汽車齒輪鍛坯熱處理工藝優化研究

秦 娟

(煙臺汽車工程職業學院 智能汽車工程系，山東 煙臺 265500)

汽車齒輪為汽車的關鍵零件，若汽車齒輪存在質量問題，可使汽車的安全性受到威脅。當前生產高精度、低噪聲、使用壽命長的汽車齒輪已成為汽車制造領域的發展方向。但大多數齒輪均存在生產效率低、能量消耗大等現象，如何提高汽車齒輪的質量成為亟待解決的問題。為進一步提高汽車齒輪的性能，通過多項熱處理工藝對齒輪進行熱處理，以此實現對汽車齒輪的優化，有利于提高汽車的安全性。

1 汽車齒輪熱處理工藝概述

汽車齒輪的制造原材料為低碳合金滲碳鋼，其制造工序主要包括5個步驟：

(1)采用鍛造工藝完成齒輪毛坯的制作；

(2)利用預先熱處理工藝對齒輪毛坯進行預處理；

(3)對預處理后的齒輪毛坯進行切削加工，使齒輪毛坯與預設的形狀相符合；

(4)實施滲碳淬火工藝，通過該方式得到汽車齒輪的高碳表面層；

(5)利用冷熱加工工序對齒輪毛坯進行精加工處理，該步驟可重復多次。

經過制造工序形成的汽車齒輪具有良好的耐磨性、耐疲勞性以及耐腐蝕性等優勢，汽車齒輪的表面硬度較高、心部韌性較好，可廣泛應用于汽車制造領域[1-2]。

1.1 預先熱處理工藝

該工藝為汽車齒輪制造過程的核心步驟，通過對汽車齒輪毛坯進行預先熱處理，可使汽車齒輪毛坯的表面呈現較高的硬度，為齒輪毛坯的第2次熱處理做鋪墊。傳統預先熱處理工藝的核心方法為正火處理，該方法對設備的要求較低，可在無任何大型加工設備的基礎上完成汽車齒輪的制作。采用正火處理方法生產汽車齒輪時，該方法對能量的消耗較少，同時對工藝的要求較為簡單，被廣泛應用于生產中。但該方法可使汽車齒輪出現毛坯強度較低以及變形的問題，將該齒輪用于汽車生產中，不利于維持汽車的穩定運行[3-4]。

1.2 滲碳工藝

該工藝主要通過氣體滲碳的方式提升汽車齒輪的綜合力學性能，被廣泛應用于汽車齒輪的生產。大多數汽車生產商均采用滲碳工藝進行齒輪生產，氣體滲碳工藝實際上是一種較為常見的表面硬化處理工藝，將該工藝引進低碳鋼的生產中，可使低碳鋼的性能達到較高水平。大多數汽車生產廠家為生產出性能最佳的滲碳層深度，在汽車生產設備中引進計算機控制系統，通過計算機全程控制汽車的生產程序，該系統控制的主要內容為滲碳的深度以及表面硬度，在計算機控制系統的支持下，有利于降低汽車齒輪出現變形現象的概率。

1.3 碳氮共滲工藝

為保證汽車齒輪具有良好的滲透深度及硬度，本研究選用碳氮共滲工藝對汽車齒輪進行處理。碳氮共滲工藝可在特定的時間內提升汽車齒輪滲透層的深度及硬度，同時該工藝可最大限度地降低汽車零件出現變形的概率，并提升汽車齒輪的強度以及耐磨性能。碳氮共滲工藝是經過多次試驗和研究后形成的先進技術，最開始被應用在坦克的齒輪生產中，隨后被推廣至民用汽車的齒輪生產，最終普及于全國的汽車齒輪生產。

1.4 滲氮工藝

該工藝為傳統熱處理工藝中的一種，采用該工藝進行汽車齒輪的生產，可使汽車齒輪的承載能力無法得到預期效果，不利于滲氮工藝的推廣。但滲氮工藝對溫度的要求較低，采用該工藝完成汽車齒輪的生產時，可降低鍛造坯的畸變程度，并減少加工工藝的程序。將該技術應用于汽車齒輪生產中，有利于降低單位的生產成本[5-6]。

1.5 感應淬火

大部分汽車生產廠家在汽車齒輪的制造初期均采用感應淬火的方式完成生產，該工藝具有較高的生產效率，可有效降低工件的變形概率；同時還具有能量消耗低、易實現自動化等優勢，被廣泛應用于汽車生產領域。

2 基于熱處理工藝的汽車齒輪鍛坯優化試驗方法

本研究為提高汽車齒輪的質量，通過多種熱處理工藝對齒輪鍛坯進行熱處理，從而獲取良好的切削性和均勻的組織，有利于減低汽車齒輪鍛坯在滲碳淬火時發生不規則變形的概率。為獲取熱處理工藝對汽車齒輪鍛坯性能的影響，對汽車齒輪鍛坯的性能進行研究。

2.1 汽車齒輪鍛坯試驗材料

汽車齒輪鍛坯性能試驗開始之前，應完成試驗的準備工作，選用20MnCr5鋼汽車齒輪鍛坯作為該試驗的樣本；20MnCr5鋼汽車齒輪鍛坯的化學成分和質量分數如表1所示[7]。

表1 20MnCr5鋼汽車齒輪鍛坯的化學成分和質量分數Tab.1 Chemical composition and mass fraction of 20MnCr5 steel automobile gear forging blank

汽車齒輪鍛坯的選材及生產方式：

(1)將20MnCr5鋼的化學成分作為主要依據，在化學成分的基礎上完成汽車齒輪鍛坯的配料，利用感應淬火工藝對試驗樣本進行熱處理，以此實現對試驗樣本的熔煉，通過電渣重熔的方法對汽車齒輪鍛坯進行冶煉、澆注以及冷卻等操作，即可獲取尺寸為φ200 mm×700 mm的20MnCr5鋼棒狀坯料；

(2)采用閉式模鍛的方法完成試驗樣本的鍛壓，在自制的模具上以此進行下料、加熱、鐓粗、預鍛、終鍛以及沖連皮等操作，即可實現汽車齒輪鍛坯的生產；

(3)利用模鍛系統對生產完畢的汽車齒輪鍛坯進行處理，可提升該材料的基本性能，該系統包括上下模、汽車齒輪鍛坯以及毛邊槽等部分[8-9]。

對汽車齒輪鍛坯進行鍛壓過程中，整個生產工序的始鍛溫度為1 150 ℃，終鍛溫度控制在800 ℃，鍛壓變形量為8.6%，汽車齒輪鍛坯試驗樣本的熱處理工藝如表2所示。

表2 汽車齒輪鍛坯試驗樣本的熱處理工藝Tab.2 Heat treatment process of automobile gear forging billet test sample

2.2 汽車齒輪鍛坯試驗方法

本研究對汽車齒輪鍛坯試驗樣本的耐磨損性能進行測試時，采用THT型高溫摩擦磨損試驗機作為該試驗的核心設備。對試驗樣本進行選取時，將試驗樣本切割成尺寸為φ10 mm×5 mm的棒狀結構，試驗樣本切割完畢后，將其置于室溫環境下，驗證汽車齒輪鍛坯的耐磨損性能。試驗開始前，將THT型高溫摩擦磨損試驗機的載荷控制在100 N，相對滑動速度調節至120 mm/min，磨輪轉速調節至240 r/min，磨損時間為20 min。試驗開始之后，應實時記錄試驗樣本的體積變化情況，并根據相關數據完成磨損體積的計算，最后利用JSM6510型掃描電子顯微鏡(SEM)對磨損后的試驗樣本的表面形貌進行觀察[10-11]。

對汽車齒輪鍛坯試驗樣本的拉伸性能進行測試時，采用BDL-500L型拉伸試驗機作為該試驗的核心設備。對試驗樣本進行選取時，將汽車齒輪切割成尺寸為φ20 mm×15 mm×5 mm的矩形結構，該試驗樣本為V型開口，其開口的深度為2 mm。試驗樣本切割完畢后，將其置于室溫環境下，驗證汽車齒輪鍛坯的拉伸性能。試驗開始之前，將試驗樣本的拉伸速度調節為1 mm/s。試驗開始之后，應實時記錄試驗樣本的抗拉強度、屈服強度以及斷后伸長率等變化情況。最后利用JSM6510型掃描電子顯微鏡(SEM)對試驗樣本的拉伸斷口形貌進行觀察[12-13]。

3 基于熱處理工藝的汽車齒輪鍛坯優化試驗結果與分析

3.1 汽車齒輪鍛坯耐磨損性能

通過對汽車齒輪鍛坯的耐磨損性能進行試驗驗證可知，不同的熱處理工藝可使汽車齒輪鍛坯的耐磨損性能出現不同程度的變化。研究采用常規退火方法對汽車齒輪鍛坯試驗樣本進行熱處理時，試驗樣本的磨損體積與退火溫度之間呈反比關系變化，隨著退火溫度的不斷升高，可使試驗樣本的磨損體積逐漸減小，當試驗樣本的磨損體積降至最小范圍時，呈現增大的趨勢。采用等溫退火方法對汽車齒輪鍛坯試驗樣本進行熱處理時，試驗樣本的體積出現明顯減小的情況，試驗樣本的磨損體積與耐磨損性能之間呈反比關系變化。隨著試驗樣本磨損體積的減小，可提升汽車齒輪鍛坯的耐磨損性能。當試驗樣本磨損體積出現增長的情況時，可使汽車齒輪鍛坯的耐磨損性能逐漸變差。由試驗樣本的變化情況可知，采用常規退火和等溫退火的方法分別對試樣樣本進行熱處理，其中等溫退火方法更具優勢，有利于增強試驗樣本的耐磨損性能。汽車齒輪鍛坯耐磨損性能測試結果如圖1所示[14-1]。

圖1 汽車齒輪鍛坯耐磨損性能測試結果Fig.1 Wear resistance test results of automobile gear forging blank

從圖1可以看出，退火溫度控制在800 ℃時，眾多試驗樣本中，編號1的磨損體積最大，其數值為31.8×10-3mm3，該試驗樣本的耐磨損性能最差。當退火溫度控制在860 ℃時，眾多試驗樣本中，編號4的磨損體積數值為17.1×10-3mm3，采用對比分析的方式對編號4、1進行分析，編號4較編號1的磨損體積減小了46%。采用常規退火方法對試驗樣本進行熱處理時，編號4的磨損體積最小，但該樣本的耐磨損性能最優。當退火溫度控制在880 ℃時，編號4的磨損體積數值為21.5×10-3mm3，編號4較編號1的磨損體積減小了32%，其耐磨損性能呈下降趨勢變化。

對汽車齒輪鍛坯進行熱處理時，應嚴格控制退火的溫度，適宜的退火溫度在一定程度上可提高汽車齒輪鍛坯的耐磨損性能。選用常規退火方法對樣本進行熱處理時，應將退火的溫度調節為860 ℃。采用等溫退火方法對汽車齒輪鍛坯進行處理時，編號6的磨損體積為11.8×10-3mm3，該樣本的磨損體積較編號1降低了63%，較編號4降低了31%。等溫退火方法處理的試驗樣本性能明顯優于常規退火方法處理的試驗樣本[16-17]。

采用常規退火和等溫退火方法分別對試驗編號4、6的樣本進行處理，并利用JSM6510型掃描電子顯微鏡分析試驗編號4、6的表觀面貌。其中編號4的表面出現較多的磨痕，并伴隨起皮現象，該樣本的磨損現象較為嚴重。編號6的表面存在少量細小的磨痕，該樣本的起皮現象較少，耐磨損性能較之前具有明顯改善。綜上所述，等溫退火工藝更適用于汽車齒輪的生產制造，可使汽車齒輪的耐磨損性能出現明顯提升。

3.2 汽車齒輪鍛坯拉伸性能

通過對汽車齒輪鍛坯的拉伸性能進行試驗驗證可知，不同的熱處理工藝可使汽車齒輪鍛坯的拉伸性能出現不同程度的變化。本研究采用常規退火方法對汽車齒輪鍛坯試驗樣本進行熱處理時，隨著退火溫度的提升，試驗編號1～5的性能變化情況為：汽車齒輪鍛坯試驗樣本的抗拉強度和屈服強度呈現先增大后減小的變化趨勢；而斷后伸長率呈現先減小后增大的變化趨勢。采用等溫退火方法對汽車齒輪鍛坯試驗樣本進行熱處理時，試驗編號6的性能變化情況為：汽車齒輪鍛坯試驗樣本的抗拉強度和屈服強度均優于常規退火方法處理的樣本，其斷后伸長率方面小于常規退火工藝處理的樣本[18]。汽車齒輪鍛坯拉伸性能測試結果如圖2所示。

圖2 汽車齒輪鍛坯拉伸性能測試結果Fig.2 Tensile performance test results of forging slab of automobile gear

從圖2可以看出，對汽車齒輪鍛坯進行熱處理時，應嚴格控制退火的溫度，適宜的退火溫度在一定程度上可提高汽車齒輪鍛坯的拉伸性能。選用常規退火方法對樣本進行熱處理時，應將退火的溫度調節為860 ℃。采用等溫退火方法對汽車齒輪鍛坯進行處理時，可使試驗樣本的性能明顯優于常規退火方法處理的試驗樣本[19-20]。

采用常規退火和等溫退火方法分別對試驗編號4、6的樣本進行處理，并利用JSM6510型掃描電子顯微鏡分析試驗編號4、6的表觀面貌。其中編號4的表面出現較淺的粗大韌窩；編號6表面的韌窩明顯減小、變深。綜上所述，等溫退火工藝更適用于汽車齒輪的生產制造，可使汽車齒輪的拉伸性能出現明顯提升。

4 結語

本研究為進一步提升汽車齒輪的質量，采用多種熱處理工藝對齒輪鍛坯進行熱處理，有利于減低汽車齒輪鍛坯在滲碳淬火時發生不規則變形的概率。通過對汽車齒輪鍛坯的性能進行研究，獲取熱處理工藝對汽車齒輪鍛坯性能的影響。不同的熱處理工藝可使汽車齒輪鍛坯的耐磨損性能出現不同程度的變化。眾多工藝中，等溫退火工藝更適用于汽車齒輪的生產制造，將該方法應用于汽車齒輪生產中，可提升汽車齒輪的整體質量。