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第2期汽齿科技2015年

齿轮真空渗碳热处理变形控制探析

楚大锋

摘要：大齿轮结构的不对称性严重影响其热处理变形。自动变速器主减速从动齿轮采用ECM低压真空渗碳、高压氮气直接淬火，并不断优化热处理装架工装设计，可以得到优良的大齿轮平面度。实验发现，平放装架方式不能有效控制变形，热后平面度一致性较差；改进装架方式，采用H型料棒挂放方式，并不断改进料棒的宽度、凹槽深度、壁厚等参数，可以提高零件平面度且稳定性较好，同时零件形变合格率也得到了提高。

关键词：主减速齿轮；真空热处理；渗碳热变形

1前言

常规可控气体渗碳淬火热处理会产生内氧化、非马氏体组织；低压真空渗碳、高压氮气淬火技术可以解决以上问题，因为零件在热处理过程中，一直处于真空状态下，不存在氧气氛，因此不会产生内氧化、表面非马氏体等缺陷组织，提高了零件的使用寿命。高温低压真空渗碳技术还具有零件表面活性高，渗碳速度快，工期短，节能环保，不排放有毒、有害物质等优点。

对于盘类齿轮零件渗碳淬火热处理，选用合适的热处理料架至关重要。一般，装架方式遵循重心最低原则。结构不对称性使大齿轮零件在热处理过程中形变不一致，这也是控制热变形的难点。真空炉采用低压渗碳和高压气体淬火技术相结合，可以有效减小热处理变形，且一致性较好。实验所用变速器主减速齿轮采用法国ECM低压真空生产线(型号为ICBP900TG)进行试制生产工作。

2原材料及热处理技术要求

实验所用零件材料为SAE5120H-M,其化学成分、基本信息及热处理后主要技术要求见表1。零件形貌如图1所示，从其A-A剖面图可以看出，该零件直径较大，左右两侧不对称。

表1齿轮主要参数汇总

主要合金元素含量百分比wt%

Mn

Cr

Si

0.8~1.4

0.8~1.3

0.1~0.4

零件主要尺寸

齿顶圆直径/mm

内孔直径/mm

零件重量/kg

224.52

124.65

3.02

热处理主要技术要求

表面硬度/HR30N

芯部硬度/HRA

有效硬化层深度/mm

75.5~82

66.5~73

513HV1=0.80~1.15

第2期楚大锋：齿轮真空渗碳热处理变形控制探析·17·

(a)齿轮形貌图及剖视图(b)齿轮串装示意图

图1变速器主减速零件

3热处理工艺

与常规的可控气氛渗碳热处理过程(主要包括预热—加热—强渗—扩散—降温、保温—淬火—低温回火等)不同，齿轮真空渗碳热处理采用ECM真空生产线及多个强渗(通入渗碳介质)加扩散(通入保护气体，如N2),最后再加一个集中扩散过程[1(主要包括清洗、脱脂—预氧化—真空渗碳—高压气体淬火—低温回火等主要过程)。

渗碳结束后采用高压N?直接淬火，并通过改变淬火压力、时间及风扇搅拌转速来实现分级淬火，各阶段淬火工艺参数见表2(仅供参考),具体操作过程如下：

(1)阶段1,迅速冷却避免零件表面非马氏体组织产生；

(2)阶段2,保证芯部组织转变，冷速慢，减小零件表面和芯部温差，有利于变形控制；

(3)阶段3,继续冷却工件至室温，完成淬火过程。表2为主减速齿轮高压N?淬火工艺参数。

表2主减速齿轮高压N?淬火工艺参数

淬火阶段

气体压力/kPa

持续时间/s

风扇搅拌转速/rpm

1

1050

20

1500

2

1050

300

2100

3

900

100

2100

4实验结果及分析

热处理过程中，零件的装架方式对热变形至关重要12,3。低压真空渗碳、高压N?淬火技术比常规可控气氛渗碳热处理温度高，若采用非降温淬火，则热变形难以控制。对于此类主减速齿轮的装架方式通常有两种：一是平装；二是采用H型料棒(串棒)进行挂放。零件在渗碳淬火回火后，需用高度尺对其大端面进行测量，判定标准为0.12mm。

4.1实验结果

4.1.1平装实验

将10件零件装于料架中间，经ECM低压真空炉进行渗碳淬火，回火后用高度尺对其大端面进行平面度测量，测量结果显示只有1件在0.10mm,其余均在0.20~0.50mm之间，统计结果见表3。可见，采用平装方法得到的平面度一致性较差。

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表3热处理后大端面平面度测量