湯文馨，范王展，桂偉民，張曉菊

(陜西法士特汽車傳動集團有限責任公司，陜西 西安 710119)

汽車制造已經(jīng)逐步成為我國國民經(jīng)濟中帶動整個經(jīng)濟增長和結(jié)構(gòu)升級的支柱產(chǎn)業(yè)。隨著科技與時代的進步，目前汽車傳動系統(tǒng)趨于輕量化、精密化和高性能化。除了機械加工，熱處理變形也是影響變速箱零部件精密性的主要因素之一，熱處理變形量較大或熱變形規(guī)律不穩(wěn)定都可能導致零件報廢[1-2]。因此，改善零部件熱處理變形是提高產(chǎn)品裝配精度、降低變速器運行噪聲、延長產(chǎn)品服役壽命的有效方法之一。

從理論上講，由于相變的存在，熱處理變形不可避免，只能盡可能減小熱變形或?qū)崿F(xiàn)對熱變形的有效控制[3]。熱處理變形是一個影響因素眾多的復(fù)雜過程，在實際工況中，工件的結(jié)構(gòu)形狀、原材料質(zhì)量、熱處理前的加工狀態(tài)、工件自重以及熱處理時工件的支承或夾持等因素都對熱變形有影響[4]。目前，絕大多數(shù)的齒輪鋼均采用連鑄生產(chǎn)，再熱軋成棒材。不同的連鑄生產(chǎn)線形成的坯形不同，而不同坯形具有不同的材料偏析情況，對工件熱處理變形的影響也不同[5]。因此，研究不同連鑄坯形鋼材對齒輪熱處理變形的影響，對產(chǎn)品的選材設(shè)計、精度提高、減損降本具有指導意義。本文選取自主開發(fā)的一種典型齒輪件進行熱變形試驗，對比分析圓形和方形連鑄坯對變速箱零部件的熱變形影響。

1 實驗方法

本文選用的試驗鋼種為撫順特殊鋼廠和湖北新冶鋼廠提供的8620RH鋼材，該材料采用電爐熔煉→爐外精煉→真空脫氣→連鑄→熱軋成材，經(jīng)不同坯形的連鑄生產(chǎn)線形成不同連鑄坯后熱軋成圓鋼棒材，其中撫順特殊鋼廠的連鑄坯形為方坯，湖北新冶鋼廠的連鑄坯形為圓坯。表1為試驗鋼的主要化學成分。由于淬透性對產(chǎn)品的熱變形影響較大[6]，為控制變量，選取的兩種鋼材淬透性相近，以消除淬透性對熱變形的影響，鋼材淬透性見圖1。

表1 試驗鋼的主要化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Main chemical composition of the experimentalsteel (mass fraction，%)

圖1 試驗鋼的淬透性Fig.1 Hardenability of the experimental steel

為研究鋼材連鑄坯形對零件熱變形的影響，將不同坯形的軋制鋼材加工成齒輪零件進行變形驗證，在相同的熱處理工藝下進行滲碳淬火并保證試驗件裝爐位置一致。熱處理前后對試驗件每隔120°測量其關(guān)鍵尺寸，測量點如圖2所示。同時，為研究材料偏析情況，在未經(jīng)熱處理的試驗件上每隔120°切取一個試樣，在試樣橫截面由齒頂向齒內(nèi)按平均間距檢測試樣的材質(zhì)、顯微組織，取樣檢測位置如圖3所示。采用PDA-8000型光電直讀光譜儀檢測試樣的化學成分。試樣經(jīng)金相拋光后，用4%硝酸酒精腐蝕，在DMI 5000金相顯微鏡下觀察其顯微組織。

圖2 試驗件尺寸測量點示意圖Fig.2 Schematic diagram of size measuring points for test sample

圖3 試驗件取樣檢測位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of sampling location for test sample

2 試驗結(jié)果及分析

不同坯形鋼材制造的齒輪熱處理變形數(shù)據(jù)見表2及圖4。

表2 不同坯形鋼材制造的齒輪熱處理變形數(shù)據(jù)Table 2 Data of heat treatment deformation of the gearwith different continuous casting billet

(a)方坯；(b)圓坯圖4 不同坯形試樣的熱處理變形(a)circular billet；(b)round billetFig.4 Heat treatment deformation of samples with different continuous casting billet

由表2和圖4可知，兩種坯形鋼材制造的齒輪經(jīng)滲碳淬火后內(nèi)徑均呈縮小趨勢，方坯制造的齒輪內(nèi)徑平均縮減量大于圓坯，且方坯齒輪內(nèi)徑橢圓度大于圓坯。橢圓度越小，零件變形的均勻性越好，均勻的變形形式有利于齒輪制造企業(yè)預(yù)測、控制并修正，有利于提高齒輪精度。由此可見，該試驗中，圓坯軋制鋼材制造的齒輪熱處理變形均勻性比方坯的好，熱變形趨勢更穩(wěn)定。有研究表明，在熱處理過程中，由于溫度或者相變不均勻產(chǎn)生的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力導致的變形是鋼材熱處理變形的根本原因[7-8]。在本研究中，由于熱處理條件相同，因此相變不均勻是導致本實驗中試驗件發(fā)生熱變形的根本原因，而相變不均勻與試樣上存在的材料成分偏析、組織不均勻等因素有關(guān)[9-10]。為了深入研究出現(xiàn)上述熱變形結(jié)果的原因，對試驗件滲碳淬火前的材料化學成分及顯微組織進行分析。

圖5為不同坯形鋼材制造的齒輪試樣滲碳淬火前的化學成分偏析情況，偏差值越大，偏析越嚴重?？梢钥吹?，等圓周半徑上，方坯試樣的C含量偏差均大于圓坯，表明方坯試樣的碳偏析較圓坯嚴重；主要合金元素Cr、Ni、Mo含量的偏差值整體上方坯均大于圓坯，方坯試樣的合金元素偏析較圓坯嚴重。因此，圓坯軋制鋼材制造的齒輪橫截面化學成分偏析程度較低，成分均勻性優(yōu)于方坯。

(a)C；(b)Cr；(c)Ni；(d)Mo圖5 不同坯形的齒輪滲碳淬火前化學成分偏析情況(每兩柱為一組，左為方坯，右為圓坯)Fig.5 Segregation of chemical composition of gears with different continuous casting billet before carburizing quenching (each two columns is one group,left is square billet,right is round billet)

對于不同連鑄坯形鋼材制造的齒輪，滲碳淬火前在齒輪橫截面由齒頂向齒內(nèi)截取3個試樣，進行金相顯微組織觀察，如圖6所示。由圖可以看出，兩種坯形的試樣沿齒頂向齒內(nèi)均呈現(xiàn)一定程度的帶狀組織形貌，且?guī)罱M織程度無明顯差異。還可以發(fā)現(xiàn)，兩種坯形的試樣均為鐵素體和珠光體的混合組織，但珠光體含量存在一定差異。方坯試樣的珠光體含量較圓坯試樣多，圖(d1)、(e1)、(f1)中的珠光體含量分別為32%、40%、32.8%，偏差值為4.4；圖(d2)、(e2)、(f2)中的珠光體含量分別為30.5%、31%、29.7%，偏差值為0.66，遠小于方坯試樣。從圖6可以看出，方坯試樣橫截面上的組織分布均勻性比圓坯差[11]。珠光體團的出現(xiàn)說明局部碳偏高，這種現(xiàn)象與上述分析的方坯試樣C含量偏析較明顯相一致。因此，本實驗中方坯的成分偏析與組織不均勻?qū)е路脚髦圃斓凝X輪熱變形穩(wěn)定性較差。

(a1)(d1)方坯,齒頂；(b1)(e1)方坯,齒中；(c1)(f1)方坯，齒內(nèi)；(a2)(d2)圓坯,齒頂；(b2)(e2)圓坯,齒中；(c2)(f2)圓坯，齒內(nèi)圖6 不同坯形的齒輪滲碳淬火前的顯微組織(a1)(d1)square billet, tooth tip；(b1)(e1)square billet, intermediate gear；(c1)(f1)square billet，internal gear；(a2)(d2)round billet,tooth tip；(b2)(e2),round billet齒中；(c2)(f2)round billet，internal gearFig.6 Microstructure of gear with different continuous casting billet before carburizing quenching

3 結(jié)論

1)連鑄坯形對齒輪鋼的熱處理變形有一定影響，在淬透性相近和熱處理工藝相同的情況下，連鑄圓坯軋制鋼材制造的齒輪熱處理變形較方坯均勻。

2)連鑄方坯軋制鋼材制造的齒輪熱變形均勻性較差，主要是橫截面化學成分偏析明顯且組織不均勻?qū)е碌摹?/p>