文/于帥，姜喜峰，譚瀟，莫贊新，徐梓銘·一汽鍛造(吉林)有限公司

齒輪是汽車重要機(jī)械器件之一，主要失效形式是齒面磨損。齒輪的壽命取決于齒面的加工精度和抗磨損性能。齒輪的硬度散差過大，將造成齒輪加工困難、組織不均、殘余應(yīng)力過大、滲碳淬火變形大。硬度散差直接影響到齒輪的加工精度和齒輪磨損均勻性。本文主要針對(duì)齒輪熱處理后心部與表層的硬度散差現(xiàn)象，進(jìn)行了試驗(yàn)、檢驗(yàn)和分析，并采用合適的熱處理工藝減少齒輪硬度散差，改善金相組織，提高齒輪性能。

試驗(yàn)

試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料牌號(hào)為20CrMnTi，化學(xué)成分見表1。

表1 主要化學(xué)成分/wt%

試驗(yàn)方法

采用工藝參數(shù)如圖1 所示，正火保溫溫度為930℃，控溫冷卻處理時(shí)間分別為10min、15min。

圖1 熱處理試驗(yàn)曲線

分析

控溫冷卻時(shí)間對(duì)齒輪組織影響表征

圖2 所示為取樣位置及經(jīng)過硬度測試后的試樣宏觀形貌，硬度測試點(diǎn)分別標(biāo)記為a、b、c，其中a 點(diǎn)為邊緣位置，b 點(diǎn)為近邊緣位置，c 點(diǎn)為試樣中心位置。

圖2 硬度測試點(diǎn)位置分布

圖3顯示為控溫冷卻10min的齒輪微觀組織結(jié)構(gòu)?？梢园l(fā)現(xiàn)，經(jīng)過正火和控溫冷卻處理后的試樣均表現(xiàn)為鐵素體、珠光體及貝氏體組織，沿著試樣邊緣至心部，鐵素體組織的含量逐漸減少。相比于邊緣與近邊緣位置的貝氏體組織，試樣中心位置的貝氏體呈現(xiàn)比較細(xì)的羽毛狀組織，從圖3a2和圖3b2中看出，控溫冷卻時(shí)間對(duì)于邊緣與近邊緣位置的影響程度大體一致，組織表現(xiàn)無明顯差別。

圖3 控溫冷卻時(shí)間10min 的微觀組織形貌

圖4 顯示為控溫冷卻時(shí)間15min 的齒輪微觀組織結(jié)構(gòu)?？梢园l(fā)現(xiàn)，經(jīng)過正火和控溫冷卻處理15min 的試樣組織也表現(xiàn)為鐵素體、珠光體及貝氏體組織，相比于控溫冷卻時(shí)間10min 的試樣，貝氏體組織含量明顯減少，珠光體含量變化不大，鐵素體含量呈現(xiàn)明顯增加趨勢。沿著試樣表層至心部的組織對(duì)比如圖4(a2、b2、c2)所示，沿著試樣表層至心部，貝氏體含量依然呈現(xiàn)增大趨勢，鐵素體含量減少。如果想避免貝氏體析出，連續(xù)冷卻速度需要足夠小，應(yīng)小于貝氏體冷卻速度，跨過CCT 曲線的貝氏體區(qū)，冷卻曲線控制在貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)的右側(cè)通過。

圖4 控溫冷卻時(shí)間15min 的微觀組織形貌

控溫冷卻時(shí)間對(duì)齒輪硬度的影響

圖5所示為控溫冷卻時(shí)間10min試樣的硬度分布，可以發(fā)現(xiàn)試樣表層至心部的硬度逐漸增加，表層硬度為247HBW，近表層硬度為269HBW，與表層硬度相比增加22HBW，但心部硬度達(dá)到319HBW，相比試樣表層增大了72HBW，表現(xiàn)出嚴(yán)重的硬度散差現(xiàn)象。

圖5 控溫冷卻時(shí)間10min 試樣的硬度分布

圖6 為控溫冷卻時(shí)間15min 試樣的硬度分布。通過延長控溫冷卻時(shí)間，試樣表層與近表層硬度基本穩(wěn)定，硬度散差現(xiàn)象不明顯，僅有試樣心部硬度略高，說明試樣各個(gè)位置控溫轉(zhuǎn)變接近同時(shí)發(fā)生，且發(fā)生在偏差較小的溫差范圍內(nèi)，保障了試樣心部有足夠的轉(zhuǎn)變時(shí)間。

圖6 控溫冷卻時(shí)間15min 試樣的硬度分布

結(jié)論

在不同控溫冷卻時(shí)間條件下，對(duì)試樣表層和心部的組織及對(duì)應(yīng)硬度進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)硬度的高低主要受到組織中貝氏體及鐵素體含量的影響。當(dāng)控溫冷卻時(shí)間為10min 時(shí)，試樣表層與心部組織轉(zhuǎn)變溫度條件相差較大，心部珠光體轉(zhuǎn)變不夠充分，貝氏體較多，則心部硬度高。當(dāng)控溫冷卻時(shí)間為15min 時(shí)，試樣表層及心部組織轉(zhuǎn)變溫度條件相差較小，心部珠光體轉(zhuǎn)變較充分，貝氏體較少或消除，因此表層與心部組織相近，硬度較均勻。適當(dāng)增加控溫冷卻550 ～650℃區(qū)段的保溫時(shí)間，保證珠光體轉(zhuǎn)變充分，可有效解決20CrMnTi材質(zhì)齒輪的表層與心部之間硬度散差問題。