采用稀土共渗技术解决汽车齿轮渗碳存在的问题（下）

mfkypmtg · 发表于 2011-7-12 22:15:33

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四、稀土渗碳工艺的选择
按目前生产上渗碳齿轮的模数与渗碳层深度可将其按附表所列进行分类，并根据稀土渗碳特点：提高渗速15％～30％，降低渗碳温度40～60℃，节能15％～40％，减少变形40％～60％，明显改善金相组织，大幅提高工件使用性能等，与齿轮的模数及工作条件相结合，进行统一整合，分别采用不同工艺方法进行稀土渗碳，以最终综合技术经济指标及有针对性地解决生产问题作为衡量标准，作为选择稀土渗碳工艺的依据，以获取最大技术经济效果。

按表中的推荐，结合当前汽车齿轮生产中长期存在的难题，重点推荐及解决汽车变速箱齿轮及载重汽车后桥螺旋盘齿轮传动的有关稀土渗碳的相关问题。
1．汽车变速箱齿轮传动副稀土可控渗碳试验
(1)试验目的为达到与外资和中外合资汽车制造企业出口汽车变速箱配套所需齿轮的技术标准而进行试验，试图找到解决技术难题的方法与途径。
(2)试验设备 105kW的井式及箱式渗碳炉、氧探头及碳势控制智能仪表，并应用工业计算机渗碳软件进行自动及半自动控制(碳控系统均为北京汇捷通新科技公司提供)，进行了50余炉次的试验。稀土催渗剂由哈尔滨意锋稀土应用技术开发公司提供。
(3)试验材料及齿轮的来源 20CrMnTiH及20CrMoH两种钢。试验齿轮主要为外协件及哈尔滨传动箱厂提供的少量试验齿轮。渗碳层深度要求层深1.1～1.5mm，主要考察齿轮变形、催渗效果及组织控制。
(4)稀土渗碳试验的工艺设计与外商配套存在的主要问题为：①渗碳淬火后尺寸精度大幅下降，根据我们过去在鞍山红旗拖拉机厂及青岛第二齿轮厂的实践，采用880℃渗碳减少变形的效果显著。经考察美国独资法斯特齿轮有限公司采用890℃渗碳也是为了减少畸变。②对于金相组织控制，企业一般标准为碳化物、马氏体和残留奥氏体要小于三级，内控标准为小于等于二级。金相检验控制甚为严格。结合我们自己的经验，本试验采用哈尔滨工业大学长期推广应用的880℃稀土可控渗碳，首先保证齿轮变形尽可能少，同时采用计算机控制碳势稀土渗碳，既保证有较高的渗速又要保证将金相组织控制在二级之内。

(5)试验结果和分析新型稀土催渗起到了明显催渗作用。本试验采用了880℃和920℃加稀土与不加稀土进行对比试验。例如稀土880℃渗碳，然后降温出炉淬火，不同时间取样测定渗层深度及金相硬度；然后断电降温至850℃出炉淬火。920℃稀土渗碳的过程及方法与880℃完全相同，而不同时间取样方法相同。所用渗剂为甲醇加煤油。把不同量的稀±加入到煤油中，在渗碳过程中用计算机控制整个工艺过程，最后将所测定试验结果绘制成图4的渗碳动力学曲线。由图4可知，880℃加稀土与不加稀土渗速差别较大，5h渗层不加稀土的为O．80mm，随炉样为O．95mm，加稀土的5h为1.0mm，随炉样达1.2mm，渗速提高25％左右。若与920℃不加稀土的相比，由图4动力学曲线可知，渗速相比似乎较慢，但对105kW井式炉而言，由880℃升温至920℃约需20～30min，这与装炉量有关，而由920℃降至830℃至少需1h，为此达到相似的渗碳层深度两者的工艺周期，对1.10～1.50mm层深偏下限时880℃所用工艺周期时间反而更短，偏中限时两者基本相同，节电可达20％至25％，而变形则大幅下降。对于920℃加稀土与不加稀土相比较而言，不加稀土7h层深为1.4mm，加稀土者达1.7mm，两者相比提高渗速约21％。

对于齿轮变形问题，过去我们在鞍山拖拉机厂曾对其120马力推土机变速箱M7圆柱齿轮的变形进行过研究，渗碳温度分别采用原工艺920℃，稀土渗碳温度880℃及860℃，每组5个齿轮，渗碳先后对不同部位进行了测量，然后取平均值考察齿轮尺寸变化波动情况，主要测量花键孔变形与公法线变形，渗碳淬火前后不同部位尺寸波动变化如图5所示。其中的内孔均长大，差值用+△M，μ来表示；而公法线均缩小差值用-△L来表示，由图5中可见尺寸变化的绝对值∣△M∣与∣△L∣对应于880℃及860℃两组尺寸变化基本相同，与原工艺920℃相比，均减少了约50％，效果十分明显。本次试验也利用哈尔滨传动箱厂提供的条件对轴齿的变形进行了测定，轴径约如60mm，长约360mm，一端带花键，一端带锥齿，原工艺920℃渗碳后变形较大，大多数均超差需要校直。变形主要测定需要安装轴承处的(距锥齿约10余mm处)轴的径向跳动及弯曲变形，千分表的跳动超过0.15mm时就需校直。主要考察渗碳温度对变形的影响，常规渗碳为920℃，对照组为900℃渗碳，渗碳后每组任意选择40根轴齿对其热处理弯曲变形进行了检测，并记录下径向跳动数据，最后按跳动大小排列并做成如图6所示图形进行比较。若以跳动0.15mm作为变形标准，则原工艺40根中合格18根，约占47％，而对照组900℃渗碳不合格的仅2根，约占5％。可见温度对变形的影响很大。也就是说降低渗碳温度是减少变形最有力的措施。

2．应用实例
采用880～900℃加稀土降低渗碳温度减少齿轮畸变的应用实例如下：
(1)鞍山红旗拖拉机的100～200马力推土机变速箱齿轮因渗碳淬火变形大，缺乏互换性，装配极为困难而成为企业难题。采用哈尔滨工业大学的880℃稀土低温渗碳后彻底解决了这一难题，经检测，减小变形达50％左右。
(2)吉林一汽轻型车厂早年生产小型面包车时，其后桥螺旋盘先在井式炉中920℃渗碳，然后在箱式炉中重新加热，在淬火压床上压淬，在哈尔滨工业大学的推荐下，采用860℃稀土渗碳，在改进装料吊具后实现了渗碳后直淬，取消了压淬。
(3)青岛第二齿轮厂生产中巴以下汽车前后桥总成，其后桥螺旋盘齿如上所述渗碳淬火后二次加热压淬，改进挂具后利用多用密封箱式炉采用哈尔滨工业大学提供的880℃稀土渗碳技术，实现了生产后直淬，取消了压淬。
(4)一汽变速箱分厂在连续式渗碳炉中处理同步器带齿滑套，920℃渗碳后因变形大需在转底式炉中重新加热后取出压淬，在哈尔滨工业大学帮助下采用900℃稀土渗碳，实现了渗碳后直淬，取消了压淬。
从以上实践证明，解决渗碳齿轮的畸变变形，起主要作用的是渗碳温度，这是主要矛盾的主要方面。降温渗碳后是否能达到出口产品的尺寸精度标准，还涉及矛盾的次要因素。工程技术界普遍认同如下问题必须严格控制：
一是钢材的冶金质量：淬透性带带宽控制；带状组织级别控制；夹杂级别控制。
二是锻坯及预先热处理：①粗大晶粒的产生及遗传。②正火组织的不均匀性如局部产生粒状贝氏体等，由于组织的不均匀性，易造成组织转变的先后不同而出现局部微区应力集中导致变形，故德国大众公司严格规定锻造毛坯必须严格执行等温正火工艺。
三是机加工的加工应力的产生及消除。
四是淬火液冷却特性及冷却的均匀性等。
由此可见解决齿轮变形是一个系统工程，但主要矛盾在于材料与热处理质量，这是不可否认的事实，应面对现实认真对待，找出问题加以解决。

对于金相组织控制，本次试验推荐的渗碳温度为880℃，与常规工艺920～930_℃相比，金相组织相对容易控制。因为温度低奥氏体晶粒不易长大，即使过共析区沉淀析出稀土为核心的碳化物，其长大速度很小，也不易成为高级别特征的碳化物。如前所述，欲充分发挥稀土的作用，必须采用足够高的碳势，使之成为碳化物的核心，进而沉淀析出细小弥散的碳化物，促使马氏体转变为超细马氏体及残留奥氏体，从而获得高硬度与耐磨性、高的冲击与断裂韧度及高的弯曲疲劳与接触疲劳强度。典型的金相组织见图1、图2、图7和图8。若碳势控制不当也可能没有碳化物出现，或出现碳化物、马氏体及残留奥氏体均为3～4级组织。对有碳控智能仪表及工业计算机控制的设备，建议采用多段即多台阶碳势控制，可以收到更好的结果。

另外要解决黑色组织与表面硬度低下的问题。众所周知，碳氮共渗是一种具有很多优点的工艺，因为有严重的黑色组织而没有被广泛使用。其实渗碳也存在黑色组织的问题，由于黑色组织伴生有非马氏体组织，从而使表面硬度大幅下降，使渗碳层硬度分布曲线普遍存在低头现象，导致齿轮早期磨损，这已是存在多年的难题。

图9是与外商配套的渗碳齿轮的黑色组织，因黑色组织闲扰寻求解决办法，由图9可见黑色组织相当严重，将试块截面经抛光后极轻腐蚀，即清晰可见表层有大量黑色网络存在。这种网络叫做黑网，主要由合金元素Cr被氧化析出，基体变为非马氏体，导致硬度大幅度下降。其黑网深度约在30～40μm。

其硬度分布曲线如图10所示。表面硬度仅550HV，严重影响齿轮产品的品质。研究认为黑色组织的机理是一种内氧化现象；氧原子沿晶界扩散，将晶界周围的Cr原子氧化沉淀在晶界，由于基体贫Cr在油冷时转变为非马氏体，从而成为黑色网络。根据这一形成机理，稀土渗碳时由于稀土优先在工件表面富集并择优沿钢的晶界扩散，由于与氧的亲合力远比Cr原子高得多，它将优先与氧结合，阻碍氧原子继续向内扩散，从而有助于减轻黑色组织。

为此我们对稀土渗碳试样进行了多次检验。由于晶界上也优先沉淀析出碳化物，轻腐蚀时极易出现更严重的黑网，因而只能挑选没有碳化物析出的试样，用极轻的腐蚀进行检验，结果如图11所示，黑色组织甚为轻微，黑网只能在个别地方隐约可见。硬度分布曲线见图12，表层有所下降接近59～60HRC，而有碳化物析出的试样表面硬度则高达820HV，约63～64HRC(见图12)。由此可见，渗碳中加入足够的稀土将是解决常规渗碳黑色组织的最简便有效的方法。

对生产现场实际情况各项技术的经济指标进行对比总结如下：对汽车变速箱齿轮模数M5～M8，我们推荐采用880℃稀土渗碳，无论是渗碳速度或生产周期、能耗、齿轮热后畸变、黑色组织、表面硬度和渗层金相组织与控制，以及降低成本、提高产品质量等方面均较原工艺920℃渗碳有着无可比拟的优势，尤其是减少齿轮畸变与防止热后精度大幅下降方面的作用更为显著。在生产出口变速箱与外商配套方面，找到了一种简便、实效和具有中国特色的先进工艺方法。
3．载重车后桥终端螺旋盘齿与锥齿轮传动的专用稀土渗碳工艺
(1)本传动齿轮的工作条件及破坏形式这是汽车齿轮中受力最复杂及工作条件最恶劣的一对传动。当汽车急转弯和道路崎岖不平及凸凹反差大时，除受正常的滚动摩擦外还受动态的冲击与高接触应力下的滑动摩擦。若齿轮因热处理产生变形，齿面啮合较差或因装配不当发生偏载还会产生局部应力集中，当这些不利因素在某种特定的条件下相互叠加将造成这对齿轮的早期破损。正常跑车时承受动态的周期性的滚动与滑动摩擦，承受极高磨擦磨损与疲劳粘着磨损，当启动与刹车、突然加速与停车、转弯或道路崎岖时还要承受冲击与多种疲劳磨损。尤其我国运输车辆超载严重及乡间道路路况较差，因此这对传动的寿命很低，跑车历程很短，成为车主头痛之事。
根据在制造企业的了解，这对传动齿轮的破坏形式为：①断齿尤以锥齿较多，断口分析其原因有严重超载与偏载，断口夹杂，断口呈粗晶状在扫描电镜下观察为一标准沿晶断口，具有氢脆断口特征。②疲劳剥落，其形貌有点蚀、较深的块状剥落、局部大片疲劳剥落等。③典型严重磨损与疲劳磨损，严重磨损加疲劳剥落等等。根据其受力与破损特征，其主要原因为摩擦、粘着与疲劳裂纹的萌生与扩展，或两者的复合。

(2)研究对策根据理论分析与实践证明，稀土渗碳的典型标准金相组织对上述的破坏特性具有很高的抗力。众所周知，碳化物具有很高的硬度、耐磨性及抗粘着磨损，而马氏体晶粒及残留奥氏体的超细化可使马氏体的强度与韧性特别是抗断裂的性能得到较大提高，其裂纹萌生与扩展抗力同步提高。稀土渗碳的典型标准组织(见图13)在渗碳外表面过共析区沉淀析出细小弥散颗粒状碳化物，其基体为超细隐晶马氏体与残留奥氏体，把两者的特性合理地结合复合在一起，从而使这种组织具有很高的耐磨性(包括抗粘着)与接触疲劳性能，能使齿轮的耐磨性及接触疲劳寿命与弯曲疲劳寿命均同步大幅提高。因而这是提高这类齿轮齿面承载能力与延长使用寿命既简单又有成效的方法。
(3)中大模数齿轮的稀土渗碳工艺即上述这对齿轮副的应用实例，渗层要求1.7～2.2mm，主动锥齿轮稀土渗碳后可直接淬火，而被动盘齿出炉后必须在淬火压床上压淬。渗碳可在多种渗碳炉中进行，产量很大时常在贯通式连续式渗碳炉中进行。我们曾于原哈尔滨拖拉机配件厂合作进行过稀土可控渗碳，并用于生产。实践证明，只要工艺参数凋整得当，即能获得较快的渗速又能获得典型的标准金相组织(见图13)。
(4)生产应用效果该厂主要生产8～10t载重汽车的后桥螺旋锥齿轮副与汽车总装厂配套，月产约2000套。用户反馈信息为：不加稀土的金相组织符合汽车拖拉机齿轮金相检验标准，退货率约为5％～7％，而加稀土可控渗碳后退货率下降至1％～2％。证明采用稀土可控渗碳后取得了明显的技术经济效益。
五、结语
(1)最近研制成功的有机稀土目前尚处于试用阶段，初步应用结果表明使用效果与稀土盐相当，但可溶解性优于前者，可在多种油溶性渗碳介质中溶人，而且不易产生堵塞，使用简便，价格合理。并由专业化公司独家进行生产，从而保证了产品质量与及时供应。
(2)总结过去经验与近期试验。根据当前我国汽车行业实际情况，特向同行推荐了具有舆型意义的两种稀土渗碳工艺：
其一，汽车变速箱齿轮880_℃稀土可控渗碳，目标在于减少齿轮热后产生畸变，保持较高的精度等级，为出口配套寻找具有良好综合技术经济指标的先进工艺方法。
其二，后桥末端圆锥螺旋传动副，为这种以寿命很低的齿轮副提供对策。稀土渗碳典型微观组织正好符合其受力条件与工作条件，实践证明也产生了预期效果。
(3)稀土共渗技术是我国的发明专利，在化学热处理与表面处理中有着其特殊的作用，其潜在特性远未发挥，未加以充分利用，作为发明单位自感十分遗憾。稀土在上述领域有着广大发展空间与技术市场，希望有兴趣企业界共同合作，充分利用我国宝贵资源为社会创造财富，创制新的工艺技术。
(4)坚持走市场化道路，共同开发稀土渗碳、稀土渗氮、稀土多元共渗以及稀土表面处理等市场。按市场需求共同开发新的产品，新的工艺技术，继续走创新之路。
文章关键词：齿轮

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