王煥敏，侯兆敏

（1.中國(guó)航發(fā)哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150066；2.東北輕合金有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150066）

自2009年以來(lái)，我國(guó)工業(yè)加工行業(yè)便呈現(xiàn)處一種對(duì)外的高速發(fā)展趨勢(shì)，同年，我國(guó)工業(yè)材料加工企業(yè)，承接了一批需要出口國(guó)外的傳動(dòng)套。采用12Cr2Ni4A鋼制造，工藝過(guò)程復(fù)雜，產(chǎn)品質(zhì)量要求高，尤其是對(duì)金相組織、表面硬度，心部硬度，外觀質(zhì)量和幾何尺寸等質(zhì)量特性要求嚴(yán)格。常規(guī)情況下，傳動(dòng)套由12Cr2Ni4A鋼材料制造[1]。但由于出口的傳動(dòng)套對(duì)于質(zhì)量與性能層面的要求較高，因此在生產(chǎn)傳動(dòng)套過(guò)程中，需要采用復(fù)雜的工藝制作手段，對(duì)其進(jìn)行出口制造。在生產(chǎn)的實(shí)際過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，12Cr2Ni4A鋼材料屬于金相組織材料，在實(shí)施此種材料的處理過(guò)程中，無(wú)論是對(duì)其表層與核心部位的硬度處理、或是對(duì)其形態(tài)結(jié)構(gòu)的鍛造，均存在較大的難度。并且，傳動(dòng)套對(duì)于外觀尺寸與質(zhì)量結(jié)構(gòu)的精度需求較高，一旦出現(xiàn)尺寸精度偏差，便會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)的傳動(dòng)套成果無(wú)法投入市場(chǎng)使用[2]。對(duì)此，承接方在正式投入生產(chǎn)前，對(duì)傳動(dòng)套進(jìn)行了一段時(shí)間的試生產(chǎn)。在試生產(chǎn)階段，發(fā)現(xiàn)超過(guò)半數(shù)的傳動(dòng)套成品，均在熱處理工藝實(shí)施的階段出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題（包括花鍵尺寸不符合要求等），此種問(wèn)題導(dǎo)致試生產(chǎn)期間出現(xiàn)了大量傳動(dòng)套廢品。不僅提升了傳動(dòng)套制造成本，同時(shí)也在一定程度上影響了傳動(dòng)套的出口周期。針對(duì)提出的問(wèn)題，本文將結(jié)合滲碳淬火原理，對(duì)傳動(dòng)套熱處理環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的變形現(xiàn)象與規(guī)律進(jìn)行深度挖掘，并以此為依據(jù)，規(guī)劃滲碳淬火工藝控制流程，降低傳動(dòng)套熱處理環(huán)節(jié)發(fā)生變形問(wèn)題的概率。

1 滲碳淬火流程與原理

滲碳淬火屬于金屬材料生產(chǎn)加工過(guò)程中的一種常見(jiàn)熱處理手段，在處理過(guò)程中，通過(guò)淬火可以使金屬材料表面與碳原子進(jìn)行融合，以此改善金屬表層的物理性能。較為常見(jiàn)的物理性能為提高金屬構(gòu)件表層的硬度，并以此種方式使其表層具備較高的耐磨性能。

通常情況下，滲碳淬火工藝流程為：使用低溫對(duì)處理構(gòu)件表層進(jìn)行回火處理—預(yù)冷處理構(gòu)件—直接淬火處理金屬—首次進(jìn)行淬火加熱處理—高溫滲碳處理（/回火處理）—二次進(jìn)行淬火加熱處理—感應(yīng)熱處理。滲碳淬火的原理與金屬常規(guī)熱處理的原理相同，總結(jié)其原理，將其劃分為三個(gè)步驟。

第一步為分解，在淬火加熱中，由于溫度升高，其中原子呈現(xiàn)一種高速活躍狀態(tài)；第二步為吸附，呈現(xiàn)高度活躍狀態(tài)的碳原子被構(gòu)件表層吸收，依附在表層奧氏體中，使其表層結(jié)構(gòu)中碳原子的含量增加；第三步為擴(kuò)散，當(dāng)構(gòu)件金屬表層碳原子顯著增加后，其表層的含碳量將與金屬構(gòu)件中心部位的含碳量濃度出現(xiàn)差值[3]。在高溫的持續(xù)作用下，表層碳原子發(fā)生由外部逐步向內(nèi)的擴(kuò)散反應(yīng)[4]。此時(shí)，擴(kuò)散的速度將根據(jù)溫度的變化而發(fā)生變化，當(dāng)其處于一種相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，整體結(jié)構(gòu)逐步趨近于穩(wěn)定，以此種方式，可以顯著地提升金屬表層結(jié)構(gòu)的硬度。

2 傳動(dòng)套中滲碳淬火變形規(guī)律

綜合傳動(dòng)套的實(shí)際生產(chǎn)流程，發(fā)現(xiàn)在滲碳淬火工藝處理環(huán)節(jié)中，對(duì)傳動(dòng)套造成最顯著的變化為外直徑變形。以12Cr2Ni4A鋼材料的傳動(dòng)套為例，對(duì)其滲碳淬火工藝實(shí)施流程進(jìn)行設(shè)計(jì)[5]。在此過(guò)程中，要求完成設(shè)計(jì)后的傳動(dòng)套表面硬度可達(dá)到58.0HRC～60.0HRC；心部硬度可達(dá)到35.0HRC～40.0HRC；對(duì)于構(gòu)件的有效硬化深度應(yīng)達(dá)DC（550.0HV）；在顯微視角下，多個(gè)臨近點(diǎn)之間的硬度差應(yīng)當(dāng)在30.0HV范圍內(nèi)。在對(duì)傳動(dòng)套中滲碳淬火變形規(guī)律進(jìn)行分析前，應(yīng)先掌握傳動(dòng)套結(jié)構(gòu)。對(duì)其結(jié)構(gòu)的描述如下圖1所示。

圖1 傳動(dòng)套內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖1中，h1、h2、h3分別表示為傳動(dòng)套外直徑。在對(duì)其進(jìn)行滲碳淬火工藝生產(chǎn)與制造的過(guò)程中，傳動(dòng)套外直徑（/h3）受熱呈現(xiàn)顯著的膨脹趨勢(shì)，導(dǎo)致傳動(dòng)套整體呈現(xiàn)一種上下不均勻的錐形結(jié)構(gòu)[6]。倘若在此過(guò)程中沒(méi)有準(zhǔn)確地控制碳濃度，會(huì)導(dǎo)致淬火過(guò)程中奧氏體參與量過(guò)高，外部直徑高速收縮，從而產(chǎn)生變形。

在對(duì)此方面的研究中發(fā)現(xiàn)，傳動(dòng)套外直徑的變形量與淬火卡方具有密切的關(guān)聯(lián)性。在此基礎(chǔ)上，對(duì)不同溫度下傳動(dòng)套畸變特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)滲碳淬火后，傳動(dòng)套內(nèi)部的花鍵孔直徑（/b1與b2），發(fā)生由外向內(nèi)的收縮，收縮過(guò)程中，齒距不斷縮小。使用花鍵規(guī)則對(duì)其外徑進(jìn)行輔助性檢測(cè)，并使用千分尺用于測(cè)量花鍵的畸變量[7]。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下表1所示。

表1 傳動(dòng)套花鍵內(nèi)徑與外徑變形量檢測(cè)結(jié)果

綜合上述表1中變形檢測(cè)結(jié)果，可以直接看出，傳動(dòng)套在滲碳淬火熱加工處理環(huán)節(jié)中，內(nèi)徑與外徑均在不同程度上發(fā)生了變形，變形量基本控制在0.050mm范圍內(nèi)。

3 滲碳淬火工藝控制

3.1 傳動(dòng)套熱加工預(yù)先控制

為了降低傳動(dòng)套在滲碳淬火工藝中出現(xiàn)變形，可采用對(duì)傳動(dòng)套熱加工進(jìn)行預(yù)先控制的方式。在對(duì)其進(jìn)行熱處理工作前，可適當(dāng)?shù)丶哟罂琮X距之間的寬度，通過(guò)尺寸補(bǔ)償?shù)姆绞?，降低熱處理過(guò)程中的徑向收縮現(xiàn)象發(fā)生對(duì)傳動(dòng)套設(shè)計(jì)的影響[8]。綜合相關(guān)滲碳淬火工藝實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，在熱處理過(guò)程中，傳動(dòng)套的內(nèi)徑與外徑均發(fā)生了變形，變形量基本控制在0.050mm范圍內(nèi)。因此，可直接根據(jù)其變形量，對(duì)傳動(dòng)套熱加工進(jìn)行預(yù)先補(bǔ)償，補(bǔ)償范圍參照發(fā)生變形的范圍即可。

在此過(guò)程中，考慮到傳動(dòng)套內(nèi)結(jié)構(gòu)中花鍵經(jīng)過(guò)熱處理加工后，其變形量可通過(guò)補(bǔ)償?shù)姆绞浇档?。而針?duì)小部分未能及時(shí)處理的變形，可采用“花鍵校正推導(dǎo)”的方式，將滲碳淬火產(chǎn)生的畸變控制在可控范圍內(nèi)。在此基礎(chǔ)上，為了持續(xù)降低工藝實(shí)施對(duì)其的影響，可設(shè)計(jì)“T”型結(jié)構(gòu)的空心襯套，其結(jié)構(gòu)如下圖2所示。

圖2 “T”型結(jié)構(gòu)空心襯套示意圖

圖2中所呈現(xiàn)的孔內(nèi)結(jié)構(gòu)上下硬度相對(duì)均勻，可滿(mǎn)足滲碳淬火工藝實(shí)施需求。此外，為了避免由于不正確的裝爐方式導(dǎo)致傳動(dòng)套生產(chǎn)發(fā)生變形，可在裝爐過(guò)程中，考慮到不同工件之間的熱處理行為可能存在影響，因此應(yīng)預(yù)先為其保有足夠的間隙，降低傳動(dòng)套擺放過(guò)密導(dǎo)致的受熱不均勻現(xiàn)象出現(xiàn)。

3.2 合理規(guī)劃傳動(dòng)套不同滲碳淬火階段時(shí)間

在完成上述相關(guān)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，應(yīng)根據(jù)傳動(dòng)套不同滲碳淬火階段，對(duì)行為發(fā)生時(shí)間進(jìn)行控制與合理約束。如下圖3所示。

圖3 傳動(dòng)套不同滲碳淬火階段工藝曲線(xiàn)

如上述圖3所示，可將傳動(dòng)套的滲碳淬火熱處理劃分為三個(gè)階段，控制每個(gè)階段中不同行為的發(fā)生時(shí)間。并在完成首次淬火后，對(duì)其變形量或漲大值進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)中可從傳動(dòng)套上部、中部、下部三個(gè)部位進(jìn)行弧度位置的測(cè)量。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，傳動(dòng)套滲碳淬火后其內(nèi)花鍵孔產(chǎn)生徑向向里收縮，跨齒距尺寸縮小。我們一方面借助于花鍵塞規(guī)(專(zhuān)門(mén)定制止規(guī)和通規(guī)兩種規(guī)格)作輔助性檢測(cè)，另一方面則用內(nèi)測(cè)千分尺和滾針來(lái)測(cè)量?jī)?nèi)花鍵孔的變形量。測(cè)得其變形量約為0.025mm～0.04mm。在完成首次滲碳淬火熱處理后，二次滲碳淬火熱處理仍需嚴(yán)格按照?qǐng)D3曲線(xiàn)實(shí)施。

此過(guò)程中，滲碳淬火的整體思想按照高溫回火處理方式，綜合金屬材料在此過(guò)程中的物理作用力，在收縮過(guò)程中，假定其已經(jīng)抵消了一部分應(yīng)力，剩余部分的應(yīng)力可從“T”型結(jié)構(gòu)空心襯套下部排出。

上述提出的高溫回火處理方式中，可按照“功率升溫—水冷”與“功率升溫—消應(yīng)”的流程，對(duì)傳動(dòng)套熱加工流程進(jìn)行規(guī)范化處理。例如，在提出的前者步驟中，先對(duì)傳動(dòng)套進(jìn)行持續(xù)2.0h的加熱處理，熱處理溫度保持在400.0°C±10.0°C范圍內(nèi)。持續(xù)2.0h后，按照爐內(nèi)溫度，對(duì)其進(jìn)行功率升溫，對(duì)傳動(dòng)套進(jìn)行持續(xù)7.0h的加熱處理，熱處理溫度保持在650.0°C±10.0°C范圍內(nèi)。完成加熱處理后，使用水冷方式對(duì)傳動(dòng)套進(jìn)行冷卻處理，以此種規(guī)范化的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)滲碳淬火工藝的控制。

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合滲碳淬火原理，對(duì)傳動(dòng)套熱處理環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的變形現(xiàn)象與規(guī)律進(jìn)行深度挖掘，并提出了預(yù)先控制傳動(dòng)套熱加工、合理規(guī)劃傳動(dòng)套不同滲碳淬火階段時(shí)間等滲碳淬火工藝控制行為，以此種方式降低變形的發(fā)生概率。為了進(jìn)一步提升對(duì)外出口金屬制品的質(zhì)量，可在后期的相關(guān)研究中，將本文提出的控制方法應(yīng)用到對(duì)金屬構(gòu)件的熱處理加工環(huán)節(jié)中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬制品的高質(zhì)量、高效率產(chǎn)出。