同步器啮合套渗碳淬火变形分析

中国一拖热处理厂 （河南洛阳 471003） 李忠亮

20CrMnTi是一种低碳合金钢，工艺性能优良，广泛用于截面小于30mm承受高速、中等或重载及受冲击载荷和摩擦的重要渗碳零件，如汽车、拖拉机中的变速箱齿轮或凸轮，以及矿山机械使用的重载齿轮等， 但往往由于渗碳淬火变形问题，零件互换性较差，影响后续整车装配。下面就我厂生产的大轮拖同步器啮合套渗碳淬火变形问题作一探讨。

1.技术要求

零件产品示意见图1，内花键参数见表1。

图1 零件示意

表1 内花键设计参数

该零件材料为20CrMnTi，技术要求：渗碳淬火，有效硬化层深0.5～0.8mm，表面硬度58～64HRC，心部硬度31～44HRC。根据齿轮厂外检对零件的变形检查要求：热火大径113.16～113.20mm为合格。该零件工艺路线：毛坯→锻造→正火→粗加工→半精加工→插内花键→渗碳、淬火→清洗、回火→喷丸→磨外圆、端面→检查、入库。该零件在新产品研制之初，为了实现在连续渗碳炉的批量化生产，“渗碳淬火有效硬化层深0.55～0.85mm”更改为“渗碳层深0.8～1.2mm”，同时渗碳淬火后就出现内花键变形、端面翘曲超差等热处理变形，根据生产统计，产品合格率不足30%。

随着大轮拖产量的不断增加和产品质量的不断提升，该零件质量已严重制约产品品质提升和产量不断增加的需求，据此将该产品满足产品符合性质量列为工艺研发改进项目。

2.变形原因分析

根据一拖的产品需要，20CrMnTi材料的啮合套类产品，在连续渗碳炉上渗碳后直接降温淬火已经较成熟。但是，我厂在进行批量化渗碳淬火加工时，连续渗碳炉的工艺控制渗碳层深为：0.8～1.2mm、1.0～1.4mm、1.1～1.6mm、1.4～1.7mm、1.8～2.2mm，也就是说工艺控制渗碳层深下限在0.8～1.2mm。按照使用要求，我厂对于大轮拖产品渗碳层深一般控制在技术要求的中上限，大轮拖同步器啮合套图样规定渗碳有效硬化层深0.55～0.85mm，我厂在连续渗碳炉生产控制的渗碳层深大于该零件的图样规定。

为便于组织生产，满足批量化要求，我厂与主机厂共同向一拖技术中心申请更改产品技术要求，将“有效硬化层深0.55～0.85mm”更改为“渗碳层深0.8～1.2mm”，在公司质量部进行随机抽查切检过程中，该零件一般渗碳层深为1.0～1.2mm，但大轮拖同步器对该零件要求精度较高，渗碳后内花键收缩变形、零件端面翘曲超差，互换性较差，严重影响装配，三装厂多次因该零件而影响装车进度。

大轮拖同步器啮合套的变形超差，已成为一个亟待解决的问题。为此，我厂成立攻关小组，期间专门到西安法士特传动器总厂调研学习，了解到法士特此类啮合套零件材料为8620H，零件工艺路线为：毛坯等温正火→粗加工→半精加工→插内花键→渗碳缓冷→转炉加热→淬火压床压淬→清洗、回火→喷丸→磨外圆、端面→入库。而一拖公司该类零件材料均为20CrMnTi，毛坯预处理只作普通正火。一般渗碳钢的淬透性好，相对渗碳淬火后变形较大。常用渗碳钢的淬透性20CrMnMo＞19CN5＞20CrMnTi＞8620H，特别是对于大轮拖同步器啮合套类零件，渗碳淬火后变形较大，因农机产品价格较低，采用价格稍贵的8620H或渗碳后压淬，成本就会增加。另外，若选择渗碳后压淬，需要重新规划投资，短时间内难以满足技术和生产的需求。针对一拖热处理厂现有工艺及设备条件，分析大轮拖同步器渗碳后变形原因。

（1）零件材料成分分析 从表2来看，该零件基本符合20CrMnTi材料标准。

表2 零件20CrMnTi化学成分（质量分数） （%）

（2）渗碳淬火工艺参数及装炉方法 我厂现用天津鼎元双排渗碳炉，工艺参数见表3。

表3 渗碳炉工艺参数

装炉方式：平装，9件/盘，将零件平放在料盘上，见图2。

图2 零件装炉方式

淬火：835℃，北京华立等温淬火油淬火。渗碳检查金相报告见表4。

表4 金相报告

针对渗碳工艺分析，渗碳温度930℃属较高的渗碳温度，淬火温度835℃也稍高于一般20CrMnTi的淬火温度。因此，零件淬火后应力较大而引起变形超差。

（3）渗碳淬火前的预备热处理选择不当 该零件的预备热处理为正火，通过日常零件进厂的毛坯切检检查，发现该零件毛坯经常出现混晶、大量索氏体、魏氏组织和带状组织超级等原材料的缺陷，这些都会使内孔变形增大。

（4）零件结构分析 该零件结构复杂，属薄壁类啮合套，很容易在渗碳淬火过程中受相变应力和热应力的影响，而出现内花键孔变形。特别是在该零件的中部还有拨挡槽，无疑给控制变形的精度带来了很大难度。

（5）机加工影响 该零件在机加工过程中，有车削加工、内孔拉花键等工序。一般热处理的变形量随机加工变形量的增大而增大。由于机加工工艺不当，如拉削速度过快，刀具磨损切削时造成的残留应力，拉削过程中基准面不平，存在铁屑异物，以及齿轮拉花键孔时出现孔方向不当等，都可能使热处理变形量增大，在后续的渗碳淬火过程中会不断地释放，且与渗碳淬火过程产生的应力非线性叠加，从而导致零件发生无规律的畸变。

（6）毛刺问题 渗碳淬火后检查，发现有部分零件内花键孔毛刺影响了综合塞规的检查。齿轮厂现对该零件大径热前尺寸控制在113.20～113.25mm，但由于机加工的毛刺未去除干净，热前测大径尺寸时误差很大。因此，若不做好热前毛刺的去除，渗碳淬火后，毛刺变的很硬且更不易去除，会最终影响零件的精度。

3.采取措施

（1）机加工应力消除 为消除零件在机加工过程中产生的应力，采用渗碳前加一道高温回火的处理工序。高温回火工艺参数：井式回火炉，25件/炉，580℃加热，保温4h，出炉空冷。

进行工艺试验，取50件零件（其中25件作高温回火处理，25件未作高温回火处理）进行对比试验，双排连续渗碳炉渗碳淬火，随0.8～1.2mm渗碳层深零件搭装。试验数据见表5。

表5 测量数据对比 （mm）

从以上数据来看，零件渗碳淬火前进行高温回火处理有利于控制零件变形。渗碳淬火后，经高温回火处理的零件端面翘曲明显小于未作高温回火处理的零件，25件中仅有4件端面翘曲＞0.10mm，占16%。未经高温回火的25件零件中有10件端面翘曲＞0.10mm，占40%，且变形量较大。虽然本批50件在渗碳淬火后用相配件检查，全部能通过相配件，但未经高温回火处理的零件手感有些紧。按检验标准及实际生产控制，大径尺寸φ113.0mm，从试验数据上分析可知，零件作高温回火处理对于大径尺寸有一定影响，但差别不明显。若通过试验解决该零件端面翘曲、内花键变形问题，可以说是用最低的成本解决了现场生产难题。为此我厂技术人员按此工艺方案进行了一次重复试验，结果如下：①50件零件相配件检查均不能通过。②端面翘曲基本合格，但零件圆度较大（0.15mm左右），大径φ112.90mm左右。可见，单靠对该类啮合套作高温回火处理虽然可以减小机加工的残留应力，但不能完全解决啮合套类零件的综合变形问题。

（2）对零件毛坯作等温正火预处理，提高组织均匀性 据相关文献介绍，由于该零件锻造毛坯的预备热处理，不仅对切削加工性能有极大的影响，而且对最终渗碳淬火变形影响较大。为了消除锻造应力，使组织均匀化，目前国内对20CrMnTi齿坯普遍采用正火处理。但大轮拖同步器啮合套加工复杂，精度要求高，相对热处理质量要高，显然，普通正火已不能满足该零件的预备热处理要求。为提高机加工精度，毛坯的正火处理不仅要求硬度在一个较窄的范围之内（钢件切削时易断削、表面光洁），而且要求获得稳定的显微组织（较细的铁素体+较细的珠光体），以改善切削加工性能及稳定渗碳淬火后的变形规律。对于20CrMnTi材质的啮合套进行大批量渗碳淬火的生产，我厂外委进行毛坯等温正火处理。等温正火工艺要点：等温正火线930℃×2h、650℃×3h，正火组织≤2级，硬度160～180HBS。经金相试验室对等温正火后的毛坯检验，硬度、金相组织均符合工艺要求，齿轮厂也反映毛坯等温正火后，切削加工性能明显提高，在产量提高的情况下，刀具损耗也降低了1/3，且提高了零件的加工精度，降低了废品率。

（3）工艺和技术要求调整 在对该零件毛坯进行等温正火处理后，我厂技术人员从工艺上和技术要求上进行调整。按照产品图要求，零件有效硬化层深控制在0.55～0.85mm。工艺调整前、后双排连续渗碳线的主要工艺参数对比见表6。

表6 渗碳炉工艺参数

工艺上降低渗碳温度和渗碳碳势，因渗碳温度影响奥氏体晶粒度，降低渗碳温度，减小奥氏体长大的倾向，从而减少相变应力和热应力，有利于控制内花键的淬火畸变。降低碳势，可防止渗碳后表面形成碳化物，使淬火组织优化，减小淬火变形。另外，通过对连续渗碳线四区温度的调整，保证零件在渗碳淬火后，扩散阶段后期很容易达到温度均匀，从而有利于做到渗碳后预冷温度一致性，从而能够减少渗碳淬火变形。

按照上述试验方法，本批次零件渗碳检查金相报告见表7。

表7 金相报告

由表7可见，本批次满足渗碳技术要求，为检查变形情况，从渗碳淬火前零件随机各抽50件，进行测量对比，部分试验检测数据见表8。

表8 测量数据 （mm）

工艺试验一：共68件，其中合格62件，不合格6件。合格率91.1%，相配件检查能顺利通过。

工艺试验二：共242件，其中合格232件，不合格10件，且有1件内花键收缩变形超差不合格，合格率95.9%。相配件检查能通过。

综上所述，本批试验共生产310件（包括工艺试验一、工艺试验二两套方案），其中1件内花键收缩变形孔超差不合格，15件端面翘曲≥0.11mm，零件圆度均≤0.10mm，合格率94.8%。

对比原工艺（普通正火处理），在现场随机抽取测量50件未等温正火的零件，渗碳淬火后大径尺寸均＜φ113mm，用相配件检查仅有14件能通过，合格率只有28%。

由此可见：①预备热处理为等温正火的零件，渗碳淬火后其变形统计数据的分布比较合理，概率密度曲线近似正态分布。②采取合理的渗碳工艺，有利于保证薄壁复杂类零件在连续渗碳炉的渗碳淬火变形。

另外，将各批次试验零件送试验室切检，金相检测报告见表9。

表9 三种工艺试验金相对比

从报告来看，本批零件降低了有效硬化层深度，渗碳淬火后零件表面的碳化物级别和残留奥氏体级别≤3级，达到了预期的效果。

4.结果分析

通过比较分析和工艺试验，可从以下几个方面对内花键孔零件的渗碳淬火变形进行控制：

（1）严格控制毛坯的正火金相组织，保证带状组织≤3级。

（2）增加零件毛坯的等温正火工序，可消除或改善锻造毛坯组织缺陷，使渗碳淬火过程中奥氏体化均匀，有利于渗碳淬火变形的控制。

（3）增加零件渗碳前去应力回火工序，消除机加工内应力，有利于控制零件渗碳淬火变形。

（4）有效地控制零件的渗碳有效硬化层深度，有利于渗碳淬火变形的控制。

（5）合理的装炉方式，能够保证渗碳淬火的变形量最小。

（6）加强对渗碳前零件热前尺寸检查，尽量去除内花键孔内毛刺，消除机加工的不利影响。