淬火油冷却对齿轮零件质量的影响

付占虎，赵 宁

(西安法士特汽车传动有限公司，陕西西安 710075)

1 概述

目前，汽车齿轮的一般生产过程为锻造→等温正火→机械切削加工→渗碳淬火→磨削→成品。其中，渗碳淬火是比较重要的工序，淬火的目的是提高钢的硬度和耐磨性，从而使加工部件获得优异的机械性能[1]。淬火工艺具体是将钢加热到临界点Ac3或Accm以上某一温度，保持一定时间后，再以适当速度冷却，以获得马氏体或贝氏体组织的一种热处理工艺。

淬火介质直接影响淬火工艺的好坏，间接地影响着加工工件的机械性能。最初淬火介质为水，随后发展为水溶液、矿物油及其它介质。矿物油为目前广泛使用的淬火介质，属于缓和型的淬火介质，其淬火冷却过程分为3个阶段：1）蒸汽膜阶段。在工件温度较高时，围绕工件形成一层蒸汽膜，阻止了流体与工件表面的进一步接触，降低了冷却速度。因此，该段的冷却速度较慢。2）沸腾阶段。随着工件表面温度的下降，蒸汽膜破裂，使得流体继续接触工件表面，受热沸腾，从而获得最大的冷却速度。3）对流阶段。当工件温度低于液体沸点时，仅靠对流冷却，冷却速度又减慢[2]。

2 实例

以某公司在渗碳淬火过程中的几例汽车齿轮零件实例为研究对象，分别从淬火油冷却对齿轮零件表面硬度、渗碳硬化层深、金相组织等方面进行分析与研究。该公司使用的淬火油主要为好富顿公司生产的G油、355油、K2000油等，冷却方式为油和水冷热交换齿轮淬火对流，同时实现了实时在线记录淬火油冷却曲线。

2.1 装炉超量对零件表面硬度的影响

某片齿轮零件材质为20MnCr5H材料，淬火油使用好富顿公司的G油，其正常淬火油温为80℃。该批零件采用ICHELIN（爱协林）厢式多用炉生产，备料方式为串放（如图1所示）。按工艺文件规定，要求每次装炉量为每串3件，每盘12串，共36件。但是在一次实际生产中，装炉人员违反工艺规定，超量备料，实际装炉量为每串5件，共60件，装炉量超出工艺文件要求数量的2/3。此炉零件淬火时，油温最高上升到132℃，超出正常值且冷却时间较长。淬火油冷却曲线如图2所示。

图1 片齿轮零件备料方式示意

图2 淬火油冷却曲线

该批零件经过回火后，检测表面硬度为56～57 HRC，低于要求值58～63 HRC。而此前正常装炉量时，零件表面硬度平均值在60～61 HRC。

2.2 过滤网堵塞严重对零件金相组织的影响

某片齿轮零件材质为20MnCr5H材料，淬火油使用好富顿K2000油，其正常淬火油温50℃。在正常实际生产中，一般淬火时油温最高上升到75～80℃，贝氏体级别可以控制在1～2级。但是在一次生产时，由于淬火油的过滤网堵塞严重，导致淬火油冷却不佳，温度最高上升到94℃左右，且冷却较慢。正常、异常淬火油冷却曲线如图3、图4所示。淬火油滤网堵塞情况如图5所示。

图3 正常淬火油冷却曲线

图4 异常淬火油冷却曲线

图5 淬火油过滤网堵塞情况

该批零件出炉后，检查金相组织时，发现贝氏体级别为4级，不符合要求。

2.3 油水热交换器堵塞对零件硬化层深等的影响

某厢式多用炉由于油水热交换器堵塞，淬火油冷却慢，冷却时间大于3 h。相同零件，正常、异常炉次油冷却曲线，如图6、图7所示。相同零件正常炉次、异常炉次数值对比，见表1所示。

图6 正常炉次淬火油冷却曲线

图7 异常炉次淬火油冷却曲线

表1 相同零件正常炉次、异常炉次数值对比情况

由表1可知，同样的零件，采用相同的热处理渗碳工艺，由于油水热交换器堵塞，导致零件的硬化层深、硬度梯度、心部硬度数值较低。

3 结语

本文以某公司在渗碳淬火过程中的几例汽车齿轮零件实例为研究对象，分别从装炉超量、淬火油冷却不佳，影响零件表面硬度；过滤网堵塞严重、淬火油冷却不佳，导致零件贝氏体级别超标；油水热交换器堵塞、淬火油冷却不佳，导致零件硬化层深等数值较低等3个方面进行研究。由此可见，淬火油的冷却能力、冷却过程对产品质量有较大的影响。关键是在于过程控制，其过程控制表现在以下方面：1）认真执行工艺规程，确定淬火油合理的使用温度，确保合理的装炉量，确保油温上升不超过要求值[3]。2）认真执行设备保养，定期清理水路和油路的过滤网，对淬火油定期进行过滤。3）建立设备淬火油管理制度和监控台帐，定期抽取淬火油进行理化检测，确保淬火油性能满足要求。当淬火油冷却性能下降时，可以适当加入淬火油添加剂来改善性能，当淬火油性能已经下降严重，应整炉更换淬火油。4）当较长时间停炉时，特别是对生产需要刷涂防渗涂料的零件的设备，可以将淬火油槽清空，对淬火油槽里的油泥、碳黑、杂质等混合物进行清理，保证淬火油槽干净。定期对设备进行烧碳黑处理，防止过多的碳黑进入淬火油，影响淬火油的冷却性能。5）实时监视淬火油冷却过程曲线，确定合理的淬火油冷却时间，同时也可以及时发现问题。