真空低壓滲碳熱處理在重載齒輪上的應用

朱鵬凱，徐 燊，陳旭陽，張曉田，李 陽

（1.陜西法士特汽車傳動集團有限責任公司，陜西 西安 710119；2.北京機電研究所有限公司，北京 100083）

重載齒輪一般在使用過程中受到較大的扭矩，零件在長時間服役時為保證動力高效平穩的傳輸，對其疲勞性能有著較高的要求[1-2]，這類零件一般采用滲碳淬火的方法來提高硬度，改善材料內部組織，以提高零件的綜合使用性能[3-4]。傳統氣氛滲碳熱處理技術較為成熟，在重載齒輪滲碳熱處理領域有著廣泛的應用，但也存在著滲碳周期長、零件表面存在內氧化以及零件清潔度差等諸多缺點，隨著產品設計要求的提高，傳統氣氛滲碳熱處理技術已逐漸不能滿足未來產品的設計需求。

真空滲碳熱處理技術具有生產效率高、無氧化、清潔等特點[5-7]，可以彌補氣氛滲碳熱處理的不足，目前在乘用車領域有著廣泛的應用，但在商用車變速箱領域相關應用研究較少。為了研究重載齒輪真空滲碳熱處理的工藝性，本文針對商用車同步器齒轂，分別進行傳統氣氛滲碳熱處理與真空低壓滲碳熱處理試驗，對比分析兩種工藝熱處理后組織、硬度梯度及變形情況。

1 試驗零件及過程

1.1 試驗零件

試驗零件為重載商用車變速箱用某型號同步器齒轂，同步器可以在手動變速箱中實現換擋同步，齒轂為同步器中核心零部件之一，零件具體尺寸根據不同箱型設計所定，典型結構如圖1所示，外圓直徑φ150 mm左右，有效厚度在20～30 mm之間，在使用過程中受到周期性載荷，對其齒部接觸疲勞強度和表面耐磨性有著較高的要求。零件材料為20CrMnTiH合金鋼，具體化學成分如表1所示。

表1 20Cr MnTiH鋼主要化學成分（質量分數，%）Table 1 Chemical composition of the 20Cr MnTiH steel（mass fraction，%）

圖1 同步器齒轂三維模型Fig.1 Three dimensional model of the synchronizer gear hub

對零件進行滲碳淬火處理后采用線切割機沿著徑向取樣，使用不同目數的砂紙對試樣表面進行打磨，采用拋光機對試樣表面進行拋光處理后，用T2500（WH-2500）型顯微硬度計分別在齒面和齒根圓角處進行硬度梯度檢測，加載載荷砝碼為1 kg，保載時間為12 s。用體積分數4%的硝酸酒精溶液對試樣表面進行腐蝕，腐蝕時間為5～8 s。制樣完成后采用Observer.A1M光學顯微鏡對顯微組織進行觀察，使用螺旋測微器和量棒對零件熱處理前后的外花鍵跨棒距進行測量，使用格里森齒輪測量中心測量零件熱處理前后的齒距累積值。

1.2 試驗過程

真空試驗在真空滲碳熱處理爐上完成，試驗工藝為真空滲碳+油淬（高壓氣淬）+回火，淬火溫度為960℃，滲碳工藝總時間為305 min，具體滲碳淬火工藝曲線見圖2（a），采用飽和值調整法循環通入乙炔和保護氮氣進行表面滲碳和內部擴散；傳統氣氛滲碳淬火試驗在箱式氣氛爐中完成，試驗工藝為氣氛滲碳+淬火+回火，使用丙酮和甲醇以及氮氣作為滲碳氣氛，淬火溫度830℃，滲碳工藝總時間為205 min，工藝曲線見圖2（b）。因傳統氣氛滲碳溫度較真空滲碳溫度低，加熱冷卻時到溫所需時間短，整體工藝時間也較短。

圖2 滲碳工藝曲線示意圖Fig.2 Schematic diagram of carburizing process curves

2 試驗結果及分析

2.1 硬化層深

硬化層深的檢測位置分別在外花鍵齒面和齒根處，采用硬度梯度法，由表面向垂直于齒面的方向，每

間隔0.1 mm取一點進行硬度檢測，得到由表面到心部的硬度梯度，取硬度513 HV位置點距表面的距離為零件的滲碳硬化層深參考值。對比了真空滲碳+油淬和氣氛滲碳+油淬兩種工藝熱處理后的硬化層深，結果如圖3所示。

圖3 不同工藝下試驗鋼的硬度分布曲線Fig.3 Hardness profiles of the tested steel under different processes

受零件結構影響，齒根處靠近齒輪基體，不利于淬火時奧氏體向馬氏體的轉變，對于真空滲碳和氣氛滲碳，兩種工藝滲碳后在齒根處的硬化層深均小于齒面。表2給出了不同工藝下零件不同位置的滲層深度，該零件齒面層深設計要求為0.5～0.9 mm，兩種工藝均可以滿足圖紙設計要求。

表2 不同工藝下外花鍵硬化層深Table 2 Hardened layer depth of external spline under different processes

對比兩種工藝對硬度梯度的影響，在0.4 mm范圍內，真空滲碳零件滲層硬度變化平緩，而氣氛滲碳硬度逐漸降低；在0.4～1.0 mm滲層范圍內，隨著含碳量的降低，真空滲碳和氣氛滲碳后零件表層硬度均逐漸降低，兩種工藝對硬度的影響除了數值大小外，其變化規律基本一致，硬度梯度可通過改變工藝參數進行調整；在滲碳層深1.0 mm范圍后，已達到外界滲入碳原子的最大深度，兩種工藝下的硬度值變化緩慢，硬度為基體硬度。

2.2 顯微組織分析

2.2.1 晶間氧化

晶間氧化形成原因是在滲碳過程中，氧原子與表層合金元素形成氧化物并沿著晶界析出，產生了內氧化，使表層的合金元素發生貧化，淬透性降低，在淬火后形成貝氏體、屈氏體等非馬氏體組織[8-9]。

真空滲碳和氣氛滲碳后的晶間氧化情況如圖4所示，真空滲碳的滲碳氣氛中不含有氧原子，滲碳完成后幾乎無晶間氧化現象；而傳統氣氛滲碳所使用的甲醇、丙酮等介質在高溫下裂解出的氧原子與合金元素結合形成氧化物，沿著晶界析出形成了內氧化，如圖4（b）所示，最大晶間氧化深度為8.05μm。

圖4 滲碳淬火后試驗鋼表層晶間氧化Fig.4 Surface intergranular oxidation of the tested steel after carburizing and quenching

2.2.2 非馬氏體組織

非馬氏體組織的存在會降低零件表面硬度，影響硬度梯度，從而降低零件的疲勞強度和使用壽命，因此，在實際生產過程中，熱處理工藝應控制非馬氏體組織出現的深度，盡可能減小或避免非馬氏體組織的形成。

圖5（a，b）分別為真空滲碳和氣氛滲碳經淬火后的滲層顯微組織照片，因真空滲碳工藝在滲碳過程中無氧原子的參與，未發生內氧化，淬火后的次表層幾乎無非馬氏體組織的出現，而氣氛滲碳工藝在滲碳過程中零件表層已經產生了部分內氧化，這些區域在淬火時因淬透性降低產生非馬氏體組織，最大達到了14.2μm。

圖5 滲碳淬火后試驗鋼表層非馬氏體組織Fig.5 Surface non-martensitic structures of the tested steel after carburizing and quenching

2.2.3 殘留奧氏體組織

圖6（a，b）分別為真空滲碳淬火和傳統氣氛滲碳淬火后表層組織狀態，均為片狀馬氏體+少量殘留奧氏體，從橫截面金相結果來看，兩種工藝下次表層滲碳組織類型和含量差異不大。

圖6 滲碳淬火后試驗鋼表層組織Fig.6 Surface microstructure of the tested steel after carburizing and quenching

2.2.4 熱處理畸變

齒轂外徑尺寸精度是零件加工過程中重點控制的參數，為了分析不同工藝對零件熱處理畸變的影響，對比了真空滲碳下油淬和高壓氣淬以及氣氛滲碳+油淬3種工藝熱處理后零件外花鍵的跨棒距變化量和花鍵累積值Fp。外花鍵跨棒距可反映零件徑向尺寸變化，是衡量帶花鍵軸類和齒輪類零件熱處理畸變的重要指標之一。對同批次加工的齒轂真空滲碳和氣氛滲碳熱處理前、后外花鍵跨棒距進行了測量，匯總數據如表3所示。由圖7（a）可以明顯看出，3種工藝熱處理后外花鍵跨棒距均有一定程度的增加，說明零件經熱處理后均沿著徑向膨脹，其中真空滲碳+高壓氣淬工藝零件的跨棒距變化量最小，氣氛滲碳+油淬、真空滲碳+油淬兩種工藝對跨棒距的影響較大，且二者之間無明顯差異。

圖7 試驗鋼熱處理畸變曲線Fig.7 Heat treatment distortion curves of the tested steel

表3 不同滲碳工藝下外花鍵跨棒距Table 3 Span distance of external spline under different carburizing processes

花鍵累積值Fp為齒輪同側齒面任意弧段內的最大齒距累積偏差，表現為累積偏差曲線的總幅值，反映了齒的位置度以及齒經熱處理后沿著周向變形的均勻程度，Fp越小，齒在齒輪周向分布的位置度越好。對經不同工藝熱處理前后的零件測其Fp值大小，結果如表4所示，可以看出經熱處理后Fp值均發生了增大，3種熱處理工藝中，真空滲碳+高壓氣淬的方式累積Fp值變化量最小，說明零件在高壓氣淬的過程中有著較好的變形協調性。

表4 不同滲碳工藝下外花鍵齒距累積F pTable 4 Cumulative F p of external spline pitch underdifferent carburizing processes

零件在滲碳淬火過程中的熱處理畸變主要由淬火冷卻過程中應力的釋放造成，一般來說，冷卻速度越平緩，零件冷卻過程內外溫差越小，淬火后的畸變就越小[10-11]。從3種工藝熱處理后零件的畸變結果來看，真空滲碳+高壓氣淬工藝在零件的熱處理畸變控制上表現最好。

3 結論

對比了20CrMnTiH合金鋼同步器齒轂在真空滲碳+油淬、真空滲碳+高壓氣淬以及氣氛滲碳+油淬3種工藝熱處理后顯微組織、硬度及熱處理畸變的區別，主要有以下幾點結論：

1）真空低壓滲碳技術在晶間氧化、非馬氏體組織控制上相對傳統氣氛滲碳有較大的優勢，熱處理后幾乎無晶間氧化和非馬組織的出現，有利于改善滲碳熱處理后零件次表層組織狀態，提高產品使用性能。

2）受零件結構影響，對于真空滲碳和氣氛滲碳，在均為油液淬火的前提下，齒根處同深度下的硬度低于齒面；在距離0.4 mm滲層內真空滲碳后材料硬度可維持一較高水平基本不變，而氣氛滲碳后硬度從表面到心部會持續降低。

3）淬火過程對零件熱處理畸變有著重要的影響，零件在高壓氣淬過程中冷卻緩慢，導致內外溫差小，各部分的畸變情況更加均勻，徑向和周向均表現出較好的變形協調性，相比油液淬火在熱處理畸變控制上具有一定的優勢。