王达鹏 郭成龙 董笑飞 吴宁 姜瑜 高志勇

（1.中国第一汽车集团有限公司工程与生产物流部，长春 130011；2.一汽解放汽车有限公司传动事业部，长春 130011；3.中国第一汽车集团有限公司研发总院，长春 130011；4.一汽解放商用车开发院工艺材料部，长春 130011）

1 前言

相对于传统的可控气氛渗碳热处理，真空热处理技术更具备“绿色、环保、节能、高效”的技术特点。在当前欧州、美国、日本等发达国家的汽车工业中，低压真空热处理技术已经得到广泛应用，伴随汽车行业竞争日益激烈，我国环保形势日益严峻，汽车产品技术逐步提高，轴齿低压真空渗碳热处理技术将逐步替代常规可控气氛渗碳热处理技术成为主要的热处理生产技术。

汽车运行时，变速箱轴和齿轮不仅承受高速转动时的扭矩和冲击，还承受强大的振动力、摩擦力，而且必须满足在高温环境下运行；作为变速箱中的关键部件，轴和齿轮产品需要具备良好的机械性能、综合力学性能和耐高温性能；变速箱齿轮经渗碳淬火后，表面碳含量增加，形成针状马氏体和残余奥氏体组织，增强了表面强度和耐磨性，心部仍维持较低的含碳量，能够保证较高的强度和冲击韧性。变速箱齿轮和轴在热处理过程中始终伴有产品变形，在实际生产中，过大的变形量以及不同条件下变形量的变化在工件经过热后磨削加工后，会造成硬化层的深浅不一，使得残余应力分布不均，影响齿轮的使用寿命。

将依据我厂引进使用的ECM（依西埃姆工业炉贸易有限责任公司）真空渗碳热处理设备及实际生产实践，通过试验分析各种维度对齿轮零件的变形影响因素，研究齿轮变形控制方法，提高产品质量。

2 真空热处理技术及应用简介

2.1 真空热处理渗碳技术工艺原理及实施过程

低压真空渗碳热处理工作原理是在低压5×10-4～15×10-4MPa真空状态下，通过多段脉冲式的渗碳+扩散与1个集中的扩散过程，达到所需硬化层深度的方法，如图1所示。实际生产中对于1种零件，1个脉冲过程一定层深内调整的层深范围为0.05～0.07 mm，即每增加或减少1个脉冲阶段，层深相应的增加或减少0.05～0.07 mm；通过优化调整渗碳、扩散时间配比，可以实现控制表面碳浓度以及渗碳层深的目的。

图1 低压真空脉冲式渗碳+扩散原理示意

脉冲式渗碳扩散工艺参数如渗碳扩散温度、渗碳脉冲时间和次数，以及气体流量、淬火控制一般由设备内置模拟软件和人工实际生产操作经验并依据零件材料、渗碳总表面积、层深等参数模拟运算得出。零件经渗碳扩散过程完毕后，移动至气淬单元，瞬间通入大量高压氮气使其在零件表面快速流转冷却降温，实现气体冷却淬火。

我厂引进的法国ECM真空渗碳炉共有6个低压渗碳室，1个气淬室和1个油淬室。一般渗碳压力为8×10-4MPa左右，低压真空渗碳介质选用乙炔，渗碳过程乙炔流量一般选用2 500～3 500 L/h，气淬时选用氮气为淬火介质，最大淬火压力≤2 MPa。真空炉设置有专门的冷却循环水系统，同时整个真空热处理系统设备配有5 个低温回火炉用于淬火后的低温回火热处理，1 台前清洗和1 台后清洗设备以及风冷台和1 个高温回火炉，低压氮气罐用于储存保护气体氮气，高压氮罐用于储存淬火用高压氮气，轨道小车负责将放置零件的料盘传输至各处理单元，中央控制系统管控各处理单元完成相应的工艺过程操作，整个设备系统运行由ECM 真空炉内置ICBP（低压渗碳模块化设备）控制系统智能操控并自动运行，ECM 真空热处理设备系统总览示意图如图2 所示。一般真空渗碳热处理炉工艺过程描述为上料、前清洗、脱脂、渗碳/扩散（多段脉冲）、气淬、回火、风冷、下料。

真空渗碳热处理中的渗碳介质常采用乙炔（C2H2）或者丙烷（C3H8），国外的研究资料表明，采用乙炔能够明显改善零件不同位置渗层深度均匀性，尤其对盲孔可以有效进行渗碳，对于齿轮类零件，采用乙炔介质，齿轮的齿根和节圆部位渗层深度均匀性最好[1]；采用丙烷在生产中非常容易产生焦油，易造成工件与工装接触区硬化层不合格[2]，因此我厂ECM 真空炉渗碳热处理选用乙炔为渗碳介质。除需要较快冷速的较大轴类零件和大齿轮零件需要油淬外，一般齿轮零件及齿轮轴都可采用气淬方式，图3 和图4 为我厂ECM 真空炉实物。

目前我厂ECM 真空炉搭载的产品主要为乘用车变速箱轴齿零件等，产品应用材料分类如表1 所示，图5 所示为我厂应用真空渗碳淬火技术生产的变速箱轴齿零件。

图2 引进的法国ECM真空热处理设备系统总览示意

图3 ECM真空炉

图4 真空渗碳室、高压氮气罐

表1 真空渗碳热处理产品应用材料分类

图5 真空热处理零件

2.2 真空渗碳热处理与传统可控气氛式渗碳热处理工艺的差异

一般的传统可控气氛式渗碳热处理工艺基本过程描述为脱脂、升温、强渗（渗碳或碳氮共渗）、扩散、降温后保温、淬火、后清洗、回火。强渗（碳氮共渗）和扩散阶段是一定浓度的碳、氮原子连续持续渗入已经完全奥氏体化的零件表面，通过强渗和扩散工艺，使零件表面渗层的合理呈现梯度分布，随后通过淬火工艺和回火工艺，最终达到符合技术要求的硬化层深度和表面硬度以及心部硬度。

现生产的大众MQ200变速箱输出轴，毛坯材料为TL4521（相当于20CrNi2MoH），已经应用低压真空渗碳热处理技术和传统可控气氛渗碳热处理技术同时进行生产，其低压真空渗碳热处理工艺过程为：清洗后入炉预热升温，通入氮气；升温至450 ℃，脱脂60 min；快速升温至920 ℃，保温90 min，保持低压真空状态，使工件充分奥氏体化；脉冲渗碳扩散+集中扩散90 min；降温预冷至840 ℃，保温40 min；高压气体淬火，气淬压力为1.1～2 MPa，时间为5 min；回火和风冷。图6为大众MQ200变速箱输出轴低压真空渗碳热处理工艺过程示意。

图6 大众MQ200变速箱输出轴低压真空渗碳热处理工艺过程示意

真空热处理技术工艺过程与传统可控气氛式渗碳热处理工艺过程基本相似，不同点如下。

a.其强渗和扩散阶段是在低压真空状态下，采用脉冲式渗碳原理，即通过多个强渗（渗碳介质）+扩散（氮气）以及1 个集中的扩散过程，达到其最终渗层要求的工艺过程；

b.在低压真空状态下，可有效避免零件表面氧化，热后不会产生非马组织，同时规避零件表面合金元素的氧化反应，渗碳速度和效率明显提高，生产周期显著缩短，零件表面硬度、残余压应力得到有效保证，延长零件使用寿命。图7 与图8 分别为传统渗碳热处理与真空渗碳热处理后的表层金相组织，可以看到传统热处理后的表层组织氧化形成了非马氏体组织层；

图7 传统渗碳热处理后表层非马氏体组织（500×）

图8 真空渗碳热处理后表层无非马氏体组织（500×）

c.真空渗碳热处理过程中不会产生CO、SO2等有害气体或表面物质，环境污染小，具有绿色环保的特点；

d.真空热处理淬火过程应用气体持续对流冷却方式淬火，具有热处理变形小的特点；

e.真空热处理淬火一般采用气淬方式，且淬火气体可以回收，避免淬火油对工件的污染，图9 所示为经过真空渗碳热处理后的齿轮和齿轮轴，最终得到的零件表面洁净，呈现“土豪金”光泽，即使采用油淬，也是在真空的淬火室里，避免了大量气体液体污染，真空技术对零件表面有很强的净化效果，零件可以省去热后清洗和清理抛丸工序；

图9 真空热处理后的齿轮和轴表面均呈现“土豪金”光泽

f.传统箱式炉、连续炉以及环形炉生产时需要提前3～5 d 对炉内升温预热、炉罐渗碳，而且降温过程也比较慢，因此传统热处理炉一般不会停炉，在不生产时也处于保温状态，以减少开闭炉升温预热过程的漫长等待时间，而真空热处理炉则没有这个顾虑，可以根据生产需要随时开启设备，完成生产后可以关闭设备，具备节能、高效等特点。

3 低压真空渗碳热处理工艺对齿轮变形影响研究

齿轮热处理工艺过程中伴随有复杂体积相变过程，齿轮的变形受相变过程组织内应力和热应力共同影响作用。试验零件为我厂某变速箱齿轮，尺寸结构如图10 所示，试验设备采用ECM 低压真空渗碳热处理设备系统进行试验，分别从材料、热处理条件、气淬压力、预冷温度、装炉方式等方面试验分析对齿轮热处理变形的影响。

3.1 常用齿轮材料及其真空渗碳淬火工艺参数

齿轮材质的不同，其淬透性不同，依据我厂渗碳钢技术系列标准Q/CAM-11.2-2017《渗碳钢技术条件第2 部分：Mn-Cr 系列》、Q/CAM-11.3-2016《渗碳钢技术条件第3 部分：Cr-Mn-Ti 系列》、Q/CAM-11.5-2017《渗碳钢技术条件第5 部分：Cr-Ni-Mo 系列》，可知需要的热处理渗碳扩散、气淬压力等工艺参数不同，得到的检验结果也不同。应用ECM 真空炉进行4 种常用齿轮材质的试验零件真空热处理试验研究，气体淬火时间均为300 s，根据齿轮材质淬透性选用对应的热处理参数、气体淬火压力范围，并且装炉方式均为平装方式，得到对应的试验结果，如表2 所示。

图10 试验齿轮尺寸结构

通过分析表2 结合实际生产经验，可知材质不同，选择的热处理工艺不同；各材质的淬透性不同，层深和材料淬透性有关系，材料淬透性越好，渗碳工艺层深更深；齿轮热后心部硬度与材料淬透性有关，淬透性上不去，心部硬度亦上不去。

表2 不同材质零件真空热处理试验工艺参数和检验结果

就热处理工艺而言，淬透性越好的材料，渗碳热处理效果越好；不同的材料综合性能不同，需要结合产品设计、机械性能综合来看。

3.2 气体淬火压力对真空热处理变形的影响

气体淬火压力代表了冷却速度，一般淬火时气体淬火压力越大，零件冷却速度越快，试验得到的硬化层深度越深，心部硬度越高，相应的气体淬火变形也越剧烈。对比气体淬火压力试验研究，试验齿轮的前期预处理工艺、机械加工制造过程相同，热处理采用的脱脂温度400 ℃、加热渗碳扩散温度920 ℃及预冷温度840 ℃，热处理工艺过程相同，装炉方式均为平装，变量为气体淬火压力分别选用1.9 MPa 和2.0 MPa，气淬时间300 s。该齿轮真空热处理工艺参数如表3所示，变量对比及检验结果如表4所示。

表3 真空热处理工艺参数

表4 气体淬火压力变量对比及检验结果

由于试验齿轮前期预处理工艺和采用的机械加工制造过程相同，因此热前齿轮内孔尺寸、平面度基本一致，分别对试验齿轮内孔直径和内圈端面跳动进行热前热后检测对比，在不同气体淬火压力下，试验齿轮的热处理变化如图11 所示。

由图11 可知，在气淬压力大时，内孔直径变化量略大；在保证齿轮心部硬度的前提下，气淬压力越小，相对来说变形控制略好；气淬压力增大，层深变深，相应变形亦增大；变形量越小的齿轮在后续磨削加工后，得到的有效硬化层深度会更均匀。

图11 不同气淬压力齿轮的热处理变化

3.3 淬火预冷温度对变形的影响

在零件表面硬度和心部硬度以及金相组织技术要求范围内，合理选用淬火预冷温度能够避免马氏体组织粗大，降低热处理变形，提高齿轮韧性和疲劳强度。分别进行840 ℃和870 ℃温度的淬火预冷温度变形对比试验研究，该试验齿轮预处理工艺、脱脂、渗碳扩散及回火工艺以及气淬压力等参数相同，装炉方式为吊装。

通过淬火预冷温度对比试验，所获得的零件表面硬度、硬化层深度、心部硬度均基本相同，表层组织均为针状马氏体+残余奥氏体3级，如图12所示；心部组织也均为板条马氏体+铁素体组织，亦相差不大，均处于合理技术要求范围内，如图13 所示。预冷淬火温度分别为840 ℃与870 ℃时，平面度变化相差不大，但预冷温度为870 ℃经淬火后，内孔收缩量波动略大，周节累计偏差Fp为870 ℃略好于840 ℃，相差很小，齿圈跳动Fr变形量相差不大，如图14 所示。因此，在保证技术要求的前提下，淬火预冷温度越低，相对变形控制越好，如若采用较高淬火预冷温度有可能会造成淬火后组织应力较大、心部硬度过高，导致零件韧性降低，严重时可造成零件报废。

3.4 装炉方式对变形的影响

齿轮真空热处理工艺平装与吊装的不同影响因素在于：加热与冷却温度均匀性以及受装炉定位方式的影响，自身各部位重力的差异。对试验齿轮分别应用平装与吊装2 种装炉方式对比变形试验，热处理工艺完全相同，齿形、齿向、鼓形量、周节累计和齿圈跳动偏差、齿轮测量起点相同，工件装夹方向均为标识面朝上。不同装炉方式齿轮热处理变化结果如图15 所示，齿轮精度变形数据及变化量统计如表5 所示。

图12 渗碳淬火后的表面组织针状马氏体+残余奥氏体3级（500×）

图13 渗碳淬火后的心部组织板条马氏体+铁素体（500×）

试验对比可知，齿轮吊装热后内圈端面跳动小于平装，说明齿轮吊装时平面度好于平装，吊装热后内孔直径变化波动大，这是由于受自身重力因素影响，齿轮吊装时内孔收缩，变化量大于平装，平装变化量较小。

图14 不同预冷温度齿轮的热处理变化

通过分析表5不同装炉方式齿轮精度的热处理变形数据以及实际检测结果可得，齿形变化趋势为齿顶热后微微收缩，齿根热后微微胀大（平装与吊装两者均有），如图16所示；平装与吊装齿形变形量几乎相同都是提升1级左右，热前9级，热后8级；受重力因素影响，平装热后齿向变化为平装下方齿向胀大、上方齿向收缩，即与热处理工装接触一侧的齿向向外凸，齿向的变形呈八字形变形，如图17 所示；吊装热后齿向变得没有规律性，如图18所示，由于平装热后齿向变形是有规律的，这种变化规律有利于通过齿轮热前反向修形来控制齿轮热后变形，从而提高齿轮热后精度；平装齿向变形量大于吊装。鼓形量几乎无大变化；平装周节累计偏差Fp与齿圈跳动Fr变形量略好于吊装（相差在1级内）。

图15 不同装炉方式齿轮的热处理变化

表5 不同装炉方式齿轮精度的热处理变形数据及变化量统计表

图16 齿轮热前热后齿形变化趋势

图17 齿轮平装热前热后齿向变化趋势

试验研究齿轮在平装与吊装不同装炉方式情况下真空渗碳热处理变形的区别，有利于在实际生产中根据齿轮设计装配需要以及变形倾向需求来选择合适的装炉方式。试验用齿轮选择吊装的装炉方式进行生产，更利于保证热后端面平面度的装配定位精度，便于热后定位面直接装配。

图18 齿轮吊装热前热后齿向变化趋势

4 分析与讨论

a.低压真空渗碳技术具备“绿色、环保、节能、高效”的技术特点，这项技术在变速箱轴齿零件热处理中的应用发展，将有助于提升产品技术能级，有效提高产品质量和技术产品竞争力。

b.通过试验研究，试验用TL4521材质的变速箱齿轮的低压真空热处理工艺参数为渗碳温度920 ℃、预冷温度840 ℃、气淬压力1.9 MPa，装炉方式为吊装，保证了热后齿轮渗碳层表面硬度764 HV1，层深0.65 mm，心部硬度368 HV30，金相组织符合产品技术要求，内孔尺寸精度变化<0.05 mm，端面平面度精度变化<0.05 mm，有效控制热处理变形，保证齿轮热后端面平面度的装配定位精度，便于热后定位面直接装配。

c.齿轮热处理变形受装炉方式的影响存在明显差异倾向，齿轮平装热后内孔精度较好，平面度不好，而吊装热后内孔精度不好，平面度较好。平装与吊装两者齿顶热后均微微收缩，齿根热后微微胀大；平装热后齿向变形更有规律性，呈八字形变形，而吊装热后齿向变得没有规律性；实际生产中可根据齿轮设计装配和定位需要以及变形倾向需求来选择合理的装载方式，有效利用齿轮的热处理变形规律来为生产服务。

5 结束语

近年来，轴齿真空热处理技术作为1 项绿色环保、节能高效的现代化热处理技术，在国内外汽车变速箱零件加工生产中获得了不断应用和发展。就轴齿真空热处理技术的工艺原理、实施过程、应用优势以及对齿轮的变形影响进行论述和分析，希望为真空热处理工艺后的产品质量精度控制提供有效保障和技术支持，希望真空热处理技术能够在未来汽车加工制造中进一步推广应用。