■ 金林奎，邓永玖，赵建国，王春亮

重型载货汽车后桥主从动弧齿锥齿轮对热处理内在质量，以及外形尺寸精度要求越来越高。特别是齿轮外表面的平面度和接触区，要求从动齿平面度变形不大于0.05mm，主从动齿接触区位移不超过2.00mm。

我公司长期以生产中型汽车驱动轴行星半轴齿轮为主，同时也生产小模数轻型汽车弧齿锥齿轮，其渗层深度较浅。重型载货汽车弧齿锥齿轮的深渗层产品，相对于轻型汽车齿轮来说生产量要少一些。要实行产品更新换代，使重型载货汽车弧齿锥齿轮成为公司的主导产品，对于热处理生产加工工艺，必须能够满足重型载货汽车齿轮的内在质量和外形尺寸精度要求。

1. 工艺概述

（1）重型载货汽车用弧齿锥齿轮轮齿表面渗碳周期长，热处理质量要求较为严格。因此，必须严格按照国家标准QC/T262—1999要求检测。检测项目包括有效硬化层深度，齿角碳化物级别，节圆及齿根处次表层的马氏体和残留奥氏体级别，齿廓外缘表层非马氏体层深度，以及表面、心部硬度测量（见表1）。

（2）深层渗碳的齿轮产品，热处理渗碳淬回火的设备，采用第一汽车制造厂生产的双排渗碳处理连续炉生产线进行加工。双排炉的热处理加工工序，共有脱脂、透烧、高温均热、渗碳、扩散、低温均热、淬火、清洗、回火等9道，每道工序的料盘都有各自不同的数量，整个生产线共使用52个料盘（见表2），以保证热处理产品表面渗碳处理的质量要求。

2. 工艺分析

（1）要想增加齿轮的有效硬化层深度，在提高渗碳加热温度的前提下，可以加快渗碳介质的分解，加大碳原子在奥氏体中的溶解度，提高碳原子扩散的速度，快速增加渗层深度。但高温渗碳对深层渗碳处理不宜采用，因为齿轮工件长时间滞留在高温区，使组织晶粒急剧长大，严重降低齿轮产品的强度和韧性。同时粗大的组织带来淬火变形量加大，而且淬火的组织应力使工件开裂倾向增大。同时渗碳处理的加热温度越高，将会显著缩短加热元件的使用寿命，综合经济效益很不理想。经过分析论证，将渗碳处理的高温区（高温均热、强渗、扩散）温度，控制在880～900℃较为合适。

表1 重型载重汽车用弧齿锥齿轮检测项目

表2 渗碳处理连续炉生产线加工工序

（2）脱脂温度的确定，残留在工件表面的油脂类污垢，一般在500℃左右基本能够清除干净。脱脂过程还有一个防氧化的作用，脱脂过程实际上也是一个预氧化的过程，该温度范围内，齿轮工件表面形成薄层的Fe3O4钝化膜，能够显著降低齿轮产品高温氧化脱碳的倾向，减少轮齿表面的非马氏体组织的形成。

（3）透烧过程是为下道工序的高温均热做准备，从脱脂温度直接升温到较高的渗碳温度，工件的内外温差较大，形成较大的热应力，因此变形和开裂倾向较大。经过多次试验，将透烧温度调整到800℃时，可以降低加热过程中的热应力，既减小工件轮齿的变形，又能为高温均热做好充分准备。

图1 低温淬火心部组织（400×）

（4）渗碳后淬火温度的高低，直接影响到材料的组织和硬度性能。过低的淬火温度会出现大量铁素体，轮齿心部硬度不能满足图样要求（见图1）。要使组织转变完全，心部硬度提高，就要提高淬火温度。但提高淬火温度，又会带来淬火组织应力的增大，这就要求淬火温度不能太高，在冷却过程中尽量减少组织应力，使变形和开裂倾向降到最低。将淬火温度定在810℃，淬火油温度保持在60℃左右，既保证了工件轮齿部位的淬透性，又降低了淬火组织应力，减小了工件变形量和开裂的倾向（见图2）。

（5）我们使用双排炉连续渗碳淬回火生产线，工件表面渗层的控制，取决于炉内推杆送料的周期，碳势扩散的温度以及渗碳剂的流量。这些参数对整个热处理渗碳过程都起到重要的作用。双排连续渗碳生产线，每个程序动作完成至少需要18min，只要零件推杆送料的周期不少于20min就可以控制。对于重型载货汽车深层渗碳的齿轮，推杆送料周期大于20min。实际周期确定的时间，根据确保齿轮工件表面的渗层而定。渗碳加热温度及渗碳剂消耗量一定时，渗碳扩散时间的长短，会影响渗层的深度以及渗入碳原子的浓度，从而影响轮齿表面有效硬化层的梯度（见图3、图4）。

（6）渗碳剂的选择及碳势的控制，在双排连续炉渗碳时，我们选用丙酮（CH3COCH3）做渗碳剂，甲醇（CH3OH）做稀释剂。因为丙酮的碳当量高，活性能力强，裂解后产气量大，炉内的碳势相对较高，而且在热处理过程中不容易形成积炭，化学成分比较稳定，夹杂物含量少，从而保证了热处理渗碳过程的稳定性。所谓碳势，就是指一定温度下，炉内气氛与工件之间碳原子交换，达到平衡时工件表面附近的相对含碳量。当炉内气氛的碳势高于工件表层碳含量，就发生渗碳反应。通过向炉内加入丙酮及甲醇进行渗碳，丙酮汽化裂解后形成渗碳气氛。以调整丙酮流量来控制碳势，同时设定合理的碳势控制参数，采用碳控仪对炉内各区碳势值进行自动监视、测量和调整。

（7）选用淬火冷却介质时，应尽量考虑在高温区冷却速度大，而在低温区冷却速度小。为了尽量减少以热应力为主引起的变形，在保证工件达到表面硬度和心部硬度的前提下，应尽量采用在高温区冷却能力低，而在低温区有较高冷却速度的淬火冷却介质。为了使淬火后每个轮齿部位尽可能均匀冷却，淬火油应有较好的流动性。选择热油能够增大淬火冷却介质的流动性，又能缩小与工件的温差。因此热油淬火加空冷的分级淬火处理，更有利于减少齿轮工件的变形量。

图2 正常淬火心部组织（400×）

图3 有效硬化层曲线平缓 图4 有效硬化层曲线较陡

（8）重型载货汽车齿轮的全部渗碳热处理过程，分为：中温透烧区、高温均热区、强碳区、扩散区、低温均热区、预冷淬火区。每个区域的碳势控制不佳时，都会影响渗碳速度，使轮齿表面发生贫碳。另外，轮齿表面碳浓度过高，易形成网状碳化物以及粗大针状马氏体等缺陷组织，增加材料组织的脆性，同时对有效硬化层梯度产生影响。

3. 工艺确定

为保证重型载货汽车齿轮深层渗碳热处理产品的质量和尺寸精度，对双排炉渗碳工艺多次调整。在结合金相组织检验、性能试验分析的基础上，确定深渗层渗碳热处理最佳工艺（见图5、表3）。该深渗层渗碳工艺与常规渗碳工艺比较见表4）。

图5 深渗层渗碳工艺曲线

图6 齿角部位金相组织（400×）

图7 齿角部位金相组织（400×）

图8 节圆部位金相组织（400×）

图9 节圆部位金相组织（400×）

表3 深渗层渗碳工艺各工序参数

表4 深层渗碳工艺与常规渗碳工艺对比