一種定子產品的滲碳熱處理工藝開發

車永平，楊 揚

(陜西法士特齒輪有限責任公司，陜西 西安 710119)

近期開發的某定子產品，其典型特點是內花鍵長度大，直接滲碳淬火可能導致內花鍵變形過大，進而導致塞規不過及齒形齒向超差。因此，本研究采用滲碳正火+二次加熱+限形淬火+低溫回火的熱處理工藝進行產品開發。

產品圖紙要求外圓硬化層深為1.7～2.5 mm(513 HV)，由于外圓需要經過熱后磨削，熱處理階段需要控制外圓硬化層深≥1.9 mm。采用傳統的氣體滲碳爐，且根據客戶的要求，樣件開發階段必須滿足晶間氧化≤0.018 mm(批量生產階段可放寬至最大0.028 mm)，這就增加了滲碳正火階段工藝開發的難度；此外，對于限形淬火工藝階段，壓淬模具設計、壓力、淬火油流量等參數，均對最終產品的變形有重要影響。因此，需要合理設定相應參數。

1 試驗工藝及方法

1.1 產品類型

定子產品材料為SAE8620鋼，化學成分見表1。該產品內花鍵模數為1.27，節圓直徑為69.85 mm，齒寬為63 mm，跨球距公差為64.984～65.091mm。內花鍵外圓直徑為88.9 mm，最大外圓為126.5 mm，零件總高度為78.8 mm，產品結構示意圖見圖1。

表1 SAE8620鋼材的主要化學成分(質量分數，%)

圖1 定子產品結構示意圖

1.2 熱處理工藝

熱處理工藝如圖2所示，滲碳正火階段使用愛協林VKEs5/2型箱式多用爐，主要是為了獲得定子所需的化學層深。二次加熱階段使用愛協林轉底爐，在一定滲碳氣氛及溫度下使定子二次奧氏體化，并將隨爐冷卻過程中產生的表面脫碳重新滲碳。限形淬火階段使用Gleason537壓淬機床，通過快速油冷獲得定子的最終性能，在該階段需輔助壓淬模具限制其過度變形。去應力階段主要是釋放壓淬階段產品的內應力，防止開裂，一般選用160～200 ℃，保溫時間不低于3 h，由于零件表面硬度要求≥59 HRC，因此，低溫回火工藝選擇160 ℃×3 h。

圖2 熱處理工藝

2 工藝開發過程

2.1 滲碳正火工藝

滲碳正火過程主要是在多用爐后室實現滲碳氣氛的分解過程、活性碳原子的吸附固溶過程及工件內碳原子由表面向心部的擴散過程[1]，一定時間后，將零件轉移至多用爐前室的保護氣氛下緩慢冷卻，從而達到零件要求化學層深的過程。該階段通過調整熱處理工藝溫度、強滲與擴散時間、各階段碳勢等方法調整化學層深，試驗結果如表2所示。

表2 試驗結果

第1輪試驗結果顯示，外圓硬化層深達到2.3 mm時，零件的晶間氧化已達0.030 mm，遠超過樣件階段要求的0.018mm及批產的0.028 mm。因此，需要對正火工藝進行優化。

根據第1輪試驗結果，調整滲碳正火階段的工藝時間將該階段的模擬層深優化至1.74 mm，如表3所示。熱處理后檢測外圓硬化層深為1.99 mm，晶間氧化為0.024 mm(見圖3)，該結果滿足批量交樣要求，但仍不滿足樣件要求。

晶間氧化主要是由于滲碳氣氛中的氧元素使零件表面晶界合金元素貧化而形成的黑色絲狀組織[2-3]。對于傳統的氣體滲碳，一般采用縮短工藝時間[4-5]、控制氣氛中水和氧氣的含量、提高冷卻速度等方式降低晶間氧化。

1)縮短擴散階段的時間。一般情況下，強滲時間與擴散時間比建議為2:1，以獲得較好的硬度梯度值。然而，一般在擴散階段，爐內氣氛需要長時間穩定在較低碳勢，便會間歇性的通入空氣，不利于控制晶間氧化，因此，需要在一定程度上縮短擴散階段的周期。此外，擴散階段碳勢低，對化學層深影響效果較小。因此，第3輪試驗在第2輪擴散時間的基礎上縮短50 min。

表3 第2輪工藝模擬數值

圖3 第2輪工藝晶間氧化金相圖

2)關閉升溫階段的空氣閥門，防止該階段的空氣流入。在空爐狀態下，多用爐后室的溫度一般為920 ℃，當零件由前室剛進入后室時，零件與環境溫度存在巨大的溫差，會導致后室溫度驟降至700 ℃以下，詳見圖2中的升溫階段。此階段，溫度與碳勢劇烈變動(碳勢通常虛高)，控制系統自動先后通入安全氮氣及空氣。因此，在該階段可手動關閉防止該階段不當的空氣流入[6]。

3)提高淬火冷卻速度。通常來說，淬火能力的提高會一定程度上彌補合金元素貧化造成的淬透性下降，進而有效地降低晶間氧化，但是冷卻速度的提高通常會導致變形增大。本次試驗選用淬火能力最優的K2000淬火油，同時通過優化淬火油流量，平衡熱處理變形與晶間氧化之間的關系。

第3輪試驗結果如表2所示，熱處理后晶間氧化降低為0.02 mm，經過后續清理拋丸后基本可滿足要求；但零件的硬化層深接近下限。因此，對于批量生產，為了保證產品的穩定性，第2輪試驗工藝為批量生產的最佳工藝。

2.2 二次加熱工藝

二次加熱主要是實現零件二次奧氏體化。由于該零件壁厚較薄，二次加熱溫度設定為870 ℃，工藝時間設定為90 min。此外，基于該零件為8620RH，為了防止脫碳，工藝碳勢設定為Cp=1.1%。

通常，可通過檢測淬火后零件心部是否含有未熔鐵素體來判斷二次加熱工藝參數是否滿足要求。如圖4(a)所示，零件心部為淬火馬氏體組織，說明加熱溫度及保溫時間的工藝滿足要求；如圖4(b)所示，零件表面主要是回火馬氏體+殘余奧氏體組織，表面并未產生碳化物及脫碳，說明碳勢為Cp=1.1%時可同時保證不脫碳及不出現碳化物。因此，該二次加熱工藝滿足產品生產要求。

(a)心部組織；(b)表面組織

2.3 限形淬火工藝

圖5所示為該定子的限形淬火模具，針對該零件結構，壓淬模具設計主要包含了上壓環、下支撐、擴張芯軸、壓頭、墊片等。下支撐的主要作用是支撐零件下端面；上壓環主要是施加向下的脈沖壓力，限制端面跳動，以保證在熱后車不出現黑皮，該壓力不宜過大，本次試驗設置為30 psi常量；擴張芯軸的主要作用是施加徑向的脈沖擴張力，防止在淬火過程中零件收縮導致的塞規不過。

本次試驗主要通過以下方式調整相關的工藝參數：1)調節芯軸的擴張壓力；2)芯軸上下錐面增加墊片，以調整芯軸擴張時的最大直徑；3)調整淬火油流量，以獲得最佳的冷卻速度。最終的壓淬工藝參數如表4所示。

表4 定子壓淬工藝參數

圖5 該定子的限形淬火模具示意圖

值得注意的是：1)由于該零件壁厚較薄，零件回火后內花鍵尺寸較壓淬后會有較大的收縮，需要留有收縮余量；2)化學層深對壓淬參數有一定影響，不同的化學層深在淬火過程中產生的應力有一定差異。對于該產品，化學層深越深，內花鍵擴張壓力要求越大，因此，批量生產后需要對滲碳正火工藝進行固化。

3 總結

該定子的滲碳熱處理工藝主要包括滲碳正火、二次加熱、限形淬火、低溫回火等工序。由于該零件硬化層深要求較高，晶間氧化的控制是滲碳正火工藝的主要難點；二次加熱主要關注零件是否完成奧氏體的轉變及淬火后是否出現脫碳；壓淬工藝參數的調試主要與芯軸擴張壓力、錐體墊片、淬火油流量等有關，同時要考慮化學層深對壓淬參數的影響，以及壓淬后與回火后內花鍵跨棒距的差異。