我公司主要生產(chǎn)自動(dòng)變速箱和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)零部件，多款變速器產(chǎn)品均采用了行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，大部分的行星軸均要求使用優(yōu)質(zhì)滲碳鋼進(jìn)行滲碳淬火處理，而有一款變速器的行星軸不僅材料要求特殊且熱處理標(biāo)準(zhǔn)也是專(zhuān)門(mén)的標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)楸Ｃ艿脑颍O(shè)計(jì)方不愿提供熱處理標(biāo)準(zhǔn)，并且要求從他們的工廠購(gòu)買(mǎi)。
為了降低成本并實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，我們對(duì)標(biāo)OEM零件的檢測(cè)結(jié)果并進(jìn)行了多輪次的試驗(yàn)改進(jìn)，終于能達(dá)到和OEM零件各方面均一致的熱處理結(jié)果，通過(guò)了嚴(yán)格的臺(tái)架試驗(yàn)，已進(jìn)入穩(wěn)定量產(chǎn)階段。
1.行星軸特殊材料及特殊的熱處理結(jié)果
（1）產(chǎn)品材料為原公司特制的材料，要求較高的純凈度和淬透性，要求晶粒度≥5級(jí)，夾雜物要求如表1所示，DI值（按化學(xué)成分計(jì)算）應(yīng)為77.5～100.3mm，端淬試驗(yàn)要求如表2所示，殘余元素要求：最大鈣殘留20ppm（1ppm=10-6，下同）、最大氧含量12ppm。
表1 夾雜物要求
類(lèi)別 | A | B | C | D | ||||
細(xì)系 | 粗系 | 細(xì)系 | 粗系 | 細(xì)系 | 粗系 | 細(xì)系 | 粗系 | |
最大值/級(jí) | 2.5 | 1.5 | 1.5 | 0.5 | 0 | 0 | 0.5 | 0.5 |
表2 端淬試驗(yàn)要求
端淬試驗(yàn)測(cè)量距離/mm | 1.5 | 7 | 15 | |
硬度值HRC | 最大 | 48 | — | 36 |
最小 | 43 | 39 | — | |
（2）產(chǎn)品圖樣僅有硬度和硬化層深要求（表面硬度≥60HRC，硬化層深2.2～2.8mm），圖樣標(biāo)注的特殊熱處理標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法得到，我們對(duì)2批次的OEM分別進(jìn)行了抽檢，檢測(cè)結(jié)果如表3所示。
表3 檢測(cè)結(jié)果
對(duì)比圖樣要求、檢測(cè)結(jié)果和常見(jiàn)的滲碳淬火規(guī)范可發(fā)現(xiàn)，處理表面硬度和硬化層深要求較高之外，此零件在表面和次表面存在均勻的彌散分布的碳化物（見(jiàn)圖1），其余基本一致。
圖1 表面均勻分布彌散碳化物
2.材料選擇
根據(jù)圖樣的材料特殊要求，一般的滲碳鋼同時(shí)難以滿足要求，特選取了我公司常用的與要求比較接近的材料A。
材料A晶粒度為7級(jí)，鈣殘留8ppm，氧含量9.2ppm，DI實(shí)測(cè)值為68.8mm。夾雜物如表4所示，端淬試驗(yàn)如表5所示。
表4 夾雜物
類(lèi)別 | A | B | C | D | ||||
細(xì)系 | 粗系 | 細(xì)系 | 粗系 | 細(xì)系 | 粗系 | 細(xì)系 | 粗系 | |
最大值/級(jí) | 1.5 | 0 | 0.5 | 0 | 0 | 0 | 0.5 | 0 |
表5 端淬試驗(yàn)
端淬試驗(yàn)測(cè)量距離/mm | 1.5 | 7 | 15 | |
硬度值HRC | 最大 | 48 | — | 36 |
最小 | 43 | 39 | — | |
材料實(shí)測(cè)值 | 43.2～44 | 36～38.5 | 未測(cè) | |
從以上數(shù)據(jù)可得，除DI值和7mm處的端淬硬度值低于圖樣材料要求外，其他全部符合。
3.試驗(yàn)研究與對(duì)比改進(jìn)
相對(duì)于常見(jiàn)的滲碳淬火零件，此零件有兩方面需要重點(diǎn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)并進(jìn)行改進(jìn)，一是深層滲碳，二是表層及次表層需獲得均勻一致的彌散碳化物分布。碳化物的大小和形狀對(duì)鋼的抗疲勞性能有顯著影響，文獻(xiàn)[2]介紹，粗大及網(wǎng)狀碳化物會(huì)降低碳化物晶界產(chǎn)生解理裂紋所需的臨界切應(yīng)力。大塊角狀、仿晶界型碳化物嚴(yán)重降低深層滲碳工件的疲勞壽命，圓球形、分布均勻的碳化物形態(tài)反而能提高疲勞極限，越細(xì)化、越均勻的碳化物分布越好。而碳化物形態(tài)的控制主要是滲碳溫度、時(shí)間、碳勢(shì)和合金元素綜合作用的結(jié)果，通常滲碳溫度高時(shí)，間隙原子與置換型原子均可進(jìn)行長(zhǎng)程擴(kuò)散，擴(kuò)散結(jié)果形成穩(wěn)定性碳化物，滲碳時(shí)高溫奧氏體中直接析出的碳化物一般是沿晶界形核，繼而不斷長(zhǎng)大和聚集而成為具有特殊形態(tài)的碳化物。
眾所周知，在熱處理生產(chǎn)中，深層滲碳是一個(gè)耗時(shí)耗能的過(guò)程，隨著滲碳層深的增加，時(shí)間和成本均倍增，受設(shè)備、滲碳溫度和控制方法的局限，大幅度縮短工藝時(shí)間基本是不可能的。而碳化物因受到很多因素的影響，對(duì)于滲碳淬火的工藝來(lái)說(shuō)極難控制，很易產(chǎn)生粗大的網(wǎng)狀碳化物等有害組織，故常見(jiàn)的滲碳淬火都要嚴(yán)格控制碳化物的產(chǎn)生。
根據(jù)以上理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，我們認(rèn)為，常用的滲碳后直接淬火無(wú)法獲得所期望的碳化物形態(tài)，故我們需要先對(duì)工件進(jìn)行滲碳，然后進(jìn)行低溫?cái)U(kuò)散，使得碳化物在擴(kuò)散和冷卻過(guò)程中能沿晶界析出，而后對(duì)零件重新加熱到淬火溫度并進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的保溫?cái)U(kuò)散，使得前面工步中析出的碳化物更加均勻，然后進(jìn)行淬火硬化和回火。
以下所有試驗(yàn)使用的設(shè)備均為愛(ài)協(xié)林箱式多用爐，型號(hào)VKEs5/2-90/85/150CN，爐溫均勻性可達(dá)到±5℃，碳勢(shì)均勻性可達(dá)到±0.05%，清洗和回火工序也在同條生產(chǎn)線上完成。
根據(jù)以上試驗(yàn)設(shè)計(jì)，第一次的工藝曲線如圖2所示（第一輪試驗(yàn)：強(qiáng)滲13h、擴(kuò)散7h；第二輪試驗(yàn)：強(qiáng)滲11h、擴(kuò)散6h；第三輪試驗(yàn)：強(qiáng)滲10h、擴(kuò)散5.5h），檢測(cè)結(jié)果如表6所示。從結(jié)果看，硬化層深超出圖樣要求，深層表面并未獲得彌散碳化物。為獲得合適的硬化層深又分別進(jìn)行了兩次試驗(yàn)，除滲碳工藝的強(qiáng)滲和擴(kuò)散時(shí)間縮短外，其他未變，可見(jiàn)隨著滲碳時(shí)間的縮短，硬化層深逐漸減少，但金相組織不變，均未獲得均勻的碳化物。
圖2 第一輪試驗(yàn)工藝曲線
表6 第一輪～第三輪試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果
從以上結(jié)論可知，滲碳的工藝參數(shù)更多的是決定滲層的深淺，如果想獲得期望的金相組織，需要在重新加熱淬火的參數(shù)上進(jìn)行調(diào)整試驗(yàn)。為此我們重新設(shè)計(jì)進(jìn)行了4輪試驗(yàn)，工藝參數(shù)（除“二次加熱淬火”參數(shù)不同外，其余4輪試驗(yàn)全同。“二次加熱淬火”參數(shù)：第四輪為830℃、1.2%Cp×75min；第五輪為830℃、1.2%Cp×150min；第六輪為830℃、1.2%Cp×300min；第七輪為830℃、1.2%Cp×360min），工藝曲線如圖3所示，檢測(cè)結(jié)果如表7所示，金相圖片如圖4所示，第七輪試驗(yàn)的檢測(cè)結(jié)果基本和OEM 零件一致。
表7 第四輪～第七輪試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果
圖3 第四輪～第七輪試驗(yàn)工藝曲線和參數(shù)
（a）第四輪試驗(yàn) （b）第五輪試驗(yàn)
（c）第六輪試驗(yàn) （d）第七輪試驗(yàn)
圖4 第四次～第七次試驗(yàn)碳化物圖片
從以上試驗(yàn)結(jié)果可得，在830℃重新加熱保溫淬火后，只需保溫75min即可在表層獲得C4級(jí)別（公司滲碳淬火標(biāo)準(zhǔn)）的碳化物，但深度較淺，平均值約65μm，且存在大量的網(wǎng)狀碳化物，此類(lèi)組織對(duì)產(chǎn)品性能有較壞的影響。隨著保溫?cái)U(kuò)散時(shí)間增長(zhǎng)，碳化物的擴(kuò)散深度更深，保溫150min時(shí)平均深度可達(dá)160μm左右，保溫300min時(shí)平均深度可達(dá)260μm左右，且隨著時(shí)間增加，網(wǎng)狀碳化物逐漸減少，慢慢轉(zhuǎn)化為更加圓的碳化物，同時(shí)隨著時(shí)間的增加，從表面至1mm深度的滲層范圍內(nèi)有細(xì)小的球狀碳化物均勻析出。
4.臺(tái)架試驗(yàn)
按照OEM和以上試驗(yàn)成功的工藝進(jìn)行了小批量的生產(chǎn)并進(jìn)行裝配，然后裝變速箱進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證性能和壽命，圖5a為經(jīng)過(guò)一輪臺(tái)架試驗(yàn)共300h的檢查照片，圖5b為經(jīng)過(guò)兩輪臺(tái)架試驗(yàn)共600h的檢查照片，經(jīng)驗(yàn)證，性能和壽命全部符合試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。
（a） （b）
圖5 臺(tái)架試驗(yàn)后的照片
5.結(jié)語(yǔ)
（1）深層滲碳并獲得表層均勻的彌散碳化物是可行的，但較常用的滲碳工藝更費(fèi)時(shí)費(fèi)力。
（2）滲碳過(guò)程中的參數(shù)主要影響硬化層深度方面的控制，而表層彌散碳化物的獲得則主要靠二次加熱淬火過(guò)程的控制。
（3）為獲得均勻的碳化物并且避免出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物等有害組織，需要較長(zhǎng)的保溫時(shí)間。
作者：劉光宗
單位：西安雙特智能傳動(dòng)有限公司
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