區(qū)、低溫均熱區(qū)、預冷淬火區(qū)。每個區(qū)域的碳勢控制不佳時，都會影響滲碳速度，使輪齒表面發(fā)生貧碳。另外，輪齒表面碳濃度過高，易形成網狀碳化物以及粗大針狀馬氏體等缺陷組織，增加材料組織的脆性，同時對有效硬化層梯度產生影響。

3. 工藝確定

為保證重型載貨汽車齒輪深層滲碳熱處理產品的質量和尺寸精度，對雙排爐滲碳工藝多次調整。在結合金相組織檢驗、性能試驗分析的基礎上，確定深滲層滲碳熱處理最佳工藝（見圖5、表3）。該深滲層滲碳工藝與常規(guī)滲碳工藝比較見表4）。

圖5 深滲層滲碳工藝曲線

圖6 齒角部位金相組織（400×）

圖7 齒角部位金相組織（400×）

圖8 節(jié)圓部位金相組織（400×）

圖9 節(jié)圓部位金相組織（400×）

表3 深滲層滲碳工藝各工序參數

表4 深層滲碳工藝與常規(guī)滲碳工藝對比