行星軸特殊滲碳淬火工藝

我公司主要生產(chǎn)自動變速箱和動力傳動系統(tǒng)零部件，多款變速器產(chǎn)品均采用了行星傳動機(jī)構(gòu)，大部分的行星軸均要求使用優(yōu)質(zhì)滲碳鋼進(jìn)行滲碳淬火處理，而有一款變速器的行星軸不僅材料要求特殊且熱處理標(biāo)準(zhǔn)也是專門的標(biāo)準(zhǔn)，因為保密的原因，原設(shè)計方不愿提供熱處理標(biāo)準(zhǔn)，并且要求從他們的工廠購買。

為了降低成本并實現(xiàn)國產(chǎn)化，我們對標(biāo)OEM零件的檢測結(jié)果并進(jìn)行了多輪次的試驗改進(jìn)，終于能達(dá)到和OEM零件各方面均一致的熱處理結(jié)果，通過了嚴(yán)格的臺架試驗，已進(jìn)入穩(wěn)定量產(chǎn)階段。

1.行星軸特殊材料及特殊的熱處理結(jié)果

（1）產(chǎn)品材料為原公司特制的材料，要求較高的純凈度和淬透性，要求晶粒度≥5級，夾雜物要求如表1所示，DI值（按化學(xué)成分計算）應(yīng)為77.5～100.3mm，端淬試驗要求如表2所示，殘余元素要求：最大鈣殘留20ppm（1ppm=10^-6，下同）、最大氧含量12ppm。

表1  夾雜物要求

表2  端淬試驗要求

 （2）產(chǎn)品圖樣僅有硬度和硬化層深要求（表面硬度≥60HRC，硬化層深2.2～2.8mm），圖樣標(biāo)注的特殊熱處理標(biāo)準(zhǔn)無法得到，我們對2批次的OEM分別進(jìn)行了抽檢，檢測結(jié)果如表3所示。

表3  檢測結(jié)果

對比圖樣要求、檢測結(jié)果和常見的滲碳淬火規(guī)范可發(fā)現(xiàn)，處理表面硬度和硬化層深要求較高之外，此零件在表面和次表面存在均勻的彌散分布的碳化物（見圖1），其余基本一致。

圖1  表面均勻分布彌散碳化物

2.材料選擇

根據(jù)圖樣的材料特殊要求，一般的滲碳鋼同時難以滿足要求，特選取了我公司常用的與要求比較接近的材料A。

材料A晶粒度為7級，鈣殘留8ppm，氧含量9.2ppm，DI實測值為68.8mm。夾雜物如表4所示，端淬試驗如表5所示。

表4  夾雜物

表5  端淬試驗

從以上數(shù)據(jù)可得，除DI值和7mm處的端淬硬度值低于圖樣材料要求外，其他全部符合。

3.試驗研究與對比改進(jìn)

相對于常見的滲碳淬火零件，此零件有兩方面需要重點設(shè)計試驗并進(jìn)行改進(jìn)，一是深層滲碳，二是表層及次表層需獲得均勻一致的彌散碳化物分布。碳化物的大小和形狀對鋼的抗疲勞性能有顯著影響，文獻(xiàn)[2]介紹，粗大及網(wǎng)狀碳化物會降低碳化物晶界產(chǎn)生解理裂紋所需的臨界切應(yīng)力。大塊角狀、仿晶界型碳化物嚴(yán)重降低深層滲碳工件的疲勞壽命，圓球形、分布均勻的碳化物形態(tài)反而能提高疲勞極限，越細(xì)化、越均勻的碳化物分布越好。而碳化物形態(tài)的控制主要是滲碳溫度、時間、碳勢和合金元素綜合作用的結(jié)果，通常滲碳溫度高時，間隙原子與置換型原子均可進(jìn)行長程擴(kuò)散，擴(kuò)散結(jié)果形成穩(wěn)定性碳化物，滲碳時高溫奧氏體中直接析出的碳化物一般是沿晶界形核，繼而不斷長大和聚集而成為具有特殊形態(tài)的碳化物。

眾所周知，在熱處理生產(chǎn)中，深層滲碳是一個耗時耗能的過程，隨著滲碳層深的增加，時間和成本均倍增，受設(shè)備、滲碳溫度和控制方法的局限，大幅度縮短工藝時間基本是不可能的。而碳化物因受到很多因素的影響，對于滲碳淬火的工藝來說極難控制，很易產(chǎn)生粗大的網(wǎng)狀碳化物等有害組織，故常見的滲碳淬火都要嚴(yán)格控制碳化物的產(chǎn)生。

根據(jù)以上理論和實踐經(jīng)驗，我們認(rèn)為，常用的滲碳后直接淬火無法獲得所期望的碳化物形態(tài)，故我們需要先對工件進(jìn)行滲碳，然后進(jìn)行低溫擴(kuò)散，使得碳化物在擴(kuò)散和冷卻過程中能沿晶界析出，而后對零件重新加熱到淬火溫度并進(jìn)行長時間的保溫擴(kuò)散，使得前面工步中析出的碳化物更加均勻，然后進(jìn)行淬火硬化和回火。

以下所有試驗使用的設(shè)備均為愛協(xié)林箱式多用爐，型號VKEs5/2-90/85/150CN，爐溫均勻性可達(dá)到±5℃，碳勢均勻性可達(dá)到±0.05%，清洗和回火工序也在同條生產(chǎn)線上完成。

根據(jù)以上試驗設(shè)計，第一次的工藝曲線如圖2所示（第一輪試驗：強(qiáng)滲13h、擴(kuò)散7h；第二輪試驗：強(qiáng)滲11h、擴(kuò)散6h；第三輪試驗：強(qiáng)滲10h、擴(kuò)散5.5h），檢測結(jié)果如表6所示。從結(jié)果看，硬化層深超出圖樣要求，深層表面并未獲得彌散碳化物。為獲得合適的硬化層深又分別進(jìn)行了兩次試驗，除滲碳工藝的強(qiáng)滲和擴(kuò)散時間縮短外，其他未變，可見隨著滲碳時間的縮短，硬化層深逐漸減少，但金相組織不變，均未獲得均勻的碳化物。

圖2  第一輪試驗工藝曲線

表6 第一輪～第三輪試驗檢測結(jié)果

從以上結(jié)論可知，滲碳的工藝參數(shù)更多的是決定滲層的深淺，如果想獲得期望的金相組織，需要在重新加熱淬火的參數(shù)上進(jìn)行調(diào)整試驗。為此我們重新設(shè)計進(jìn)行了4輪試驗，工藝參數(shù)（除“二次加熱淬火”參數(shù)不同外，其余4輪試驗全同。“二次加熱淬火”參數(shù)：第四輪為830℃、1.2%Cp×75min；第五輪為830℃、1.2%Cp×150min；第六輪為830℃、1.2%Cp×300min；第七輪為830℃、1.2%Cp×360min），工藝曲線如圖3所示，檢測結(jié)果如表7所示，金相圖片如圖4所示，第七輪試驗的檢測結(jié)果基本和OEM 零件一致。

表7  第四輪～第七輪試驗檢測結(jié)果

圖3  第四輪～第七輪試驗工藝曲線和參數(shù)

（a）第四輪試驗                           （b）第五輪試驗

（c）第六輪試驗                         （d）第七輪試驗

圖4 第四次～第七次試驗碳化物圖片

從以上試驗結(jié)果可得，在830℃重新加熱保溫淬火后，只需保溫75min即可在表層獲得C4級別（公司滲碳淬火標(biāo)準(zhǔn)）的碳化物，但深度較淺，平均值約65μm，且存在大量的網(wǎng)狀碳化物，此類組織對產(chǎn)品性能有較壞的影響。隨著保溫擴(kuò)散時間增長，碳化物的擴(kuò)散深度更深，保溫150min時平均深度可達(dá)160μm左右，保溫300min時平均深度可達(dá)260μm左右，且隨著時間增加，網(wǎng)狀碳化物逐漸減少，慢慢轉(zhuǎn)化為更加圓的碳化物，同時隨著時間的增加，從表面至1mm深度的滲層范圍內(nèi)有細(xì)小的球狀碳化物均勻析出。

4.臺架試驗

按照OEM和以上試驗成功的工藝進(jìn)行了小批量的生產(chǎn)并進(jìn)行裝配，然后裝變速箱進(jìn)行臺架試驗驗證性能和壽命，圖5a為經(jīng)過一輪臺架試驗共300h的檢查照片，圖5b為經(jīng)過兩輪臺架試驗共600h的檢查照片，經(jīng)驗證，性能和壽命全部符合試驗標(biāo)準(zhǔn)。

（a）                                       （b）

圖5  臺架試驗后的照片

5.結(jié)語

• （1）深層滲碳并獲得表層均勻的彌散碳化物是可行的，但較常用的滲碳工藝更費時費力。
• （2）滲碳過程中的參數(shù)主要影響硬化層深度方面的控制，而表層彌散碳化物的獲得則主要靠二次加熱淬火過程的控制。
• （3）為獲得均勻的碳化物并且避免出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物等有害組織，需要較長的保溫時間。

作者：劉光宗；單位：西安雙特智能傳動有限公司