变速器输入轴渗碳淬火后变形原因分析

白小松 张志强

摘 要：某厂家变速器输入轴在渗碳淬火热处理后发生变形，经与另一厂家同一型号输入轴进行比对试验，采用金相检验、硬度测试等方法对输入轴变形原因进行了分析。结果表明：该厂家所供毛坯件碳含量和Si、Cr、Mn四种元素含量偏高，造成钢件淬透性偏强极易造成轴类钢件热处理后产生扭曲变形。

关键词：变速器；输入轴；渗碳；淬火；变形

1失效情况

（1） 变速器输入轴材料为20CrMnTiH，表面渗碳淬火。热处理所用毛坯件由A厂家和B厂家两家供应商供料。生产中发现A厂家所供毛坯件渗碳淬火后变形，跳动异常，跳动值大于0.5mm以上零件约10%，个别零部件跳动值达到1mm。B厂家所供毛坯件无此类问题。

（2） 毛坯件加工工艺：中频加热；横轧；热效；正火；抛丸。

（3） 输入轴成品加工工艺：粗车；精车；滚齿；渗碳淬火。

（4） 通过对不同工序的零件变形量进行检测证明，变形发生在最后的渗碳淬火工序。

2检测

2.1 化学成分

对两厂家提供的成品输入轴进行化学成分检测[1]，化学成分均满足要求（结果见表1），但是A厂家生产的毛坯件C含量，及Si、Cr、Mn含量均明显高于B厂家（结果见图1）。

2.2 毛坯件检测

取A厂家与B厂家各1个输入轴毛坯件进行金相检测[2]与维氏硬度检测[3]，结果表明两个厂家的毛坯件金相组织均为铁素体加珠光体（检测结果见图2），但A厂家生产的毛坯件硬度略高于B廠家生产的毛坯件（检测结果见表2）。

2.2.1 金相组织

2.2.2 硬度

2.3 淬火件检测

取A厂家与B厂家各2个不同直径淬火后输入轴，进行金相检测[2]与洛氏硬度检测[4]。金相结果显示两厂家产品热处理后渗碳层组织为马氏体加残余奥氏体，差异较小（结果见图3），心部组织为板条状马氏体加残余奥氏体。A厂家的毛坯件热处理后心部的马氏体转变率明显高于B厂家（结果见图4）。对输入轴心部进行洛氏硬度检测，两个厂家的样品均达到了标准对心部硬度的要求HRC21（结果见表2），但A厂家生产的毛坯件渗碳淬火后心部硬度明显高于B厂家，淬透性较强（结果见图5）。

2.3.1 金相组织

2.3.2 硬度

3 失效分析

3.1 失效原因分析

3.1.1 化学成分对钢材淬透性的影响

对两家毛坯件淬火后的心部硬度进行检测发现，A厂家提供的毛坯件淬火后心部硬度远大于B厂家。表明A厂家生产的毛坯件淬透性远大于B厂家。

已知，除钴以外大多数合金元素溶入奥氏体后均使过冷奥氏体等温转变曲线右移，从而提高钢的淬透性。从化学成分的试验结果来看，两家生产的毛坯件化学成分均在标准要求之内，但是A厂家生产的毛坯件C、Si、Cr、Mn四种元素的含量均高于B厂家。A厂家生产的毛坯件硬度也略高于B厂家。

3.1.2 钢材淬透性对热处理工艺的影响

钢件经奥氏体化后淬火冷却时，表层冷却速度较快，优先发生马氏体转变，而马氏体的比体积比奥氏体大，故表层产生膨胀。对于淬透性较高的钢材，马氏体转变更充分，变形中产生扭曲变形的几率也就更大[5]。

3.2 失效过程重建

综上所述，A厂家所供毛坯件碳含量和合金元素含量偏高，造成钢件淬透性偏强极易造成轴类钢件热处理后产生扭曲变形。失效过程重建，如下：

4 改进建议

（1） 在保证技术要求的前提下，调整毛坯件化学成分，降低毛坯件的淬透性，降低零件热处理后的变形量。

（2） 对于淬透性较强的钢件，采用冷却较缓和的淬火介质，可以降低淬火后的变形量，降低淬火扭曲变形的风险。

（3） 长轴类热处理件在加热及淬火时应保持垂直吊挂状态，保证处于自由状态，减少约束，可有效避免变形。

参考文献

[1] GB/T 3077-1999 合金结构钢[S]

[2] GB/T 13298-1991 金属显微组织检验方法[S]

[3] GB/T 4340.1-1999金属维氏硬度试验 第1部分试验方法[S]

[4] GB/T 230.1-2009金属材料洛氏硬度试验 试验方法[S]

[5] 汪庆华 热处理工程指南[M] 北京：机械工业初版 2011.8