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变速箱齿套碳氮共渗及压淬工艺关键技术 方和杰( 南京名爵汽车有限公司动力总成公司，江苏南京2 1 0 0 6 1 ) K e yt e c h n o lo g y0 fc a r b o I lit r id in ga n dp r e s sq u e n c llin gp r o c e s s e so fs p e e d c h a n g eb o xg e a rs le e V e F A N GH e j ie ( P o w e r t r a inC o m p a n y ，N a n j in gM GM o t o rC o ，L t d ，N a n j in gJ ia r lg s u2 1 0 0 6 1 ，C h in a ) 中图分类号：T G l6 2 7 文献标识码：B 文章编号：0 2 5 4 - 砷5 1 ( 2 加8 ) 0 7 枷8 2 0 3 为解决P a H 0 1 5 S ie n a l5 轿车变速箱3 种同步 器齿套热处理畸变难题，满足较高的尺寸精度和强 度要求，经过长期的探索和实践，先后采用过直接淬 火、穿芯棒淬火、真空渗碳高压气淬、穿芯轴回火等 多种方法，合格率一直在4 0 6 0 之间，均不太理 想，为此我厂于2 0 0 1 年底引进了一条由A ic h e lin 转 底炉、H e e s s 淬火压床、M E T R E L 齿套综合检查机等 组成的碳氮共渗、压淬、清洗、回火、综合检测自动生 产线。设备使用6 年来，不断对工艺进行了优化和 完善，使3 种齿套在碳氮共渗、压淬、回火后，既能保 证硬度和金相组织，也能保证理想的尺寸和较高的 几何精度。 1 齿套材料和技术要求 零件名称：汽车一、二档齿套，三、四档齿套，五档 齿套；材料：1 9 M n C l5 G 钢( n A T5 2 4 2 3 ) ，主要化学成 分( 质量分数，) 为o 1 5 O 2 1 c 、1 0 0 1 3 0 M n 、 0 8 0 一1 1 0 C r 、0 1 5 0 3 5 S i、 0 2 0 C u 、0 0 2 0 0 4 S 、 0 0 3 5 P 、0 0 2 0 0 5 舢。齿套生产工艺流程 为锻件_ 车加工_ 内外齿形加工一碳氮共渗_ 压淬_ 清洗一尺寸检查_ + 强力喷丸。锻件等温退火硬度1 6 0 1 9 0H B 。要求3 种齿套碳氮共渗后的有效硬化层 深度0 4 0 6m m 处的硬度为5 2 5H V ，表面硬度6 9 0 7 9 0H V ，心部硬度3 6 0 4 7 0H V 。 3 种齿套热处理后的尺寸要求见表1 所示。图1 为一、二档齿套的形状及尺寸要求。 表13 种齿套热处理后尺寸 T 咖k1 - I l呛d im 蛐s i佃o ft h r g 朗rs l唧馏a lt e rh e a t h 惯t ln 蚰t 图1 一档、二档齿套热处理后尺寸要求 F ig 1 D im e n s io nd e m 肌do f6 r s ta n ds e c o n dg e a rs le e V e a f t e rh e a tn e a t f n e n t 2 3 种齿套碳氮共渗和压淬工艺的优化 根据F I A T5 2 1 0 1 o l齿轮钢渗碳和碳氮共渗标 准，齿轮件碳氮共渗后表面碳、氮含量应满足：o 7 O 9 C 、0 2 5 0 5 N 。 目前我厂碳氮共渗设备是一台进口的5 层装料的 转底炉，采用氮- 甲醇气氛。为使齿套碳氮共渗后获得 较高的表面硬度、较好的心部硬度、理想的金相组织、 均匀的有效硬化层深度，多年来，我厂反复对碳势、氨 气量、温度、时间等碳氮共渗主要工艺参数进行了一系 列的优化。为在淬火、回火后，工件表层能得到强度、 硬度、韧性的最佳配合，以及较高的压应力和最小的变 形量，从而保证齿轮件碳氮共渗后具有较高的接触疲 劳强度、弯曲疲劳强度和良好的耐磨性能，这些性能均 取决于齿轮件碳氮共渗后表面碳、氮含量及浓度梯度、 有效硬化层深度和淬火、回火组织。 2 1 齿套碳氮共渗工艺优化 针对转底炉设备的特点，合理优化了工艺参数，见 图2 。 芷 世 蹦 作者简介：方和杰( 1 9 6 4 ) ，男，江苏南京人，研究员级高级工 时f 司m j n 程师，现为南京名爵汽车有限公司动力总成公司总经理助理， 图2 一、二档齿套碳氮共渗优化工艺曲线 热处理主任师，已发表论文3 篇。联系电话：1 3 9 5 1 9 6 7 8 3 9 ，0 2 5 F ig 21 1 le 删0 1 1 a lc a r l) 0 n i翻d in gp r o c e s sf o rl2s p e e d 5 8 8 9 7 7 2 0 ，0 2 5 - 5 8 8 9 7 7 0 4 ( F a x )E m a il：缸lg I le j ie I I lg 1 2 6 c 锄 s lid es le e v 收稿日期：2 0 0 7 1 2 _ 2 8 8 2 金属热处理2 0 0 8 年第3 3 卷第7 期 ( 1 ) 采用高碳势低氮势的碳氮共渗气氛，碳势不 能设定太高，否则在炉内和工件表面上将沉积大量的 炭黑。在工件的表层极易形成粗大的碳氮化合物和过 量的残留奥氏体；当然碳势过低，也会造成工件共渗时 间过长、产品质量达不到技术要求。经过工艺试验，选 择炉内气氛的碳势为1 o C 较佳。 ( 2 ) 避免碳氮共渗后工件表面的残留奥氏体量过 多。根据以下公式 计算M s 点的温度： M s = 4 9 9 3 0 0 加( C ) 一2 5 0 埘( N ) 一3 3 埘( M n ) 一2 2 埘( C r ) 一1 7 加( N i) 一1 l叫( S i) 一1 1 加( M o ) 显然碳和氮都是强烈降低马氏体点的元素，随 着渗层中N 和c 含量的增加，残留奥氏体量就会增 多。经过大量试验证实，氨气量过多，表层的残留奥 氏体量就会明显增多，马氏体也较为粗大，造成工件 渗层硬度降低，耐磨性能下降，工件容易产生磨削裂 纹，而且渗后尺寸不稳定，甚至工件表面还容易出现 黑色组织，明显降低碳氮共渗件的表面硬度、接触疲 劳强度和弯曲疲劳强度，严重影响产品的使用寿命。 经过多次工艺验证后，选择氨气流量为2 0L h 较为 合适。 ( 3 ) 齿套是壁薄而直径较大的零件，要考虑从 齿套出炉到在淬火压床上压淬，机械手输送齿套花 费的时间所造成零件的降温。经过试验，选择共渗 温度和出炉温度为8 7 0 。较为合适，淬火介质选择快 速淬火油为宜。这样齿套的表面硬度、心部硬度都 得到了保证。 ( 4 ) 当气氛中温度、碳势、氨气量已确定，根据公 式( 并) 2 = K PJ ，有效硬化层深度与共渗时间成正 比，转底炉进出料的节拍可折算成时间，在设备各种工 艺参数必须可靠、稳定、一致的前提下，通过工艺试验， 即可得出最佳的碳氮共渗时间和设备机械手进出料的 节拍。 ( 5 ) 技术要求有效硬化层深度0 4 0 6m m ( 5 2 5 H V ) ，公差只有0 1 0m m ，对于批量生产来说是有难 度的，但是只要定期对转底炉有关传感器和控制仪表 进行标定和校对，可保证炉内实际碳势控制精度 0 0 5 c ，炉内实际温度控制精度5 。若平时加强 生产过程的质量控制和设备的预防性维修，有效硬化 层深度0 4 0 6m m ( 5 2 5H V ) 的技术要求是能保证 的。 我厂经6 年生产，产品质量一直非常稳定，表2 是 3 种齿套热处理后的表面硬度、心部硬度及金相组织 实际测量结果，完全满足技术要求。从表面至心部的 硬度梯度分布也较为理想，特别是对于一、二档齿套， 心部硬度也得到了可靠保证。工件表层组织为：极少 量的呈细小弥散分布碳氮化合物、隐针状的马氏体和 少量残留奥氏体，金相组织控制较好。这说明3 种齿 套热处理的质量是比较高的旧J 。 表23 种齿套热处理后的硬度及金相组织测结果 I h b le2T h em e a s u n 朗n e n tr e s u I t so fh a r d n e s sa n dm ic r o s t n lc t I I r eo ft h r e ek in t bs n d es le e v e sa f 钯rh e a th t n le n t 注：、二档齿套的心邵硬度为3 6 0 4 6 0 H V 。 2 2 3 种齿套压力淬火模具 众所周知，变速箱同步器齿套是一种具有内外渐 开线齿形、直径大、壁薄的零件，热处理后其变形精度 非常难控制，多年来的实际证明，采用模具限形压力淬 火是目前所有工艺中最有效的方法。 为达到表1 要求的齿套碳氮共渗后的尺寸技术要 求，套模具除上下模的基本尺寸和精度要求外，压淬 芯轴尺寸和精度是最为关键的。根据渗前齿套小径实 际尺寸、拉刀修磨结果、材料炉号变化，经过长期摸索， 确定了压淬芯轴的最佳外径尺寸和精度，见图3 和表 3 。经过一段时间的生产，这些外径尺寸会发生变化， 需重新计量和制造，以保证压淬过程质量的稳定性。 图3 一、二档齿套压淬模具示意图 F ig 3 7 r h es k e t c hd r a wo ft h ep r e s sq u e n c h in gd i髓f o r 1 2s lid es le e v e 7 年多来，使用上述模具生产3 种齿套产品合计 超过4 5 万件，使用从意大利进口的M E T 砌况齿套综 金属热处理2 0 0 8 年第3 3 卷第7 期 8 3 合检查仪，按表l对齿套尺寸要求，对碳氮共渗、压淬、 回火后的齿套进行1 0 0 检查，一次合格率9 9 9 。 说明目前采用的优化工艺和装备非常可靠。 表33 种齿套压淬芯轴最佳外径尺寸精度 T a b le 3T h eb e s td iI l硷璐io 璐p r e c is io 吣o fp r e 鲻q lI 蛐c 蛐呜 s p 抽d lef o rt h et h r e es lj d es J e e V 嚣 3 压淬自动线设备关键技术分析 3 1 主要设备的工艺特点 表4 为齿套压淬生产线设备及工艺特点。 表4 压淬生产线主要设备特点 T a b I e 4T h ek e ye q u ip I n e n t so ft h ep r e s sq u e n c I lin g p r o d u c t io nlin e 3 2 转底炉关键技术分析 ( 1 ) 转底炉的炉门是水冷金属密封，炉门有保温 层，整个炉门框架为钢结构，具有可拆卸特点。炉门的 最大特点是上下可以滑动，采用丝杆传动，马达驱动， 在炉外5 层位置有限位开关，滑动炉门在每层都能做 到精确定位，保证机械手进出料。 ( 2 ) 转底炉的炉底装有耐热钢导轨、支撑架及固 定装置。炉底上支架也是耐热钢铸件。支架共有5 层，每层有3 0 个工位，有效2 8 个工位，合计有1 5 0 个 工位，实际有1 4 1 个料盘，每个料盘放两个齿套，装炉 量为2 8 2 个齿套。 3 3 淬火压床工艺特点分析 H E E s s 淬火压床型号为H P - 2 ，它能满足外径在 7 0 1 3 5m m 范围内各种齿套的压淬，机床升降机构装 有可更换夹爪的取料装置；升降机构能自动将热工件 套到芯轴上，同时将淬火后工件送到后冷却槽，并将后 冷却槽内工件送到出料位置；机床出料部位装有后传 送带，并能自动分检压淬不合格的齿套；淬火压床装有 双工位的齿套压淬芯轴自动卸料拔模装置；设备下部 为油槽，装有淬火油循环装置和流量独立调整控制系 统，采用电加热、水冷却方式控制淬火油油温；设备上 部装有排放油烟的气扇；机床P L c 控制系统包括在整 条线的控制系统内，在西门子O P - 3 7 型显示屏上操作。 4 结语 ( 1 ) 对薄壁件齿套采用转底炉，在8 7 0 进行碳 氮共渗，然后出炉直接进行压淬。实践证明，只要优化 好温度、碳势、氨气、时间等工艺参数，确实能达到较好 的表面硬度、心部硬度和金相组织结果。 ( 2 ) 碳氮共渗工艺参数中，氨气加入量的多少，对 表层金相组织中残留奥氏体级别、马氏体级别有明显 的影响，氨气量过多，就会造成残留奥氏体级别、马氏 体级别较高，甚至工件表面出现黑色组织，严重影响产 品的使用寿命。所以要严格控制氨气的加入量，最大 限度地减少碳氮共渗的残留奥氏体量。 ( 3 ) 为确保变速箱同步器齿套碳氮共渗淬火后达 到理想的尺寸和较高的几何精度，采用压淬工艺和设 备是目前其它工艺和设备所不能替代的最理想手段。 虽然设备投资较大、工艺复杂，由于实现了大批量连续 生产，并且压淬后尺寸控制精度一致性较高，压淬一次 合格率9 9 9 。作者认为在今后，随着轿车变速器 齿轮生产的规模扩大，工厂对热处理部门控制零件变 形要求愈来愈高，对于生产类似齿套、被动盆齿轮的零 件，为提高产品质量，减少因热处理畸变造成的废品， 应尽量采用机械模具限形的压力淬火工艺和装备。 ( 4 ) 南亚变速箱厂引进的爱协林转底炉、H E E s S 压床，实现了上料，碳氮共渗，压淬，清洗， 回火的自动连续化生产，彻底改变了过去齿套压淬单 件生产劳动强度大、工作效率低、废品率高的状况，目 前生产能力为每小时9 0 件齿套。 ( 5 ) 目前南亚厂采用压