連續式雙排滲碳爐漢德錐齒輪滲碳淬火組織改善分析與對策

馮凱強，黃正祥，諶天奎，李忠亮

中國一拖齒輪傳動公司 河南洛陽 471003

1 生產現狀

漢德錐齒輪是我公司為陜重汽漢德車轎公司（以下簡稱漢德車橋）生產的零件，長期以來熱處理滲碳淬火組織不穩定。2019年因理化檢驗組織超差，漢德車轎暫停與我公司產品供應合作，既造成一定的經濟損失，也嚴重影響了我公司的聲譽。

漢德錐齒輪材料為22CrMoH，有效硬化層深為1.4～1.7mm，我公司生產該零件的主要設備是連續式雙排滲碳爐，采取滲碳后直接淬火工藝，一旦出現質量問題，就可能導致產品批量不合格品，給生產經營帶來巨大損失。

圖1為連續式雙排滲碳爐生產線布局，由電算機自動控制各項參數，一區溫度設定為900℃，二、三區溫度設定為920℃，四區溫度設定為870℃，五區溫度設定為820℃，工藝溫度曲線如圖2所示。

圖1 連續式雙排滲碳爐布局

圖2 工藝溫度曲線

針對漢德錐齒輪出現的心部硬度低、表面馬氏體及殘留奧氏體組織級別高、心部鐵素體級別高的問題，從以下幾方面入手進行分析試驗。

2 豐東爐設計試驗

除連續式雙排滲碳爐外，我公司還有箱式滲碳線2條，分別是豐東爐211線（以下簡稱豐東爐）、易普森331線。考慮到試驗成本、柔性靈活等特點，先在豐東爐進行試驗調試。

因為漢德錐齒輪有主動齒輪、從動齒輪，結構和重量均相差很大，所以熱處理工藝制定上考慮區別對待，主動齒輪和從動齒輪主要工藝參數分別見表1、表2。

表1 主動齒輪工藝參數

表2 從動齒輪工藝參數

滲碳淬火、回火后，進行理化檢驗。結果：馬氏體組織4級、殘留奧氏體組織4級、鐵素體組織2級、心部硬度35～42HRC，完全滿足工藝要求[1]。

結論：豐東爐取得較好的效果，總結經驗為必須控制好最終淬火溫度及最終碳勢。

3 雙排連續滲碳線設計試驗

由于豐東多用爐產能有限，每天只能生產從動齒輪70件或主動齒輪40件，無法滿足客戶需求。因此綜合成本、交貨期等因素考慮，必須采用雙排連續滲碳線（以下簡稱雙排爐）能夠生產漢德錐齒輪。

我們設想將豐東爐工藝曲線完全復制到雙排連續滲碳爐，理論上就能夠保證組織合格。但由于爐型不同，設備結構多處不能滿足復制工藝要求，淬火油老化問題也是一個重要的影響因素。針對上述問題，采取如下對策：

（1）設備改善方面 通過對雙排連續滲碳爐前后排氣孔的改進，實現了能夠手動控制前后排氣孔排氣的大小，保證能夠及時、靈活地控制前后排氣孔的排氣量，控制爐壓。

（2）工藝流量方面 在五區增加一個空氣進入通道，加大了五區空氣流量（仍然能夠自動控制），確保最終碳勢能降到設定值。

（3）淬火冷卻介質方面 調整了淬火池中快速淬火油的冷卻性能，使其基本達到了快速淬火油的標準，通過六輪試驗，實現了雙排連續滲碳爐生產漢德齒輪，工藝參數見表3。

表3 主動齒輪和從動齒輪工藝參數

滲碳淬火、回火后，進行理化檢驗。結果：馬氏體組織4級、殘留奧氏體組織4級、鐵素體組織2級、心部硬度35～42HRC，完全滿足工藝要求。

結論：雙排連續滲碳爐通過工藝優化和設備改進等手段，取得了良好效果。

需說明的是，這個優化工藝參數只適應于我公司目前的雙排連續滲碳爐，如果爐體結構和料盤分布有較大變化，則要重新試驗確定相關工藝參數。

4 雙排連續滲碳生產線工藝優化分析

經過近半年的跟蹤調試，期間出現了一些情況值得總結，以便于工程技術人員和車間管理人員以后少走彎路，讓更多的技術人員和操作工懂得工藝、設備及生產管理之間的因果聯系。

4.1 V區溫度（淬火溫度）的影響

1）使用豐東爐生產時，主動齒輪采用805℃淬火，從動齒輪使用810℃淬火，原因是主動齒輪總體尺寸大，蓄熱能力強，入油溫度高，容易造成殘留奧氏體組織超差[2]。目前，從中間門開起到淬火入油間隔時間為25s左右，這個參數也很關鍵，以后隨著機械老化，這個時間也許會變化，應及時調整，需要定期檢測。

2）在雙排連續滲碳爐V 區采用淬火溫度820℃，原因是雙排連續滲碳爐從后橫導軌向快速淬火油槽運動時間長，約65s，比豐東爐多40s，在運行過程中溫度會下降，尤其對表面及次表面影響甚大。溫度過高時會造成零件淬火馬氏體及殘留奧氏體級別超差，但是低于820℃會使零件表面產生鐵素體，這個溫度參數與零件大小、試塊放置位置關系很大，會對結果產生很大影響。

V區溫度分別為815℃、820℃的兩組試驗數據比對見表4～表7。

表4 第一組主動齒輪化學成分（質量分數） （%）

零件齒朝上時，用工字梁支撐零件，十字交叉裝4件，如圖3所示；零件齒朝下時，零件直接反向平放到料盤，如圖4所示。

從材料成分上看，差異較小。主動齒輪剖切零件從距表面2.5mm處開始出現鐵素體，越往心部越少，至心部為鐵素體2級，而試塊沒有出現鐵素體是因為試塊齒部反扣，接觸下層零件，表面溫度降低不如零件降得多，所以均沒有在次表面出現鐵素體。

表5 第一組主動齒輪815℃淬火結果

表6 第二組主動齒輪化學成分（質量分數） （%）

表7 第二組主動齒輪820℃淬火結果

圖3 零件齒朝上

圖4 零件齒朝下

不同位置500倍金相組織如圖5～圖7所示。

圖5 距表面2.5mm處鐵素體2級

圖6 距表面6mm處鐵素體5級

圖7 心部鐵素體2級

4.2 IV區溫度設置的影響

根據生產經驗，我公司針對不同滲碳鋼材料，IV區滲碳溫度設置為880℃或900℃， V區淬火溫度一般設定原則：20CrMnTi材料為830℃，22CrMoH材料為820℃[3]。

實際上，由于雙排連續滲碳爐爐體是貫通的，零件是周期性運轉，極有可能出現的情況是盡管V區已顯示820℃，但零件實際溫度仍然較高，造成殘留奧氏體組織超差，這種情況對溫差小、周期短的零件影響尤為明顯[4]。

結論：目前，IV區滲碳溫度使用870℃，而前期使用滲碳溫度900℃時，生產零件馬氏體和殘留奧氏體級別超差，因此900℃滲碳不可行，但這個結論只適合漢德錐齒輪。

5 結束語

精心策劃的漢德錐齒輪滲碳淬火工藝試驗，經過反復在生產中進行驗證，取得了良好效果。對于漢德錐齒輪滲碳淬火組織不合格，要從淬火階段找到關鍵問題所在，通過精準管控各項工藝參數，達到了改善零件滲碳淬火組織的目的，后續需加強生產和工藝過程管理，確保產品質量。