崔 鼎，車永平

(西安法士特汽車傳動有限公司，陜西 西安 710119)

在滲碳熱處理過程中，整個零件畸變帶寬的大小是重點(diǎn)關(guān)注對象之一。比如，某一零件經(jīng)熱處理后收縮最大可到0.15 mm，但如果其帶寬只有0.04 mm，則其只需要根據(jù)熱處理后零件的相關(guān)尺寸來優(yōu)化熱處理前工藝尺寸，零件的畸變也是相對容易控制的；若該零件的畸變一致性超過0.1 mm，對于公差只有0.1 mm的零件來說，熱處理控制的難度將是巨大的。

因此，基于齒輪中內(nèi)花鍵的畸變規(guī)律，類比于材料中淬透性帶的概念，提出了淬火畸變公差帶的概念，即可理解為不同熱處理?xiàng)l件下(淬火介質(zhì)、攪拌速度、備料方式和淬火溫度等)，同一零件內(nèi)花鍵最大畸變量與最小畸變量的差值。可以認(rèn)為，所有降低淬火畸變公差帶的方式對熱處理畸變的改善均是有益的。

1 內(nèi)花鍵畸變因素分析

對于某一特定產(chǎn)品，影響熱處理畸變關(guān)鍵的因素主要是零件結(jié)構(gòu)類型、熱處理前的工藝尺寸、材料類型、熱處理工藝、鍛造正火工藝等[1]。

1.1 零件結(jié)構(gòu)類型

零件的結(jié)構(gòu)類型對淬火畸變公差帶影響較大。類似于圖1的片齒類零件，由于沿內(nèi)花鍵齒寬方向的有效厚度差異大，即兩端小，中部大，在熱處理過程中的畸變主要表現(xiàn)為兩端收縮大、中部收縮小的不一致狀況。

圖1 典型帶內(nèi)花鍵零件

對于該類結(jié)構(gòu)，一般需要通過降低冷卻速度、增加熱補(bǔ)償或改善鍛造組織均勻性等方式適當(dāng)降低淬火畸變公差帶，同時要對熱處理前的工藝尺寸設(shè)計(jì)提出較高的要求[2]。根據(jù)熱處理的畸變規(guī)律，讓熱處理前的零件加工在尺寸上進(jìn)行補(bǔ)償，比如使花鍵中間尺寸加工小些。若是通過上述的方式依舊無法有效降低淬火畸變公差帶寬，則需要通過壓淬或固定芯軸的方式對其進(jìn)行限形淬火。因此，在零件前期的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，應(yīng)盡可能采用對稱性、規(guī)整性更高的設(shè)計(jì)方案，更有助于后續(xù)的工藝開發(fā)及批量生產(chǎn)。

1.2 熱處理前工藝尺寸

熱處理前工藝尺寸的影響主要體現(xiàn)在以下3個方面：①決定了零件的最大允許畸變量；② 內(nèi)花鍵的錐度對熱處理畸變有一定影響；③工藝階段的加工殘余應(yīng)力。

通常，內(nèi)花鍵的公差要求多為0.1 mm，假設(shè)某一零件圖紙要求內(nèi)花鍵的跨球距公差為47.00～47.10 mm，若熱處理前工藝尺寸為(47.10±0.02)mm，則可以認(rèn)為該工藝在熱處理階段的畸變趨勢為收縮，且熱處理階段的允許最大收縮量為0.08～0.12 mm，且當(dāng)熱處理前工藝分別處于上差、下差時，熱處理階段的最大允許收縮量為0.12、0.08 mm。

假設(shè)該零件的“淬火畸變公差帶”為0.08 mm，最小收縮畸變量為0.04 mm時，則當(dāng)熱處理前尺寸為中差47.10 mm時，該零件的預(yù)期廢品率將達(dá)到25%，即可認(rèn)為該零件的熱處理前工藝尺寸是不合適的，最優(yōu)的熱處理前工藝尺寸應(yīng)該為(47.14±0.02)mm。

內(nèi)花鍵的加工方式主要有插花鍵和拉花鍵兩種，而后者由于工藝效率高，應(yīng)用更為廣泛。由于拉花鍵的工藝特點(diǎn)：其出刀口與進(jìn)刀口總存在一定的錐度，且內(nèi)花鍵的齒寬越大，錐度通常也越大。因此，該工藝本身就帶有一定的畸變，進(jìn)而影響產(chǎn)品的整體合格率。熱處理前加工的殘余應(yīng)力會在熱處理畸變過程中獲得釋放，并對熱處理階段的畸變產(chǎn)生一定影響，但該影響相對較小，非重要因素。

1.3 材料類型

材料淬透性對零件的畸變也有重要影響。通常來說，淬透性越高的材料，淬火畸變公差帶也越大。表1為20CrMnTiH鋼和8620RH鋼的淬透性對比?？梢钥闯觯罢叩拇阃感愿哂诤笳?，這也就一定程度上解釋了同一種結(jié)構(gòu)零件，20CrMnTi鋼零件比8620RH鋼零件更容易畸變的根本原因。

表1 鋼的淬透性公差帶(端淬值, HRC)

對于同一種材料，材料淬透性帶寬也對淬火畸變公差帶有影響?；跓崽幚砘兊目紤]，材料淬透性帶寬越小越好。然而，淬透性帶寬主要是由材料的化學(xué)成分波動導(dǎo)致的。目前，在工業(yè)生產(chǎn)中，一般要求淬透性公差帶控制在6 HRC；對于某些特殊要求的零件，淬透性公差帶甚至要求控制在4 HRC，但材料的工業(yè)成本也大大提高。

1.4 熱處理工藝

1.4.1 冷卻速度

熱處理工藝制定的時候，首先要考慮的是冷卻速度。影響冷卻速度的因素主要有結(jié)構(gòu)類型、材料類型、淬火介質(zhì)、攪拌速度、備料方式等，需要針對產(chǎn)品具體的工藝要求進(jìn)行合理的匹配。此外，零件的加熱速度、淬火溫度等也是熱處理工藝制定需要考慮的重要因素，一般緩速加熱可提高零件升溫的一致性；淬火溫度降低也可在一定程度上降低產(chǎn)品的熱應(yīng)力，進(jìn)而有助于畸變的一致性[3]。

1.4.2 熱處理方式

熱處理方式主要分為直接滲碳淬火、帶心軸工裝滲碳后直接淬火、滲碳緩冷+帶心軸加熱淬火、滲碳緩冷+壓淬。對于某一種零件來說，通常需要對4種方案的產(chǎn)品合格率及成本進(jìn)行綜合分析，針對不同零件篩選出最優(yōu)的工藝方案。

1.5 鍛造正火工藝

鍛造正火工藝主要包含了鍛造及預(yù)備熱處理過程，目的是為了獲得均勻一致的毛坯組織，為后續(xù)的機(jī)加工及熱處理做準(zhǔn)備?；谀ｅ懙牟牧侠寐始靶示^高，等溫正火后的鍛件具有硬度均勻，晶粒細(xì)小，帶狀組織輕微的特點(diǎn)，目前大多采用模鍛+等溫正火的工藝。

圖2為某Cr-Mo系列齒輪鍛件的等溫正火工藝，其中加熱溫度、保溫時間、冷卻速度(裝載量、冷卻速度、冷卻均勻性)、等溫溫度、等溫時間均對零件的鍛造正火組織有重要影響。圖3為不同加熱溫度下某齒輪鍛件的正火組織，當(dāng)溫度為940～950 ℃時，出現(xiàn)了混晶組織，可見加熱溫度對組織的一致性有重要影響。

圖2 某Cr-Mo系列材料的等溫正火工藝

圖3 不同加熱溫度下某齒輪鍛件的正火組織

圖4為不同冷卻速度下某齒輪鍛件的正火組織。可以看出，冷卻速度慢時出現(xiàn)了帶狀組織，冷卻速度較快時，則出現(xiàn)了斷離珠光體。因此，合適的冷卻速度對組織的均勻性也有重要影響。

圖4 不同冷卻速度下某齒輪鍛件的正火組織

需要說明的是，鍛造毛坯不同部位的組織差異較大，這是由模鍛特點(diǎn)決定的，其無法像自由鍛一樣通過多次鍛打提高組織的均勻性。但是，鍛造時要盡可能保證纖維流線呈對稱分布，并控制鍛造正火工藝的穩(wěn)定性，保證在同一維度下對后續(xù)產(chǎn)品的畸變規(guī)律進(jìn)行分析[4]

2 不同結(jié)構(gòu)類型的內(nèi)花鍵畸變規(guī)律

齒輪結(jié)構(gòu)類型不同，其內(nèi)花鍵的畸變規(guī)律也是不同的。目前，對于帶外齒的內(nèi)花鍵零件(含外圈為光軸的結(jié)構(gòu))，基于大量的畸變數(shù)據(jù)，主要采取了零件的有效厚度作為評價標(biāo)準(zhǔn)，其簡單的計(jì)算方法：零件有效厚度=(外齒節(jié)圓直徑-內(nèi)花鍵節(jié)圓直徑)/2。

2.1 熱處理后內(nèi)花鍵尺寸收縮

經(jīng)滲碳淬火后，大部分零件內(nèi)花鍵呈縮小趨勢(相較熱處理前的工藝尺寸)，且壁厚越薄、淬火烈度越高，收縮的程度越大。對于沿內(nèi)花鍵齒向方向有效厚度不均勻的零件來說，如圖1所示為我公司的某零件，主要特征是零件中部有效厚度大，可達(dá)65.3 mm，兩端僅為8.8 mm(外圈為光軸)。圖5為該零件滲碳淬火后油冷的12組尺寸收縮數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)圖?？梢钥闯?，端口及中部均呈收縮趨勢，且兩端的收縮量明顯大于中部，體現(xiàn)了收縮的不均勻性。

2.2 熱處理后內(nèi)花鍵尺寸漲大

該類零件的主要特征如圖6所示，其有效厚度較小，外齒的畸變對內(nèi)花鍵影響較大，造成了內(nèi)花鍵跨球距呈漲大趨勢。當(dāng)零件有效厚度為10.7 mm，經(jīng)滲碳淬火后內(nèi)花鍵尺寸平均漲大0.03 mm；當(dāng)零件的有效厚度為20.6 mm時，也表現(xiàn)出相同的規(guī)律。

圖6 內(nèi)花鍵尺寸漲大的結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 熱處理后內(nèi)花鍵尺寸不變

該類零件的主要特征如圖7所示，其零件有效厚度為32.3 mm，對其熱處理后數(shù)據(jù)測量可知其內(nèi)花鍵尺寸基本與熱處理前工藝參數(shù)保持一致，即漲縮平衡。

圖7 內(nèi)花鍵尺寸不變的結(jié)構(gòu)示意圖

基于冷熱畸變數(shù)據(jù)分析可以看出，在熱處理工藝相同的情況下，內(nèi)花鍵的漲縮與零件的有效厚度相關(guān)性較大。對于帶外齒的零件結(jié)構(gòu)，內(nèi)花鍵跨球距尺寸與零件的有效厚度呈現(xiàn)出先漲后縮的連續(xù)變化趨勢，且中間會存在漲縮平衡點(diǎn)；而對只含有內(nèi)花鍵的零件或結(jié)構(gòu)，整體上呈收縮趨勢。但是需要注意的是，熱處理畸變的根本機(jī)理是熱應(yīng)力與相變應(yīng)力導(dǎo)致的不均勻畸變，上述只是對畸變的宏觀規(guī)律進(jìn)行了分析。

3 基于畸變規(guī)律的熱處理方案

常用的滲碳熱處理方式主要分為3種，直接滲碳淬火、帶芯軸工裝的直接淬火/或二次加熱淬火和壓淬。本小節(jié)對3種熱處理方式進(jìn)行分析，并對內(nèi)花鍵畸變后的返修方案進(jìn)行介紹。

3.1 直接滲碳淬火

直接滲碳淬火，簡稱為直淬，是最節(jié)省成本的方式，這也是帶內(nèi)花鍵類零件首選的熱處理方式。若零件淬火畸變公差帶在合理范圍之內(nèi)均優(yōu)先使用直淬工藝。

調(diào)節(jié)淬火畸變公差帶的方式主要有降低冷卻速度(淬火油、攪拌速度、油品等)、淬火均勻性(材料淬透性帶、加工應(yīng)力、備料方式、鍛造正火工藝等)以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)特征(材料選擇、結(jié)構(gòu)類型等)等。因此，可以看出，當(dāng)零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱處理前工藝尺寸以及材料類型確定后，熱處理工藝階段對畸變的整體調(diào)整是有限的。

3.2 帶芯軸淬火

帶芯軸淬火主要分為帶芯軸工裝的直接淬火/或二次加熱淬火，芯軸的目的是使零件的有效厚度差變小，也是降低零件淬火畸變公差帶的方法之一。然而，通常芯軸的尺寸設(shè)計(jì)需要基于大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，耐熱鋼是芯軸材料的最佳選擇。

3.3 壓淬

壓淬是滲碳正火+二次加熱+限行淬火的簡稱，其主要應(yīng)用于淬火畸變公差帶大的零件，采用直淬或帶芯軸淬火合格率低的產(chǎn)品。壓淬是在零件冷卻的過程中，通過芯軸的持續(xù)擴(kuò)張來限制內(nèi)花鍵過度收縮的過程，其可認(rèn)為是第二種方案的一種優(yōu)化。通常來說，合理的壓淬工藝與模具相匹配可以較好地解決內(nèi)花鍵的畸變問題，但是由于其生產(chǎn)效率低、成本大，常用于附加值較高的產(chǎn)品。

3.4 返修方案

對于內(nèi)花鍵畸變后的塞規(guī)不過零件，可以采用“花鍵校正推刀”進(jìn)行擴(kuò)孔修復(fù)工藝進(jìn)行返修，即熱處理后硬拉花鍵。然而該硬質(zhì)拉刀成本較高，且磨損率高，只適應(yīng)于附加值極高的工件，目前并未在我公司使用。此外，也可通過壓淬進(jìn)行一定程度的返修，但返修工藝波動較大，合格率一般較低。

4 結(jié)論

本文提出了淬火畸變公差帶的概念，并對影響淬火畸變公差帶的各種因素，如熱處理前工藝尺寸、零件結(jié)構(gòu)類型、材料類型、熱處理工藝、鍛造正火工藝等進(jìn)行了分析，并對影響內(nèi)花鍵熱處理畸變的各工藝參數(shù)進(jìn)行了一定的剖析。同時，對我公司常見的產(chǎn)品類型，提出了零件有效厚度，分析了不同結(jié)構(gòu)零件的畸變趨勢，并給出了建議的熱處理方案。