傳動套中滲碳淬火變形及工藝控制研究

王煥敏，侯兆敏

（1.中國航發哈爾濱東安發動機有限公司，黑龍江 哈爾濱 150066；2.東北輕合金有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150066）

自2009年以來，我國工業加工行業便呈現處一種對外的高速發展趨勢，同年，我國工業材料加工企業，承接了一批需要出口國外的傳動套。采用12Cr2Ni4A鋼制造，工藝過程復雜，產品質量要求高，尤其是對金相組織、表面硬度，心部硬度，外觀質量和幾何尺寸等質量特性要求嚴格。常規情況下，傳動套由12Cr2Ni4A鋼材料制造[1]。但由于出口的傳動套對于質量與性能層面的要求較高，因此在生產傳動套過程中，需要采用復雜的工藝制作手段，對其進行出口制造。在生產的實際過程中發現，12Cr2Ni4A鋼材料屬于金相組織材料，在實施此種材料的處理過程中，無論是對其表層與核心部位的硬度處理、或是對其形態結構的鍛造，均存在較大的難度。并且，傳動套對于外觀尺寸與質量結構的精度需求較高，一旦出現尺寸精度偏差，便會導致設計的傳動套成果無法投入市場使用[2]。對此，承接方在正式投入生產前，對傳動套進行了一段時間的試生產。在試生產階段，發現超過半數的傳動套成品，均在熱處理工藝實施的階段出現質量問題（包括花鍵尺寸不符合要求等），此種問題導致試生產期間出現了大量傳動套廢品。不僅提升了傳動套制造成本，同時也在一定程度上影響了傳動套的出口周期。針對提出的問題，本文將結合滲碳淬火原理，對傳動套熱處理環節中出現的變形現象與規律進行深度挖掘，并以此為依據，規劃滲碳淬火工藝控制流程，降低傳動套熱處理環節發生變形問題的概率。

1 滲碳淬火流程與原理

滲碳淬火屬于金屬材料生產加工過程中的一種常見熱處理手段，在處理過程中，通過淬火可以使金屬材料表面與碳原子進行融合，以此改善金屬表層的物理性能。較為常見的物理性能為提高金屬構件表層的硬度，并以此種方式使其表層具備較高的耐磨性能。

通常情況下，滲碳淬火工藝流程為：使用低溫對處理構件表層進行回火處理—預冷處理構件—直接淬火處理金屬—首次進行淬火加熱處理—高溫滲碳處理（/回火處理）—二次進行淬火加熱處理—感應熱處理。滲碳淬火的原理與金屬常規熱處理的原理相同，總結其原理，將其劃分為三個步驟。

第一步為分解，在淬火加熱中，由于溫度升高，其中原子呈現一種高速活躍狀態；第二步為吸附，呈現高度活躍狀態的碳原子被構件表層吸收，依附在表層奧氏體中，使其表層結構中碳原子的含量增加；第三步為擴散，當構件金屬表層碳原子顯著增加后，其表層的含碳量將與金屬構件中心部位的含碳量濃度出現差值[3]。在高溫的持續作用下，表層碳原子發生由外部逐步向內的擴散反應[4]。此時，擴散的速度將根據溫度的變化而發生變化，當其處于一種相對穩定狀態時，整體結構逐步趨近于穩定，以此種方式，可以顯著地提升金屬表層結構的硬度。

2 傳動套中滲碳淬火變形規律

綜合傳動套的實際生產流程，發現在滲碳淬火工藝處理環節中，對傳動套造成最顯著的變化為外直徑變形。以12Cr2Ni4A鋼材料的傳動套為例，對其滲碳淬火工藝實施流程進行設計[5]。在此過程中，要求完成設計后的傳動套表面硬度可達到58.0HRC～60.0HRC；心部硬度可達到35.0HRC～40.0HRC；對于構件的有效硬化深度應達DC（550.0HV）；在顯微視角下，多個臨近點之間的硬度差應當在30.0HV范圍內。在對傳動套中滲碳淬火變形規律進行分析前，應先掌握傳動套結構。對其結構的描述如下圖1所示。

圖1 傳動套內部結構

圖1中，h1、h2、h3分別表示為傳動套外直徑。在對其進行滲碳淬火工藝生產與制造的過程中，傳動套外直徑（/h3）受熱呈現顯著的膨脹趨勢，導致傳動套整體呈現一種上下不均勻的錐形結構[6]。倘若在此過程中沒有準確地控制碳濃度，會導致淬火過程中奧氏體參與量過高，外部直徑高速收縮，從而產生變形。

在對此方面的研究中發現，傳動套外直徑的變形量與淬火卡方具有密切的關聯性。在此基礎上，對不同溫度下傳動套畸變特性進行研究，發現經過滲碳淬火后，傳動套內部的花鍵孔直徑（/b1與b2），發生由外向內的收縮，收縮過程中，齒距不斷縮小。使用花鍵規則對其外徑進行輔助性檢測，并使用千分尺用于測量花鍵的畸變量[7]。統計結果如下表1所示。

表1 傳動套花鍵內徑與外徑變形量檢測結果

綜合上述表1中變形檢測結果，可以直接看出，傳動套在滲碳淬火熱加工處理環節中，內徑與外徑均在不同程度上發生了變形，變形量基本控制在0.050mm范圍內。

3 滲碳淬火工藝控制

3.1 傳動套熱加工預先控制

為了降低傳動套在滲碳淬火工藝中出現變形，可采用對傳動套熱加工進行預先控制的方式。在對其進行熱處理工作前，可適當地加大跨齒距之間的寬度，通過尺寸補償的方式，降低熱處理過程中的徑向收縮現象發生對傳動套設計的影響[8]。綜合相關滲碳淬火工藝實施經驗，在熱處理過程中，傳動套的內徑與外徑均發生了變形，變形量基本控制在0.050mm范圍內。因此，可直接根據其變形量，對傳動套熱加工進行預先補償，補償范圍參照發生變形的范圍即可。

在此過程中，考慮到傳動套內結構中花鍵經過熱處理加工后，其變形量可通過補償的方式降低。而針對小部分未能及時處理的變形，可采用“花鍵校正推導”的方式，將滲碳淬火產生的畸變控制在可控范圍內。在此基礎上，為了持續降低工藝實施對其的影響，可設計“T”型結構的空心襯套，其結構如下圖2所示。

圖2 “T”型結構空心襯套示意圖

圖2中所呈現的孔內結構上下硬度相對均勻，可滿足滲碳淬火工藝實施需求。此外，為了避免由于不正確的裝爐方式導致傳動套生產發生變形，可在裝爐過程中，考慮到不同工件之間的熱處理行為可能存在影響，因此應預先為其保有足夠的間隙，降低傳動套擺放過密導致的受熱不均勻現象出現。

3.2 合理規劃傳動套不同滲碳淬火階段時間

在完成上述相關設計的基礎上，應根據傳動套不同滲碳淬火階段，對行為發生時間進行控制與合理約束。如下圖3所示。

圖3 傳動套不同滲碳淬火階段工藝曲線

如上述圖3所示，可將傳動套的滲碳淬火熱處理劃分為三個階段，控制每個階段中不同行為的發生時間。并在完成首次淬火后，對其變形量或漲大值進行檢測，檢測中可從傳動套上部、中部、下部三個部位進行弧度位置的測量。通過實驗發現，傳動套滲碳淬火后其內花鍵孔產生徑向向里收縮，跨齒距尺寸縮小。我們一方面借助于花鍵塞規(專門定制止規和通規兩種規格)作輔助性檢測，另一方面則用內測千分尺和滾針來測量內花鍵孔的變形量。測得其變形量約為0.025mm～0.04mm。在完成首次滲碳淬火熱處理后，二次滲碳淬火熱處理仍需嚴格按照圖3曲線實施。

此過程中，滲碳淬火的整體思想按照高溫回火處理方式，綜合金屬材料在此過程中的物理作用力，在收縮過程中，假定其已經抵消了一部分應力，剩余部分的應力可從“T”型結構空心襯套下部排出。

上述提出的高溫回火處理方式中，可按照“功率升溫—水冷”與“功率升溫—消應”的流程，對傳動套熱加工流程進行規范化處理。例如，在提出的前者步驟中，先對傳動套進行持續2.0h的加熱處理，熱處理溫度保持在400.0°C±10.0°C范圍內。持續2.0h后，按照爐內溫度，對其進行功率升溫，對傳動套進行持續7.0h的加熱處理，熱處理溫度保持在650.0°C±10.0°C范圍內。完成加熱處理后，使用水冷方式對傳動套進行冷卻處理，以此種規范化的方式，實現對滲碳淬火工藝的控制。

4 結語

本文結合滲碳淬火原理，對傳動套熱處理環節中出現的變形現象與規律進行深度挖掘，并提出了預先控制傳動套熱加工、合理規劃傳動套不同滲碳淬火階段時間等滲碳淬火工藝控制行為，以此種方式降低變形的發生概率。為了進一步提升對外出口金屬制品的質量，可在后期的相關研究中，將本文提出的控制方法應用到對金屬構件的熱處理加工環節中，從而實現對金屬制品的高質量、高效率產出。