渗碳淬火工艺优化对零件形变的影响

摘要：在实际生产中，传统渗碳淬火工艺对零件的形变控制效果不佳，既影响了零件的性能，又增加了零件的加工成本。通过优化渗碳工艺，采用低温低碳势，辅以快速淬火油，能明显减少零件形变，从而降低零件的综合制造成本。

关键词：渗碳淬火;低温低碳势;快速淬火油;形变控制

0    引言

近年来，热处理冷却介质发生了重大的革命性变革，派生出了快速淬火油、分级淬火油和等温淬火油等门类，但面对零件的大小、厚薄、形状的不同，尤其是复杂易形变的零件，往往面临选择难、工装费用高、实际效果差的局面。笔者通过对多种冷却油特性进行分析、遴选，以快速淬火油辅以低温低碳势工艺，在零件渗碳淬火形变控制方面取得了令人满意的成果。

1    低温低碳势工艺简介

所谓“低温”，即渗碳温度不超过880 ℃。所谓“低碳势”，是指把碳势控制在0.8%共析区以下，整个工艺过程中的强渗和扩散两个阶段采用一段式工艺（图1）。

2    低温低碳势工艺试验与结果

现场应用该工艺对盘类零件进行渗碳淬火处理的效果明显优于传统工艺。我们统计了直径400 mm以内、厚度20～150 mm、内孔直径≤200 mm的各种产品，其端面跳动不超过0.15 mm，内孔涨缩0.05～0.08 mm，且无失圆，无中凹或中凸，降低了零件后续机加工的难度，达到了节约成本，提高加工效率的目的。该工艺的另一个特点在于能获得理想稳定的金相组织：残奥1～2级，碳化物优于2级，未见晶间氧化产生的非马氏体变化产物。

3    特殊零件的批量生产

针对家用汽车变速箱拨叉（图2），我们采用渗碳淬火热处理方法对低温低碳势工艺进行认证。

（1）材料：8620H-铸钢件。

（2）化学成分：C为0.15～0.2，Si为0.2～0.5，Mn为0.65～0.95，P≤0.04，S≤0.045，Cr为0.4～0.7，Mo为0.15～0.25。

（3）技术要求：渗碳淬火表面硬度HR15 N范围为89～92，有效硬化层深度0.26～0.5 mm（513HV），芯部硬度HRC28～42。

（4）金相要求：马氏体评级1～3级，残余奥氏体评级1～4级。

（5）产品生产工艺：铸造→退火→机加工→渗碳淬火→衍磨内孔→检验完工。

（6）产品加工难点：图2中？准160  +0.05 mm内孔和两处120 +0.12 mm的开口槽，是热处理形变控制的重点。

（7）常规渗碳问题：

1）？准16 mm孔的不圆度为0.02～0.04 mm，孔轴向锥度为0.01～0.025 mm，导致衍磨工序无法稳定进行，从而无法控制？准160  +0.05 mm内孔尺寸。

2）两处120 +0.12 mm的开口槽，由于淬火后的高硬度很难通过机加工确保公差，这就要求热处理形变必须控制在图纸公差带范围内。而常规渗碳淬火工艺辅以等温或分级淬火油，结果两槽出现变形方向、大小不一杂乱情形，总体变形散差在0.06～0.11 mm。基于此，如何保证两槽变形小于0.05 mm，且使开口变形方向规律化（一致化），成为该产品热处理的关键。

3）新工艺小批量试制：通过采用低温低碳势工艺辅以70 ℃的快速淬火油冷却达到了比较完美的效果。淬火油冷却曲线图如图3所示。

金相组织：残奥1级，碳化物1级，未见其他不良组织，表面硬度、硬化层梯度、渗层深度均满足技术要求。

变形结论：？准160  +0.05 mm内孔缩小0.01～0.015 mm且无失圆、无锥度，两槽口一致呈外“八”字0.02～0.03 mm，槽底涨缩变形小于0.01 mm。至此，该渗碳淬火工艺基本满足了产品图纸要求，消除了常规渗碳淬火处理时形变较大且无规律性的缺陷。

4）稳定工艺与批量生产：为追求批量生产的稳定性和可靠性，对两槽的热处理前尺寸进行了优化。即将120 +0.12 mm开口槽调整为12+0.08 +0.02 mm，槽口做成0.03 mm的内“八”字形，以形成“反变形”，如图4（a）所示。实践证明：？准16 mm孔稳定，两槽反变形成功，如图4（b）所示。槽底宽与槽口宽尺寸偏差在0.01 mm以内，达到了预期效果。通过试样、小批量的认证，优化完善了渗碳淬火工艺（图5）。

目前该产品已大批量多炉次生产，热处理合格率达100%，产品品质达到了全球同行业的顶尖水平。

4    结论

（1）低温低碳势工艺是控制零件形变的关键。首先，低温保持了渗碳淬火前退火或正火获得的良好晶粒度，阻止了淬火过程中晶粒长大的可能性，从而控制了零件的形变量。其次，众所周知，马氏体含碳量越高，越易变形。低碳势极大地限制了马氏体引起的体积膨胀，从而有效控制了形变。

（2）冷却液及冷却方式的选择对控制零件形变起着举足轻重的作用。从新工艺选择的淬火油冷却曲线图（图3）不难看出，其蒸汽膜阶段极短，沸腾阶段的冷却性相对较大，从而保证了工件优良的淬透性和均匀性。

（3）低温低碳势的淬火工艺相比传统的渗碳淬火工艺，虽然热处理成本增加了8%～10%，但零件的综合成本卻有着巨大的优势，极大地提高了产品质量的稳定性。

5    展望

低温低碳势工艺辅以快速油冷却这种渗碳淬火工艺能有效改善零件的相变应力和热应力，从而获取理想的形变状态。但在实际应用中其尚未被大多数人所接受，缓慢冷却、分级等温、工装辅助等观念仍束缚着我们的想象空间。我们在现场虽然还没有获得更多关于该工艺对产品形变应力改善的具体参数，但实质的改善却是显而易见的。现场各类产品的实践充分证明了该工艺对形变控制的优越性和稳定性。当然，该工艺还有待从热处理形变机理的热应力和组织应力两方面做进一步深入研究探讨。

收稿日期：2020-05-06

作者简介：吕铁铮（1962—），男，浙江新昌人，机械高级工程师，研究方向：机械材料与制造。