薄壁齿轮渗碳淬火变形，这一招管用
作者：黄锦财、赖香功、廖晓文
单位：赣州核力机械股份有限公司
来源：《金属加工（热加工）》杂志
电动汽车齿轮（以下简称齿轮）是我公司新开发的产品，因其内孔直径较大，壁薄的特点。试制初期，齿轮在渗碳淬火回火后，出现了一系列质量问题：同一个齿轮的齿部端面部位硬度不均匀；同一个齿轮有效硬化层深度不均匀等问题；因内孔椭圆严重，齿轮磨齿时齿面磨削不起来，产品不合格率达40%。经认真分析总结，通过工艺验证，采用专用渗碳工装和合理的渗碳摆放方式相结合，从根本上解决了上述问题，满足了产品的技术要求。
1.齿轮技术要求
如图1所示是齿轮的简图，材料20CrMnTi，有效硬化层深度0.5～0.8mm，表面硬度58～63HRC，心部硬度30～43HRC。齿轮显微组织按《汽车渗碳齿轮金相组织》标准进行检验。碳化物≤5级，残留奥氏体、马氏体≤5级；磨齿齿轮精度等级≤5级。
图1 电动汽车齿轮
2.齿轮加工工艺及检验结果
（1）齿轮生产工艺过程
下料→锻造→等温正火→粗车→精车→滚齿→倒棱→钻小孔→去毛刺→清洗→渗碳→回火→磨内孔→磨齿→检验→清洗→装机。
（2）齿轮热处理设备及渗碳工艺
齿轮的渗碳、淬火、回火设备采用滴注式气体渗碳氮化炉自动生产线。齿轮渗碳工艺如图2所示。
图2 电动汽车齿轮渗碳工艺
（3）检验结果
齿轮经渗碳、淬火、回火后，解剖随炉机加工废品检验金相组织、有效硬化层DC值、心部硬度和抽检部分产品检测齿轮齿部端面部位硬度。其检测结果见附表。从表中可以看出：金相显微组织1～2级，符合产品的技术要求。而齿轮端面部位硬度，有的硬度均匀且合格；有的硬度不均匀，忽高忽低，且有的硬度合格有的不合格；心部硬度和有效硬化层深度也出现类似情况。此外，用内径百分表和公法线千分尺分别测量其内孔和公法线，发现齿轮内孔圆度为0.024～0.16mm，内孔变形较大；公法线长度变动量：0.004～0.085mm。
电动汽车齿轮金相组织、有效硬化层DC值及心部硬度、齿部端面硬度值检测结果
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试样 编号 |
碳化 物/级 |
残留奥氏 体/级 |
马氏 体/级 |
铁素 体/级 |
Dc（550HV） /mm |
心部硬度 HRC |
齿部端面硬 度HRC |
|
1 |
1 |
1.5 |
1.5 |
1.5 |
0.30～0.38 |
26.1～27.5 |
52.3～53.5 |
|
2 |
1 |
2 |
2 |
1.5 |
0.72～0.73 |
39.6～40.1 |
60.2～61.7 |
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3 |
1 |
1.5 |
1.5 |
1.5 |
0.42～0.43 |
29.5～30.6 |
54.5～55.4 |
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4 |
1 |
2 |
2 |
1.5 |
0.48～0.70 |
32.0～38.7 |
56.8～60.6 |
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5 |
1 |
2 |
2 |
1.5 |
0.71～0.72 |
38.9～39.6 |
60.4～61.3 |
3.原因分析及改进措施
（1）原因分析
针对产品出现一系列质量问题。
首先，从监控记录仪中查看了该产品的渗碳全过程，各加热区渗碳温度升、降温正常、碳势变化稳定、淬火油温度、搅拌速度及油量未见异常，回火温度和时间均正常。
其次，察看现场情况，发现装料方法有问题。主要是装料工装料摆放不合理，齿轮堆放过密。装料方法不合理对热处理畸变有着重要影响。该渗碳摆放方式示意图如图3所示。齿轮平放在蜂窝状的方形耐热钢板上，齿轮摆满一层后上面铺上耐热钢丝网接着再摆放2层齿轮。经过分析，贴近耐热钢板和钢丝网的齿轮端面在渗碳淬火过程中，齿轮的上、下端面升温、降温、淬火时温度不均匀，渗碳气氛扩散循环不畅、渗碳速度快慢不一致，且有渗碳死角，淬火油流动不畅，冷却速度不一致，这是导致齿轮有效硬化层深度和端面部位硬度、心部硬度不均匀的主要因素；再加上高温下渗碳时零件堆放过密，齿轮机加工应力、热应力、组织应力、齿轮自重和工装的重量相互叠加这是诱导齿轮端面蠕变而翘曲变形的另一原因。
齿轮渗碳、淬火时，由于齿轮上、下端面温度不均匀，齿轮内孔直径较大，壁薄且该处钻有8个小孔，机加工应力较大，齿轮在高温下的强度较低，这种应力及组织应力都会加剧齿轮内孔和公法线长度的热处理畸变。
图3 电动汽车齿轮渗碳摆放方式示意
（2）改进措施
为了确保齿轮的热处理质量，我们必须从渗碳淬火方面考虑，合理的工装与齿轮装夹方式、淬火介质及合理的搅拌是关键的畸变控制措施。
对此，我们设计了一个环形垫圈作为齿轮渗碳专用工装，环形垫圈简图如图4所示，该工装加工制作简单方便，生产成本低。采用另外一种渗碳摆放方式与环形垫圈配合使用，该摆放方式示意图如图5所示。
为了验证渗碳摆放方式可靠性，我们继续采用了原渗碳工艺，以便新的渗碳摆放方式与原来的方法相比较。
具体装料方法：先从料框最下层开始由下往上装料，每层一块方形耐热钢板，每个料框装8块蜂窝状的耐热钢板，各耐热钢板之间保证间隙均匀，每块钢板上先均匀的摆放11个环形垫圈，摆料时每个齿轮薄壁处的凹槽向下且正好落在环形垫圈上。该渗碳摆放方式的特点：由于环形垫圈的壁薄，齿轮渗碳、淬火时，升、降温对齿轮的热量传递影响不大；齿轮的齿部上、下端面不直接接触工装，对齿轮的齿形、齿向变形影响更小；齿轮上下端面、前后、左右之间间隙均匀，升温、降温速度均匀；渗碳气氛循环通畅无死角；淬火冷却速度均匀、淬火介质流通顺畅；这样就保证了齿轮各部位加热、冷却均匀；渗碳气氛及淬火介质流动均匀，使齿轮可以获得较小的变形和较均匀的变形规律。此外，该生产操作方法安全简单方便。
图4 环形垫圈简图
图5 电动汽车渗碳摆放方式示意
为了验证该渗碳摆放方法的可行性。齿轮经渗碳淬火回火后检测结果如下：齿轮端面部位硬度：60.2～61.7HRC；线切割实物检测有效硬化层深度：0.70～0.73mm；心部硬度：38.8～39.2HRC；金相显微组织：碳化物1级，残留奥氏体和马氏体2级，铁素体1级。内孔圆度：0.003～0.06mm,公法线长度变动量：0.002～0.020mm，磨齿后齿轮精度等级3～5级。从检测结果可以看出，通过设计环形垫圈和采用新的渗碳摆放方式，齿轮的各项检测结果均符合产品的技术要求。产品合格率达100%。经多次小批量试生产，产品质量稳定可靠。现已采用此工艺进行批量生产。
4.结语
齿轮在渗碳淬火过程中出现一系列质量问题，通过设计环形垫圈并与合理的渗碳摆放方式相互结合，有效地解决了问题，确保了产品质量，降低了生产成本，提高了生产效率，取得了较好的经济效益。