传动套中渗碳淬火变形及工艺控制研究

王焕敏，侯兆敏

（1.中国航发哈尔滨东安发动机有限公司，黑龙江 哈尔滨 150066；2.东北轻合金有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150066）

自2009年以来，我国工业加工行业便呈现处一种对外的高速发展趋势，同年，我国工业材料加工企业，承接了一批需要出口国外的传动套。采用12Cr2Ni4A钢制造，工艺过程复杂，产品质量要求高，尤其是对金相组织、表面硬度，心部硬度，外观质量和几何尺寸等质量特性要求严格。常规情况下，传动套由12Cr2Ni4A钢材料制造[1]。但由于出口的传动套对于质量与性能层面的要求较高，因此在生产传动套过程中，需要采用复杂的工艺制作手段，对其进行出口制造。在生产的实际过程中发现，12Cr2Ni4A钢材料属于金相组织材料，在实施此种材料的处理过程中，无论是对其表层与核心部位的硬度处理、或是对其形态结构的锻造，均存在较大的难度。并且，传动套对于外观尺寸与质量结构的精度需求较高，一旦出现尺寸精度偏差，便会导致设计的传动套成果无法投入市场使用[2]。对此，承接方在正式投入生产前，对传动套进行了一段时间的试生产。在试生产阶段，发现超过半数的传动套成品，均在热处理工艺实施的阶段出现质量问题（包括花键尺寸不符合要求等），此种问题导致试生产期间出现了大量传动套废品。不仅提升了传动套制造成本，同时也在一定程度上影响了传动套的出口周期。针对提出的问题，本文将结合渗碳淬火原理，对传动套热处理环节中出现的变形现象与规律进行深度挖掘，并以此为依据，规划渗碳淬火工艺控制流程，降低传动套热处理环节发生变形问题的概率。

1 渗碳淬火流程与原理

渗碳淬火属于金属材料生产加工过程中的一种常见热处理手段，在处理过程中，通过淬火可以使金属材料表面与碳原子进行融合，以此改善金属表层的物理性能。较为常见的物理性能为提高金属构件表层的硬度，并以此种方式使其表层具备较高的耐磨性能。

通常情况下，渗碳淬火工艺流程为：使用低温对处理构件表层进行回火处理—预冷处理构件—直接淬火处理金属—首次进行淬火加热处理—高温渗碳处理（/回火处理）—二次进行淬火加热处理—感应热处理。渗碳淬火的原理与金属常规热处理的原理相同，总结其原理，将其划分为三个步骤。

第一步为分解，在淬火加热中，由于温度升高，其中原子呈现一种高速活跃状态；第二步为吸附，呈现高度活跃状态的碳原子被构件表层吸收，依附在表层奥氏体中，使其表层结构中碳原子的含量增加；第三步为扩散，当构件金属表层碳原子显著增加后，其表层的含碳量将与金属构件中心部位的含碳量浓度出现差值[3]。在高温的持续作用下，表层碳原子发生由外部逐步向内的扩散反应[4]。此时，扩散的速度将根据温度的变化而发生变化，当其处于一种相对稳定状态时，整体结构逐步趋近于稳定，以此种方式，可以显著地提升金属表层结构的硬度。

2 传动套中渗碳淬火变形规律

综合传动套的实际生产流程，发现在渗碳淬火工艺处理环节中，对传动套造成最显著的变化为外直径变形。以12Cr2Ni4A钢材料的传动套为例，对其渗碳淬火工艺实施流程进行设计[5]。在此过程中，要求完成设计后的传动套表面硬度可达到58.0HRC～60.0HRC；心部硬度可达到35.0HRC～40.0HRC；对于构件的有效硬化深度应达DC（550.0HV）；在显微视角下，多个临近点之间的硬度差应当在30.0HV范围内。在对传动套中渗碳淬火变形规律进行分析前，应先掌握传动套结构。对其结构的描述如下图1所示。

图1 传动套内部结构

图1中，h1、h2、h3分别表示为传动套外直径。在对其进行渗碳淬火工艺生产与制造的过程中，传动套外直径（/h3）受热呈现显著的膨胀趋势，导致传动套整体呈现一种上下不均匀的锥形结构[6]。倘若在此过程中没有准确地控制碳浓度，会导致淬火过程中奥氏体参与量过高，外部直径高速收缩，从而产生变形。

在对此方面的研究中发现，传动套外直径的变形量与淬火卡方具有密切的关联性。在此基础上，对不同温度下传动套畸变特性进行研究，发现经过渗碳淬火后，传动套内部的花键孔直径（/b1与b2），发生由外向内的收缩，收缩过程中，齿距不断缩小。使用花键规则对其外径进行辅助性检测，并使用千分尺用于测量花键的畸变量[7]。统计结果如下表1所示。

表1 传动套花键内径与外径变形量检测结果

综合上述表1中变形检测结果，可以直接看出，传动套在渗碳淬火热加工处理环节中，内径与外径均在不同程度上发生了变形，变形量基本控制在0.050mm范围内。

3 渗碳淬火工艺控制

3.1 传动套热加工预先控制

为了降低传动套在渗碳淬火工艺中出现变形，可采用对传动套热加工进行预先控制的方式。在对其进行热处理工作前，可适当地加大跨齿距之间的宽度，通过尺寸补偿的方式，降低热处理过程中的径向收缩现象发生对传动套设计的影响[8]。综合相关渗碳淬火工艺实施经验，在热处理过程中，传动套的内径与外径均发生了变形，变形量基本控制在0.050mm范围内。因此，可直接根据其变形量，对传动套热加工进行预先补偿，补偿范围参照发生变形的范围即可。

在此过程中，考虑到传动套内结构中花键经过热处理加工后，其变形量可通过补偿的方式降低。而针对小部分未能及时处理的变形，可采用“花键校正推导”的方式，将渗碳淬火产生的畸变控制在可控范围内。在此基础上，为了持续降低工艺实施对其的影响，可设计“T”型结构的空心衬套，其结构如下图2所示。

图2 “T”型结构空心衬套示意图

图2中所呈现的孔内结构上下硬度相对均匀，可满足渗碳淬火工艺实施需求。此外，为了避免由于不正确的装炉方式导致传动套生产发生变形，可在装炉过程中，考虑到不同工件之间的热处理行为可能存在影响，因此应预先为其保有足够的间隙，降低传动套摆放过密导致的受热不均匀现象出现。

3.2 合理规划传动套不同渗碳淬火阶段时间

在完成上述相关设计的基础上，应根据传动套不同渗碳淬火阶段，对行为发生时间进行控制与合理约束。如下图3所示。

图3 传动套不同渗碳淬火阶段工艺曲线

如上述图3所示，可将传动套的渗碳淬火热处理划分为三个阶段，控制每个阶段中不同行为的发生时间。并在完成首次淬火后，对其变形量或涨大值进行检测，检测中可从传动套上部、中部、下部三个部位进行弧度位置的测量。通过实验发现，传动套渗碳淬火后其内花键孔产生径向向里收缩，跨齿距尺寸缩小。我们一方面借助于花键塞规(专门定制止规和通规两种规格)作辅助性检测，另一方面则用内测千分尺和滚针来测量内花键孔的变形量。测得其变形量约为0.025mm～0.04mm。在完成首次渗碳淬火热处理后，二次渗碳淬火热处理仍需严格按照图3曲线实施。

此过程中，渗碳淬火的整体思想按照高温回火处理方式，综合金属材料在此过程中的物理作用力，在收缩过程中，假定其已经抵消了一部分应力，剩余部分的应力可从“T”型结构空心衬套下部排出。

上述提出的高温回火处理方式中，可按照“功率升温—水冷”与“功率升温—消应”的流程，对传动套热加工流程进行规范化处理。例如，在提出的前者步骤中，先对传动套进行持续2.0h的加热处理，热处理温度保持在400.0°C±10.0°C范围内。持续2.0h后，按照炉内温度，对其进行功率升温，对传动套进行持续7.0h的加热处理，热处理温度保持在650.0°C±10.0°C范围内。完成加热处理后，使用水冷方式对传动套进行冷却处理，以此种规范化的方式，实现对渗碳淬火工艺的控制。

4 结语

本文结合渗碳淬火原理，对传动套热处理环节中出现的变形现象与规律进行深度挖掘，并提出了预先控制传动套热加工、合理规划传动套不同渗碳淬火阶段时间等渗碳淬火工艺控制行为，以此种方式降低变形的发生概率。为了进一步提升对外出口金属制品的质量，可在后期的相关研究中，将本文提出的控制方法应用到对金属构件的热处理加工环节中，从而实现对金属制品的高质量、高效率产出。