1 前言

　　我國目前是世界上最大的汽車生產(chǎn)和銷售大國，汽車行業(yè)作為國家的支柱行業(yè)對國民經(jīng)濟起到不可忽視的作用。齒輪是汽車上重要的傳動部件，精度要求較高，制造難度較大，其質(zhì)量水平直接決定了汽車的整車質(zhì)量。汽車齒輪包括變速箱齒輪、發(fā)動機齒輪、輪邊減速器齒輪、橋齒輪等諸多品種，90%以上采用的是化學(xué)熱處理，即滲碳、碳氮共滲、氮碳共滲等，尤其是采用滲碳和碳氮共滲工藝最多。滲碳和碳氮共滲的汽車齒輪一般采用低碳合金鋼，由于其滲碳及淬火溫度高，形狀較為復(fù)雜，因此汽車齒輪的熱變形控制是困擾行業(yè)一項重大難題。特別是有內(nèi)齒且薄壁的齒圈齒套、有內(nèi)花鍵的圓柱齒輪及直傘齒等，上述齒輪的熱變形非常難控制，其造成的尺寸變化、精度變化，嚴重制約了整車質(zhì)量進一步提升。齒輪在滲碳或碳氮共滲淬火過程中，有組織應(yīng)力、熱應(yīng)力共同作用疊加造成的熱變形，其中組織應(yīng)力作用造成的熱變形最為嚴重，也最難控制，有內(nèi)齒和內(nèi)花鍵的汽車齒輪具體表現(xiàn)在內(nèi)圓直徑變小、內(nèi)跨棒距縮小、齒距累積誤差超差、橢圓度超差、軸向錐度超差等幾個方面，如何降低組織應(yīng)力造成的熱變形是我們需要解決的關(guān)鍵問題。

　　汽車齒輪組織應(yīng)力造成的滲碳或共滲淬火的熱變形與原材料、鍛造正火、最終熱處理的各項指標的控制有關(guān)，本文主要從上述幾個方面的質(zhì)量控制方法進行闡述。

　　2 材料淬透性的控制

　　材料淬透性與產(chǎn)品最終熱處理的熱變形有很大的關(guān)系，這與淬透性高的材料碳當(dāng)量、合金化程度高有關(guān)。合金元素除Co以外大部分都是可以提高材料淬透性的，淬透性高的材料合金化程度高，淬火時由奧氏體轉(zhuǎn)化為馬氏體過程中，合金元素的過飽和的固溶量大，晶格畸變大，合金元素的偏析程度也相對較大，晶粒容易粗化，這些因素都是造成產(chǎn)品組織應(yīng)力大、熱變形大的原因。但是材料淬透性也同樣影響著齒輪的心部強度、使用壽命，材料淬透性值越高，齒輪心部強度越高，在這個方面與齒輪的熱變形是一對矛盾體。如果我們對材料的淬透性寬度進行一定的限制，其熱變形規(guī)律就能盡可能達到一致，在最終熱處理之前就可以留出一定的變形公差，同樣可以保證齒輪的精度。一般說來，對材料淬透性可以控制兩個項目，一種是材料淬透性的絕對值，一種是材料淬透性的帶寬。

　　我公司目前材料淬透性采用端淬法檢測，用兩點法控制，即控制材料的J9和J15兩點的端淬硬度值。表1是我公司生產(chǎn)的09半軸齒輪，屬于帶內(nèi)花鍵的精鍛直傘齒，材料為20CrMnTiH，我們分別用淬透性不同的兩爐材料制造了兩批該產(chǎn)品，其最終熱處理采用滲碳淬火。從表中可以看出，淬透性高的材料，其制造的產(chǎn)品心部強度較高，但熱變形量較大。

　　表1 09半軸齒輪最終熱處理前后實驗數(shù)據(jù)比較

　　綜合考慮心部強度和熱變形規(guī)律，我們可以根據(jù)帶內(nèi)齒和內(nèi)花鍵的汽車齒輪承載能力及模數(shù)大小，制定相應(yīng)的材料淬透性的寬度，以便于對齒輪變形的控制?，F(xiàn)對汽車齒輪最常用的滲碳鋼20CrMnTiH 進行舉例說明，GB5216《保證淬透性結(jié)構(gòu)鋼》對20CrMnTiH淬透性可允許的范圍是12HRC，如此高的波動范圍難以滿足汽車齒輪對材料淬透性的要求。我們通過對齒輪心部強度和熱變形進行探索，制定了如表2的分檔標準，使淬透性帶寬控制在5~7HRC范圍，減少并穩(wěn)定了齒輪的變形。

　　表2 20CrMnTiH的淬透性帶寬的分檔標準

　　3 齒坯鍛造及預(yù)備熱處理的控制

　　齒輪鍛造及預(yù)備熱處理所形成的組織其均勻性和穩(wěn)定性對齒輪最終熱處理變形影響較大，因為原始組織不同，其比容就不同，在熱處理相變過程中產(chǎn)生的尺寸變化也不同。

　　圖1是我公司生產(chǎn)的內(nèi)齒圈鍛造正火后產(chǎn)生的異常組織，材料為低碳合金鋼20CrMnTiH。從圖中可以看出，該材料在鍛造正火后金相組織檢驗中發(fā)現(xiàn)有穿晶的魏氏組織和粒狀貝氏體，并且珠光體組織粗大。其產(chǎn)生原因是鍛造過程中始鍛溫度高，造成晶粒長大，形成了穿晶的魏氏體組織，在后續(xù)的正火工序中，由于產(chǎn)生組織遺傳，高溫過程中產(chǎn)生的魏氏體組織沒有消除，并且正火工序不正常即中冷速度過快而形成粒狀貝氏體。魏氏組織由于呈針葉狀，在齒輪產(chǎn)品最終熱處理組織相變時由于組織遺傳會產(chǎn)生粗大的組織，造成組織應(yīng)力過大，變形不均勻。圖2就是該批產(chǎn)品滲碳淬火后形成的粗大馬氏體組織，其變形超出了技術(shù)要求范圍。

圖2 產(chǎn)品滲碳淬火后的粗大組織500×

　　4 最終熱處理的控制

　　4.1 半軸齒輪裝掛方式的控制

　　半軸齒輪屬于帶內(nèi)花鍵的直傘齒，一般采用滲碳淬火工藝，由于其齒部呈傘狀而與尾部不對稱，造成內(nèi)花鍵的縮量不一致，尾部的壁較薄，冷卻速度快，其對應(yīng)的內(nèi)花鍵縮量大，造成了軸向的錐度，用花鍵塞規(guī)檢驗經(jīng)常出現(xiàn)在尾部不能出頭。因此我們設(shè)計了一種半軸齒輪的裝掛方式如圖3、圖4，就是把半軸齒輪的尾部用芯軸固定，在后續(xù)的滲碳淬火時限制了尾部的內(nèi)花鍵縮量。產(chǎn)品采用這種方法裝掛后進行滲碳+油直淬+低溫回火，花鍵塞規(guī)檢測合格率達到95%以上，錐度指標控制在0.08mm以內(nèi)，內(nèi)跨棒距變動量、齒距累積誤差均在-0.10mm以內(nèi)，滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求。

　　4.2 輪邊減速器內(nèi)齒圈滲碳淬火工藝的控制

　　我公司生產(chǎn)的輪邊減速器內(nèi)齒圈，其高度為230mm，直徑為350mm，壁厚為28mm。該類薄壁大直徑內(nèi)齒圈為了防止其熱變形，一般采用中碳鋼制造，齒坯進行調(diào)質(zhì)或正火后進行機加工，最終熱處理采用軟氮化工藝，由于軟氮化加熱溫度低，可最大限度減少產(chǎn)品熱變形。目前行業(yè)對重型商用車的載重量、使用壽命等要求越來越高，采用軟氮化工藝制造的內(nèi)齒圈由于其耐磨性、抗疲勞強度、使用壽命等方面的局限性，已不能滿足使用要求。行業(yè)中采用低碳合金鋼滲碳淬火工藝內(nèi)齒圈替代中碳鋼軟氮化工藝內(nèi)齒圈已成為一種趨勢。

　　采用低碳合金鋼滲碳淬火工藝內(nèi)齒圈最大的制造困難在于熱變形的解決，也是限制其實際運用最大的障礙。我公司率先開發(fā)了一整套新型的內(nèi)齒圈滲碳淬火工藝，成功地解決了輪邊減速器內(nèi)齒圈熱變形的問題，并處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。

　　圖5是內(nèi)齒圈的滲碳淬火工藝，圖6是壓模結(jié)構(gòu)圖，圖7是壓淬示意圖。滲碳后采用空冷，相當(dāng)于二次正火，可以細化晶粒并使組織均勻化，為重新淬火做好組織準備，并且表面滲碳組織在空冷過程中析出碳化物，使奧氏體合金化程度降低，固溶度減小，后續(xù)淬火相變中，晶格畸變程度降低，殘余奧氏體量減少，組織更加均勻，組織應(yīng)力變小，從而導(dǎo)致熱變形小。在壓淬冷卻過程中，限位環(huán)不僅起到導(dǎo)向作用，還對漲塊擴張量進行精確定位，保證了內(nèi)齒圈跨棒距變動量及軸向錐度。表3是內(nèi)齒圈幾種工藝方法的實驗數(shù)據(jù)比較，從表中可以看出，滲碳壓淬內(nèi)齒圈可以保證產(chǎn)品的內(nèi)跨棒距變動量在0.20mm以內(nèi)，軸向錐度在0.12mm以內(nèi)，可以滿足使用技術(shù)要求。

　　表3 內(nèi)齒圈幾種熱處理工藝方法試驗數(shù)據(jù)比較

　　5 內(nèi)齒圈、半軸齒輪的熱變形校正

　　5.1 內(nèi)齒圈熱變形校正

　　滲碳淬火輪邊減速器內(nèi)齒圈當(dāng)橢圓度超差在0.25mm以內(nèi)時，可以在油壓機上進行校正，必須在壓淬后回火前校正。因為產(chǎn)品在低溫回火過程中，淬火馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榧氈碌幕鼗瘃R氏體，在晶界析出ε碳化物，屈服強度顯著增加，產(chǎn)品的彈性變得較大，很難產(chǎn)生塑性變形，在冷壓校正過程中校正的壓力需要很大，校正困難且容易開裂，特別是對變形大、表面硬度高的內(nèi)齒圈，冷壓校正更加困難，校正的壓力更大。考慮到這些因素，采取淬火后校外圓，充分利用工件內(nèi)奧氏體尚未充分轉(zhuǎn)變，殘余奧氏體量較多(塑性較好)，并且心部存在一定余熱的條件下進行校正，產(chǎn)品容易產(chǎn)生塑性變形且壓力不需過大。

　　5.2 半軸齒輪的熱變形校正

　　半軸齒輪的滲碳淬火熱變形主要表現(xiàn)在軸向錐度超差、跨棒距變動量大、齒距累積誤差超差，造成花鍵塞規(guī)過規(guī)不能通過，其中軸向錐度超差占的比例超過80%，主要原因也是半軸齒輪的特殊形狀造成。對于半軸齒輪的校正主要有兩種，一種是芯軸限形二次加熱淬火校正，一種是酸洗校正。

　　圖8、圖9是半軸齒輪芯軸限形二次淬火的示意圖，當(dāng)半軸齒輪出現(xiàn)軸向錐度、齒距累積誤差超差時，就可以采用這種工藝方法。其加熱設(shè)備一般采用鹽浴爐、轉(zhuǎn)底爐、箱式爐等類型的設(shè)備，其中轉(zhuǎn)底爐、箱式爐要進行碳勢控制加熱，產(chǎn)品加熱膨脹，很容易套入冷態(tài)的芯軸中，在油冷卻過程中，產(chǎn)品內(nèi)孔縮量及軸向錐度可以通過芯軸的精度進行較為精確的控制，可以將上述超差的技術(shù)指標進行一定范圍的控制，以使產(chǎn)品達到技術(shù)要求。

　　半軸齒輪另一校正方法是酸洗校正，這種方法主要是針對軸向錐度超差的狀況。半軸齒輪一般軸部壁薄，淬火冷卻速度相對較快，因而容易產(chǎn)生軸向錐度，形成喇叭形口，造成花鍵塞規(guī)過規(guī)不能出頭，軸部變形最大的部位在軸部端面附近。我們可以配制一種強氧化性酸對軸部端面進行腐蝕，以減小錐度變形。經(jīng)過試驗，我們覺得有兩種酸的配方效果最好，一種是把水、濃硝酸、雙氧水按4:4:2的比列進行配制，第二種是把濃鹽酸、濃硝酸按7:3的比例進行配制。由于濃鹽酸刺激性過大，我們采用第一種配方更為合適。酸洗校正半軸齒輪最大可以減小軸向錐度0.06~0.08mm，大部分由于錐度超差的產(chǎn)品可以校正。由于軸部外圓有0.15mm以上的磨削余量，酸洗對產(chǎn)品的損傷是微小的，對內(nèi)花鍵的損傷經(jīng)過噴丸清理后也不明顯。酸洗后要進行180℃的去氫回火，回火后再進行噴丸清理。

　　6 結(jié)束語

　　我們通過對帶內(nèi)齒和內(nèi)花鍵的汽車齒輪材料淬透性、齒坯預(yù)備熱處理、產(chǎn)品的最終熱處理以及對產(chǎn)品熱變形校正方法的控制，大大提高了這幾類產(chǎn)品的合格率及精度等級，滿足了裝車的使用要求。