齿轮真空渗碳热处理变形控制探析

第2期汽齿科技2015正齿轮真空渗碳热处理变形控制探析楚大锋摘要大齿轮结构的不对称性严重影响其热处理变形。自动变速器主减速从动齿轮采用ECM低压真空渗碳、高压氮气直接淬火，并不断优化热处理装架工装设计，可以得到优良的大齿轮平面度。实验发现，平放装架方式不能有效控制变形，热后平面度一致性较差；改进装架方式，采用H型料棒挂放方式，并不断改进料棒的宽度、凹槽深度、壁厚等参数，可以提高零件平面度且稳定性较好，同时零件形变合格率也得到了提高。关键词主减速齿轮；真空热处理；渗碳热变形1月LJ吾常规可控气体渗碳淬火热处理会产生内氧化、非马氏体组织；低压真空渗碳、高压氮气淬火技术可以解决以上问题，因为零件在热处理过程中，一直处于真空状态下，不存在氧气氛，因此不会产生内氧化、表面非马氏体等缺陷组织，提高了零件的使用寿命。高温低压真空渗碳技术还具有零件表面活性高，渗碳速度快，工期短，节能环保，不排放有毒、有害物质等优点。对于盘类齿轮零件渗碳淬火热处理，选用合适的热处理料架至关重要。一般，装架方式遵循重心最低原则。结构不对称性使大齿轮零件在热处理过程中形变不一致，这也是控制热变形的难点。真空炉采用低压渗碳和高压气体淬火技术相结合，可以有效减小热处理变形，且一致性较好。实验所用变速器主减速齿轮采用法国ECM低压真空生产线型号为ICBP900T6进行试制生产工作。2原材料及热处理技术要求实验所用零件材料为SAE5120HM，其化学成分、基本信息及热处理后主要技术要求见表1。零件形貌如图1所示，从其AA剖面图可以看出，该零件直径较大，左右两侧不对称。表1齿轮主要参数汇总主要合金元素含量百分比MNCRSIO81408130104零件主要尺寸齿顶圆直径MM内孔直径MM零件重量KG2245212465302热处理主要技术要求表面硬度HR30N芯部硬度HRA有效硬化层深度MM75582665735L3HV1080115L8汽齿科技2015钲表3热处理后大端面平面度测量结果及分布比例统计005O12MM5012MM5010MMO10MM012MM工装总数件所占LN所占比例各平面度分布区间零件数量件平装L001091OO01000串棒120374670OO500O串棒210152280006000串棒319611188897778串棒3262142691379036613串棒336219298690327772串棒3462L0415690238226串棒356215375591948387412串装实验鉴于平装试制结果并根据以往的生产经验，实验改为H型料棒串挂的装架方式。实验过程采用3种串棒的装架方式，串棒如图2所示，相关参数见表4。采用此种装架方式，需要应对零件结构不对称这个难题。因为零件两侧不对称，所以在热处理淬火过程中，可能发生倾斜，导致畸变。齿轮串装方式如图1所示。厂厂厂_。二“删JLTE三三三RJ三三N几NF_1N图2串棒示意图表43种串棒相关参数汇总串棒相关参数串棒1串棒2串棒3每根串棒装零件数件988串棒宽度MM705070凹槽深度MM2088壁厚MM1088对采用不同规格串棒生产的零件进行热后测量，分析结果如下1串棒1，料棒较为笨重，每根串棒装9件零件，共计27KG左右，装架难度大；零件圆心距串棒支撑点约52I11，零件摆放如图3A所示。零件出热后进行平面度测量，测量结果基本在008023IILLI1范围内，O12LNL1的零件占总数的70，实验结果见表3。2串棒2，为增大零件之间的间隙，降低装架难度，串棒2每根所装零件数改为8件；减小凹槽深度，零件晃动时不会被卡得过紧，有利于变形；零件圆心到支撑点的距离增大至571,NLLL，零件摆放如图3B所示。该零件下端较大，在晃动时易发生碰撞。零件出热后进行平第2期楚大锋齿轮真空渗碳热处理变形控制探析L9面度测量，测量结果基本都在005020TNRN范围内，012MILL的零件占总数的80，实验结果见表3。热变形情况稳定性较串棒1有了小幅提升。C串棒3，增大串棒宽度，零件圆心距串棒支撑点为52ITIITI，零件摆放如图3C所示。零件出热后平面度测量结果见表3串棒31，测量结果基本在003021MM范围内，012N2T1的零件占总数的88左右。用此方式进行了多炉的满炉试制实验，实验结果见表4，串棒3235，合格率基本稳定在8092之间，平均值为8786。一一一1下，；A齿轮装于串棒1。JI10一一FB齿轮装于串棒2C齿轮装于串棒3图3用串棒串装主减速齿轮从图4零件热处理后平面度测量统计曲线可见，随着装架方式的改变，零件的合格率逐渐提高。串棒3多炉实验表明，零件的合格率较之前有所提高，整体比较稳定，但发现其合格率有轻微波动，这与多种因素有关。如果以测量结果010RLQLTL作为检测标准，则合格率在7080之间。辞100丑忙平装串棒1串棒2串棒3一L串棒32串棒33串棒34串棒3装架工装H图4热后零件平面度测量统计曲线42结果分析实验所用变速器主减速从动齿轮，大且重，采用直淬方式控制其变形是一大难点，平放易造成畸变；串装挂放，有可能因其自重而造成变形。由于零件左右两侧不对称，导致热处理变形时两侧变形不一致，对变形控制不利。图5为两种零件串挂示意图，当零件左右对称时，虽然零件两侧均有下垂的趋势，但其左右形变一致，零件平面度略好；当零件左右不对称时，右侧的变形量明显大于左侧，发生20汽齿科技2015定倾斜趋势，零件平面度较难控制。由于零件内孔两侧倒角情况不同，串装晃动时与料棒凹槽接触情形也有所不同。A对称型齿轮串装形变示意CO不对称型齿轮串装形变示意图5热后零件变形情况从表4中3种串棒参数可见1串棒1，宽度较好，零件重心低，零件摆动较好。但由于串棒凹槽较深，零件被卡得过紧，在清洗及淬火过程中，零件被过分束缚，不利于变形控制，又由于串棒偏重，不利于齿轮装架及拆架。F2串棒2，凹槽深度减小，零件不会因为凹槽过深而被卡得过紧。但是由于串棒宽度较窄，零件下端过大，摆动严重，零件彼此会发生碰撞，不利于变形控制。3串棒3，兼具串棒1和串棒2的优点，凹槽不会对零件造成过多束缚，串棒下端的重量适当地分摊到上方，零件重心最低，有利于变形控制。实验表明串棒3的平面度合格率明显提高。5结论1采用真空渗碳高压气体直淬热处理，主减速齿轮平放装架不能有效控制形变，热后零件平面度一致性较差。2采用H型料棒挂放，并不断优化料棒的宽度、凹槽深度、壁厚等参数，可以显著提高零件大断面平面度且稳定性较好。3装架工装优化后，主减速齿轮大端面平面度在012RNLTL以内的比例提高至90左右。6展望模压淬火是减小淬火变形的有效手段，在汽车零件热处理中应用较为普遍4。为进一步提高主减速零件平面度的合格率，计划尝试新的热处理方法。即采用低压真空渗碳缓冷F34BAR压力下N冷却，再经转底炉奥氏体化一定C势气氛下加热保温，进行模压淬火，最后通过压模和芯轴来保证零件的平面度、圆度及内孔尺寸。参考文献1】马森林，高文栋，沈玉明ECM低压真空渗碳技术应用研究与探讨J汽车工艺