齒輪軸熱處理工藝開發

浙江雙環傳動股份有限公司 （臺州 317600） 郝豐林 蘇松根 吳 金

齒輪質量很大程度上取決于材料及熱處理工藝，熱處理是齒輪質量控制過程中的一個關鍵因素，齒輪的許多特性都是通過熱處理來實現，熱處理質量直接影響齒輪的使用壽命。

我公司是專業齒輪加工廠，在為某變速箱廠開發一款不同排量的AT變速箱齒輪時，其中一根齒輪軸熱處理出現了問題。該軸采用精鍛工藝，由于我們對鍛造加工流程不是很熟悉，熱處理加工參數選擇不合適，熱處理后金相檢驗沒有發現問題，最終造成樣件臺架試驗失敗。下面是對齒輪軸開發時出現的問題進行分析。

一、第一次送樣

圖1為失效齒輪軸實物，圖2為失效齒輪軸的疲勞裂紋缺陷，圖3～圖8是齒輪軸金相照片。

圖1 失效實物

圖2 疲勞裂紋（失效工件）

1.失效分析

（1）根據金相檢驗可分析出是由于材料組織不均勻造成了熱處理缺陷。由于合金元素的偏析（見圖3），造成合金元素含量高的區域滲碳后殘留奧氏體嚴重超標（估計48%，見圖4），局部殘留奧氏體嚴重超標，大大降低了局部的疲勞強度，并伴有淬火微裂紋（見圖5）。

（2）偏析處滲碳淬火后形成的馬氏體針粗大，并且形成了晶間裂紋。

（3）齒輪服役時在這些局部區域首先產生疲勞裂紋或晶間裂紋并迅速擴展為疲勞裂紋。由于成分偏析的隨機性與多源疲勞正好相呼應，即當成分偏析恰好位于齒根轉角附近時，形成疲勞裂紋的概率大大增加。

（4）齒輪軸采用兩種材料：一種是改進的SAE8620H材料，其中C、 Cr、Mo三種元素含量都比SAE8620要多（排量是2.4L）；一種是20CrMoH材料（排量是1.6L）。這兩種材料都易形成帶狀組織。附表主要是分析排量是2.4L的軸。

SAE8620H材料化學成分（質量分數） （%）

圖3 材料成分偏析嚴重（白色條帶）

圖4 殘留奧氏體嚴重

圖5 淬火微裂紋

圖6 心部粗大板條馬氏體

（5）鍛造工藝為：粗鍛→余熱退火→退火→精整。此軸端面有一六方孔要求精鍛，為了防止毛坯脫碳，提高模具壽命，采用余熱退火再增加一次退火，以降低產品硬度，便于精整六方孔。由于余熱退火的不穩定性，再加上退火工藝不合理，鍛件材料的帶狀組織將非常嚴重。對于廠家提供的毛坯，檢驗的金相組織如圖8所示，材料組織不均勻，珠光體有球化的趨勢。

圖7 原材料成分偏析引起的帶狀偏析

圖8 毛坯金相組織

（6）熱處理設備采用豐東連續爐，熱處理工藝為滲碳淬火工藝。

2.改善措施

由于產品設計的原因，造成鍛造的缺陷，采用滲碳直接淬火的熱處理工藝不能改善現有的狀況。為了避免毛坯過多脫碳，保證齒輪的精度，只有按照現在的鍛造工藝執行。對熱處理工藝進行優化，可以采用下面幾種工藝：

（1）毛坯采用真空正火工藝以保證金相組織，然后滲碳淬火。

（2）滲碳緩冷然后再加熱淬火（零件滲碳后工件拉到緩冷室緩冷到室溫，然后再加熱到淬火溫度淬火）。

（3）滲碳中冷工藝然后再加熱淬火（零件滲碳后拉到前室緩冷，溫度降到600℃以下，然后再拉到后室中加熱到淬火溫度淬火）。我公司現有設備愛協林箱式多用爐恰好就有滲碳中冷這種功能，于是在第二次送樣時采用該熱處理工藝。

二、第二次送樣

圖9是第二次臺架試驗出現問題齒輪軸失效實物。

圖9

（1）失效分析 此次試驗有兩種排量，一種是1.6L排量（采用20CrMoH材料），一種是2.4L排量（采用改進SAE8620H材料）。1.6L排量臺架試驗過關，沒有出現問題。出現問題的是2.4L排量的齒輪軸，臺架試驗沒有出現斷齒，但是出現了局部剝落現象。齒頂金相組織如圖10所示。從圖9、圖10中可以看出，剝落形式屬于脆性剝落，剝落位置沒有壓潰現象（心部硬度較高），剝落的位置均位于節圓與齒頂之間的區域，且剝落位置均集中在齒輪的一端（主動齒面），檢測同批的齒輪熱處理項目均符合圖樣要求。

圖10 齒頂金相組織（滲碳中冷工藝）

（2）改善措施 排除客戶安裝的問題，要想改善只有通過熱處理工藝的改變：此次齒輪軸采用滲碳中冷淬火工藝，雖然熱處理項目合格，比較理想，但是齒面的殘留奧氏體含量很低。表層有適當的殘留奧氏體量，對于重載可以明顯提高齒輪的接觸疲勞壽命，但是對于輕載問題不是很大，1.6L排量臺架試驗過關就是個說明。殘留奧氏體是軟相，在接觸嚙合過程中易產生塑性變形，改善嚙合條件，增大嚙合面積，降低實際接觸應力。同時，殘留奧氏體在使用過程中會產生形變誘發馬氏體相變，因而提高了材料強度。加上在齒輪表層硬度高，摩擦系數小，使用時嚙合平穩，噪聲小，裂紋不易產生。要改善這種情況只有提高表面殘留奧氏體的含量。由于我公司有真空滲碳爐，因此，采用先真空正火然后滲碳淬火的熱處理工藝。

剝落位置很固定，因為此款變速箱產品的排量較大，齒輪受力較大，由于是磨齒產品，若齒形齒向嚴格按照圖樣中差加工，齒輪在受力較小的時候，齒輪接觸面較大，但是一旦受力加大，齒輪接觸面反而會減少，這樣會造成局部過載，致使齒輪局部點蝕剝落。

三、第三次送樣

圖11～圖14是第三次臺架試驗工件金相照片。為了提高殘留奧氏體的含量，保證熱處理后的金相合格，先采用ECM真空爐正火，然后多用爐滲碳淬火的熱處理工藝。

圖11 齒面正火組織

圖12 心部正火組織

圖13 心部滲碳組織

圖14 節圓滲碳組織

對磨齒的齒形齒向進行調整，采用可以控制的強力噴丸機，對產品進行強力噴丸，表面殘留壓應力不低于700MPa。經過熱處理工藝改善，產品臺架試驗過關。經過這次熱處理工藝的優化，開發了合適的熱處理工藝，達到了客戶要求。