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        汽車滲碳齒輪的心部硬度控制

        2018-08-23 02:00:46李玉婕趙洪花
        金屬加工(熱加工) 2018年8期
        關鍵詞:工藝

        ■ 李玉婕,趙洪花

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        齒輪運轉(zhuǎn)過程主要是傳遞動力和改變速度,齒輪嚙合時齒根受到脈動沖擊力和交變彎曲應力的作用,需要不斷承受沖擊力和彎曲應力。滲碳齒輪的心部硬度是保證齒輪在傳遞動力時具有足夠的強韌性,能夠承受扭矩,在換檔過程中能夠承受沖擊。對于不同承載條件下的齒輪根據(jù)其承載要求設計不同的心部硬度和匹配不同的材料及要求。我公司生產(chǎn)的差速器齒輪如圖1所示。

        圖1 差速器齒輪

        該零件材料為20CrMnTiH,材料末端淬透性選用J9:30~36HRC,零件法向模數(shù)2.51,齒寬33mm,滲碳熱處理有效硬化層深0.6~0.9mm,心部硬度要求為330~480HV(HV20),心部硬度檢測位置為齒寬中部齒根圓齒厚中心處。生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的主要問題是心部硬度不足,那么我們是如何解決的呢?下面把我的經(jīng)驗與大家共享。

        一、影響齒輪心部硬度的因素及其測定

        齒輪的心部硬度是綜合性指標,其承載特性要求既要有足夠的強度同時要保證有足夠的韌性,因此對齒輪的心部硬度制訂了具體的范圍要求,同時心部硬度在某種程度上也反映了齒輪的心部金相組織。由于滲碳齒輪的心部幾乎沒有滲碳而保持原材料的化學成分,因此齒輪的心部硬度主要取決于原材料的淬透性和淬冷烈度,熱處理工藝參數(shù)的調(diào)整尤其是淬火溫度的調(diào)整也能產(chǎn)生一定的影響。淬冷烈度主要取決于淬火冷卻介質(zhì)的選型和攪拌速度,淬火冷卻介質(zhì)選定后通過調(diào)整攪拌速度和裝爐量可調(diào)整淬冷烈度。而淬火溫度的調(diào)整主要是通過調(diào)整過冷奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體的轉(zhuǎn)變量來調(diào)整心部硬度的。因此,為提高齒輪的心部硬度,我們采取了以下試驗措施:調(diào)整熱處理工藝參數(shù),即提高淬火溫度、提高攪拌速度、原淬火冷卻介質(zhì)添加調(diào)整油來提高冷卻速度(或使用冷卻速度更快的冷卻介質(zhì))、減少裝爐量,以及提高材料的淬透性帶位置。關于齒輪心部硬度的測定位置,不同的客戶有不同的要求,在客戶沒有特殊要求的情況下,我們根據(jù)QC/T262—2005《汽車滲碳齒輪金相檢驗》標準規(guī)定,心部硬度的測定位置為齒寬中部橫截面上,輪齒中心線與齒根圓相交處的硬度(見圖2),心部硬度測試位置范圍為±1mm。

        二、試驗方案

        我公司滲碳熱處理使用的設備是IPSEN熱處理多用爐生產(chǎn)線(見圖3),采用超級滲碳工藝(丙烷+空氣)。

        圖2 心部硬度測定位置示意

        該齒輪的滲碳淬火工藝(工藝1)如表1所示,淬火油為Y35-I分級淬火油,裝爐量為168件,攪拌速度為快速攪拌。

        對于不同的鋼材批次,我們進行了鋼材淬透性檢測,原材料的淬透性通過端淬試驗GB/T225進行檢驗,發(fā)現(xiàn)對于淬透性值不同的鋼材批次采用相同的熱處理工藝,其心部硬度出現(xiàn)了明顯的差別,檢測結果如表2所示。

        通過以上試驗數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),對于淬透性值不同的鋼材批次,淬透性值J9:34~35HRC的鋼材,采用以上滲碳工藝可保證符合要求的心部硬度,而對于淬透性值J9:30~33HRC的鋼材采用以上滲碳工藝則心部硬度大多低于下限值(330HV20),個別合格的也是處于下限臨界值附近。為此,我們根據(jù)不同批次淬透性值J9:30~33HRC的鋼材進行了系列性試驗。

        圖3 易普森熱處理多用爐生產(chǎn)線

        表1 原滲碳工藝參數(shù)

        表2 不同批次鋼材的齒輪熱處理心部硬度檢測結果

        1. 熱處理工藝參數(shù)的調(diào)整

        在以上滲碳工藝的基礎上,我們將淬火溫度由原來的(840±10)℃提高至(890±10)℃,裝爐量由原來的每爐168件減少到每爐140件,其他參數(shù)不變,調(diào)整后的熱處理工藝(工藝2)如表3所示。

        調(diào)整熱處理工藝后的心部硬度檢測結果如表4所示。

        通過表4試驗數(shù)據(jù)可以看出,提高淬火溫度和減少裝爐量后心部硬度有所改善,但仍處于下限甚至有個別爐次出現(xiàn)硬度偏低的情況,零件心部硬度控制穩(wěn)定性差,造成返工成本較高,且返工處理不利于控制零件的熱處理變形。這個檢測結果與鋼材的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖分析也是相吻合的。對于滲碳熱處理的工藝時間可完全保證奧氏體成分的均勻化,提高淬火溫度的目的是提高過冷奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體的轉(zhuǎn)變量,從而提高心部硬度。而減少裝爐量可在某種程度上提高淬冷烈度以使心部硬度提高。

        2. 淬火冷卻介質(zhì)的調(diào)整

        鑒于以上的檢測結果,我們又進行了以下試驗:對Y35-I淬火冷卻介質(zhì)的冷卻特性進行了檢測和進行淬火油改性,我們采用了添加調(diào)整分級淬火油以提高淬火冷卻介質(zhì)的冷卻能力,試驗發(fā)現(xiàn)心部硬度有所改善基本符合要求,但是總在要求指標的下限徘徊,而且在交付時往往引起爭議。因為心部硬度的檢測結果與鋼材成分、材料淬透性是密切相關的,不同零件的心部硬度結果是有波動的,而且有時波動較大,所以爭議是在所難免的。為此我們采用了K34快速淬火油,以實現(xiàn)穩(wěn)定的心部硬度要求,但是又要考慮零件的變形問題,通過檢測零件的心部硬度指標和關鍵尺寸指標均達到要求,并且通過了批量生產(chǎn)驗證,如表5所示。

        但是新的問題是首先要保證淬透性不同的鋼材批次進行區(qū)分,對于淬透性值不同的鋼材批次要采用不同的熱處理工藝,不利于生產(chǎn)組織和管理。

        3. 材料淬透性的優(yōu)化

        對比GB/T5216-2004《保證淬透性結構鋼》標準,該鋼材淬透性J9:30~36HRC,屬于HL類且上限壓縮2HRC,如圖4、表6所示為20CrMnTiH鋼的淬透性帶及其各點的硬度值,正火溫度為900~920℃,端淬溫度為(880±5)℃。

        對于HL類的20CrMnTiH鋼,其淬透性值J 9:3 0~38HRC。為穩(wěn)定該零件的心部硬度要求,我們將零件淬透性帶由原來的J9:30~36HRC調(diào)整為J9:33~38HRC,這里試驗的重點是對于鋼材淬透性J9:37~38HRC零件的熱處理變形情況,為此我們單獨組織一批鋼材進行熱處理試驗,采用原來的工藝參數(shù)(工藝1)、裝爐量和淬火冷卻介質(zhì),根據(jù)試驗結果每爐隨機抽取不同數(shù)量的零件進行了心部硬度、關鍵尺寸測量和后續(xù)磨削驗證,全部符合要求。測量結果如表7所示。

        表3 調(diào)整后的滲碳工藝參數(shù)

        表4 調(diào)整熱處理工藝后的心部硬度檢測結果

        表5 淬火冷卻介質(zhì)調(diào)整后的心部硬度和關鍵尺寸檢測結果

        圖4 20CrMnT iH鋼的淬透性帶

        表6 20CrMnT iH鋼的淬透性帶及其各點的硬度值

        表7 淬透性帶調(diào)整后的心部硬度、關鍵尺寸測量結果

        三、結語

        由以上試驗數(shù)據(jù)和分析,由于不同批次材料的淬透性波動比較大,通過調(diào)整熱處理工藝參數(shù)和淬火介質(zhì),心部硬度問題得到了解決,但是生產(chǎn)過程不便于管控和管理,因此給熱處理生產(chǎn)帶來很大難度,為穩(wěn)定產(chǎn)品的心部硬度和便于組織生產(chǎn),我們最終建議選用調(diào)整鋼材淬透性帶的方法,即將材料的末端淬透性J9:30~36HRC調(diào)整為J9:33~38HRC,以穩(wěn)定熱處理工藝,降低熱處理的返工成本,而且有利于控制零件的熱處理變形。

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