汽車滲碳齒輪的心部硬度控制

劉超

摘 要：汽車制造過程中，對每項部件的要求都要達到高標準，由于在真正實施過程中，受材料、條件、設備等影響，得到的成果會有所不同，而且對于不斷運轉的齒輪來說，為了傳遞動力在嚙合時需要承受各種力量的沖擊和壓迫，這就對滲碳齒輪的心部硬度有了一個強性要求，本篇文章將通過試驗所得的結論來對如何控制滲碳齒輪心部強度進行具體分析。

關鍵詞：汽車齒輪；滲碳齒輪；心部硬度

影響齒輪的質量因素很多，因為在運轉過程中需要承受脈動沖擊力和彎曲應力等，因此對其制造工藝就有嚴格的要求，以便于控制心部硬度在工作時依舊給滲碳齒輪提供充分的支撐和強韌性。在制造齒輪時會依據不同的要求提供不同的材料來保證質量，而進行滲碳后的質量會采用硬度及金相檢驗，以此保證心部硬度達到能夠承受沖擊的標準。作為滲碳齒輪的綜合性指標，對承載特性要求是很高的，因此這篇文章對如何控制心部硬度進行分析和探究。

1 汽車滲碳齒輪心部硬度測定及合適范圍

隨著改革開放以來政策的鼓勵和支持，以及科學技術的大力支持，制造高質量的汽車齒輪的指標也在不斷地提高。若沿用標準指標不能很好地滿足現狀，比如長期以來我國汽車齒輪標準中，沿用的是原蘇聯標準來進行測定心部硬度，測定位置確定在距齒頂2/3齒高處，硬度規定范圍為H RC 33一48，但是依據專業分析可得由于考慮心部的承載需要，這樣的標準不算足夠合理。因此目前國際標準規定測定位置在齒寬中部法截面上即齒的中心線與齒根圓的交點處，相比之前的要求更加精確也更加具體。顯然這一新的標準規定的執行可以反映出鋼材的淬透性及熱處理淬火的質量，并得到了大家的認同而被采納，然而這種規定并沒有被工廠嚴格地執行下去。根據一些工廠的試驗得出的結論可以了解到心部硬度在模數不同的情況下進行疲勞試驗，不同用途的齒輪的心部硬度控制為一致比如H R C 33一48，是不符合實際情況的。經國外試驗得出國內試驗幾乎相同的實驗結果能夠闡述：模數較大的齒滲層較深的齒輪需要控制較低的心部硬度，高于國際標準會增加齒輪質量的脆性，抗彎強度就不太理想，因此控制在H R c 33～42范圍內可以避免和緩解這類問題。

2 新型技術及制造工藝對齒輪心部硬度的影響

2.1 碳化物對滲碳齒輪的影響

隨著高科技對技術水平的促進，相關實驗人員對汽車滲碳齒輪的研究展開了新征途，對其中硬度可達Hv1000以上的碳化物研究較多，汽車齒輪中采用滲碳齒輪的原因就是，碳化物在滲碳層中呈塊、角的形狀便于集中微區應力，那么形成的網絡狀就增加了脆性會對齒輪的疲勞壽命有所降低。

2.2 淬火處理

滲碳步驟一般是為了提高齒輪的表面的耐磨性，碳濃度和耐磨性成正比，碳濃度的增加會提高耐磨性。滲碳后不淬火得到的高碳鋼正火組織，在碳濃度足夠和冷卻速度足夠緩慢的情況下得到網狀碳化物降低疲勞壽命，不經過熱處理的部件難以產生起到耐磨作用的組織。那么淬火的目的就是提高硬度，得到更多的馬氏體組織，以便于二次分解成索氏體得到較好的機械性能。而專業制造人員都了解的是，齒輪的心部硬度恰巧主要依賴于原材料的淬透性如何，因為滲碳齒輪的心部幾乎沒有滲碳，可以保持原來的化學材質。淬火工藝應用極其廣泛，在工具、磨具、部件等制造業中都需要這一工藝。在進行淬火過程中，各方面的參數要求都需要嚴格執行，尤其是淬火時的溫度進行不同的控制也會有不同的成效。熱處理工藝參數的調整尤其是淬火溫度的調整也能產生一定的影響。淬火作為用來提高硬度和強度及耐磨性的熱處理工藝，在加熱到一定溫度后需要急速冷卻，那么關于其冷卻介質的選擇就值得探討一番。淬火冷卻介質理想的狀態應該具備的條件是能夠使部件可以淬成馬氏體，但也不會引起太大的應力，那么就應該控制攪拌速度來達到理想效果。在此基礎之上就整理出一些提高效率的方法例如：提高淬火溫度、提高攪拌速度等工藝參數來提高冷卻速度，或者從其他角度入手，比如提高材料的淬透性帶位置及直接使用冷卻速度快的介質。面對滲碳齒輪淬火后心部硬度還是低的情況，那么如果允許在一定的范圍對零件外形進行變形的情況下，可以采用提高淬火溫度、加強冷卻等方法重新加熱淬火，或者采用適當增加滲碳層厚度的方法來滿足標準要求。

3 汽車滲碳齒輪的心部硬度控制

對于總結得出的對齒輪心部硬度會產生影響的幾方面原因，決定經過改變不同的參數來進行試驗，以便總結試驗結果來得出合適的控制心部強度的方法。明顯得到的結論是，面對不同淬透性值的鋼材在相同的熱處理流程下展現的心部強度也有所不同，那就啟示研究人員這些專業的實驗數據并不是空穴來風，而是需要全面的設計試驗條件。

3.1 對熱處理工藝參數的調整

對于材料的淬火和回火是熱處理工藝中的重中之重，也是在眾多制造業中應用極其廣泛的工序。了解一些基本的熱處理知識后，會對淬火的作用有比較全面的認知，再配以不同溫度的回火，可以減輕產生的內應力，同時達到增加強度的目的。在以上滲碳工藝的基礎上，嚴格控制提高了淬火溫度到（890± 10）℃，也減少了裝爐量到每爐140件，然后維持其他 參數不變，經調整后的熱處理工藝順利進行之后，對其心部硬度進行了檢測，具體的試驗數據可以看出調整熱處理工藝參數的確會對心部強度產生一定的影響。尤其是針對提高淬火溫度和減少裝爐量后，心部硬度確實有所提高，但是依舊會有上文分析的經熱處理后硬度還是不夠的現象，甚至會產生變形，由于汽車齒輪零件心部強度難以達到穩定的控制性，再次經工藝制造會耗費大成本，對制造業本身就是一種負擔。因此，控制好熱處理工藝的參數，嚴格執行要求和標準進行試驗，會得到預計的試驗成果。其中調整熱處理工藝的參數具體實例有：提高淬火溫度的目的是提高過冷奧氏體轉變成馬氏體的轉變量，從而提高心部硬度。而減少裝爐量可在某種程度上提高淬冷烈度以使心部硬度提高。

3.2 淬火冷卻介質的調整

不管是滲碳淬火、感應加熱淬火或者其他等，在冷卻過程可能出現的熱處理質量問題主要有：淬火后硬度不夠、不均、深度不足；淬火后心部硬度過高等。汽車齒輪制造出現的這類質量問題與熱處理和淬火冷卻有關，調整合適的冷卻介質也不免是一個好的實驗方法。對于中小齒輪，淬火硬度不夠是因為冷速不足導致的，這就需要調整冷卻速度。淬火冷卻速度的偏低會造成齒輪出現硬度不足、不均或者硬化深度不夠的質量問題，但是根據實際淬火齒輪的材料、形狀等條件以及熱處理工藝要求的不同，會自動分成幾種溫度和速度不同的情況。不管是淬火油還是水溶性淬火介質，在接觸高溫之后會受到許多影響，會使介質產生不同程度的變化。而水溶性淬火劑對降低水的低溫冷卻速度有極大的促進作用，恰恰相反的是，水溶性淬火液會使低溫冷卻速度逐漸提高。冷卻介質會變質是不可避免的現象，可能由于剛被加入工作的量不多，變質程度還不足以造成巨大的影響，也反映不出來齒輪的變質問題，但是為了避免隨著淬火量的增加，變質程度可能達到更多，就會對部件質量造成劣質影響，可以考慮直接使用冷卻速度較快的冷卻介質，也可以加快攪拌速度來控制整個體系的進行速度。

3.3 材料淬透性的優化

因為心部硬度的檢測結果取決于鋼材成分、材料淬透性等參數，而且面對不同材料的齒輪所得的心部強度也是不同的。對于材料的淬透性好與差常借助淬硬層深度來表示，深度越大那么淬透性就越好，而材料的淬透性是其本身擁有的屬性，只取決于其本身的內部因素，而與外部因素是無關的。制造汽車齒輪的鋼材淬透性主要取決于它的化學成分，加熱溫度和保溫時間都是會產生影響的因素，為達到對汽車滲碳齒輪的心部 硬度達到穩定的控制要求，優化制造工藝所用的材料的淬透性也是有改善效果的比如嘗試試驗將零件淬透性帶 由原來的J9：30～36HRC擴大為 J9：33～38HRC。

4 結語

為了適應時代競爭的模式，從當前市場經濟情況考慮，穩定的產品性能需要較高的技術指標，經過多次試驗得出的數據和分析，了解到需要調整熱處理工藝參數以及調整淬火需要的介質，提高各方面的技術要求，但是這樣還不能達到對生產過程的管控，可以選擇采用調整鋼材淬透性帶的方法來穩定產品的心部硬度。對于用于汽車滲碳齒輪的參數，要求是很高的，不僅需要達到一定的抗彎強度，還同樣需要具備足夠的抗沖擊性等。這樣高標準的要求下，有利于控制并減少熱處理時出現變形的情況，在不斷進步的工藝中得到高質量的齒輪。

參考文獻：

[1]趙德寅.汽車滲碳齒輪金相檢驗標.準修訂的新內容·汽車技術，2017（4）：47-5.

[2]趙德寅，王大倫.汽車零件金相分析.北京：機械工業出版社，2017，34-4.

[3]顧曉明，呂藍冰，丁盛，王昱程，武計強，李康康.鹽浴與油介質對20CrMnMo重載滲碳齒輪淬火性能的影響[J].金屬加工（熱加工）.2017（03）.

[4]陳國民.論我國滲碳齒輪制造中的若干問題（下）[J].機械工人（熱加工）. 2007（12）.