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【行业视点】汽车齿轮热处理工艺的研究进展

  齿轮是汽车传动系统中的重要部件, 在传动系统中起着传递动力及改变速度和方向的作用。由于汽车齿轮的工作条件复杂, 汽车工业生产中要求齿轮既具有优良的耐磨性又具备高的抗接触疲劳和抗弯曲疲劳性能。目前, 我国汽车齿轮的质量与发达国家的同类产品相比仍有一定差距,主要表现为平均使用寿命短、 单位产品能耗大、 生产率低。要提高汽车齿轮的质量, 除了选材合适之外, 必须对热处理工艺进行优化,通过新工艺和新设备引进吸收和自主创新, 实现齿轮热处理工艺朝着节能、 环保、 智能化方向发展, 即努力实现低压真空渗碳、 稀土催渗、 双频感应加热淬火、 激光淬火等新工艺以及真空炉等新设备的应用。

  众所周知, 齿轮质量在很大程度上取决于齿轮材料及其热处理工艺, 热处理是齿轮质量控制过程中的一个关键工序, 齿轮的许多重要特性都要通过热处理来实现, 热处理的质量直接影响齿轮的使用寿命。为了满足齿轮质量的要求,更快赶上国际热处理先进水平, 进一步全面开展汽车齿轮热处理工艺的研究是非常必要的。

  一、 汽车齿轮热处理工艺概述

  汽车齿轮通常采用低碳合金渗碳钢制造, 齿轮毛坯一般需经过锻坯→预先热处理→切削加工→渗碳淬火→精加工等多道冷热加工工序,以获得较高的表面硬度和良好的心部韧性, 使成品齿轮具有耐磨、 耐疲劳、 耐腐蚀等优良性能。目前,国内汽车齿轮锻造毛坯预先热处理主要采用正火和等温退火, 并呈现采用等温退火取代正火处理的趋势, 而常用的热处理工艺主要有渗碳、 碳氮共渗、 渗氮以及感应淬火。

  1、预先热处理工艺

  对汽车齿轮锻造毛坯进行预先热处理, 主要是为了获得适宜的锻件表面硬度并为第二热处理作好金相组织准备。传统的预先热处理方法大多采用常规正火处理。该工艺设备简单、 能耗少、 工艺要求不高, 因此应用较为广泛。随着对汽车齿轮质量要求的提高,特别是引进车型用钢材料的多样化,由于普通正火时钢的组织转变是在一定温度范围内进行,因此得到的组织不均匀; 而且批量正火冷却时,锻坯往往成堆在空气中冷却或吹风冷却, 其冷却速度易受其在堆中的位置及周围环境的影响, 造成同批零件的硬度波动较大( 156~ 207HB) ,同时又会增大渗碳淬火时的变形量, 而对于淬透性较高的钢, 甚至会产生贝氏体组织。因此, 国内逐步采用等温退火工艺进行预先热处理, 通常等温温度在560~ 650 ℃ 范围内, 以保证现代化大批量生产时, 齿坯在预先热处理后能获得均匀的组织和硬度( 160~ 180HB) , 这对于减少齿轮的渗碳淬火变形, 降低运行时的噪音具有重要意义。在国外,汽车齿轮锻坯普遍采用等温退火处理, 而且对不同的材料规定了不同的等温退火工艺, 如德国大众公司、 奔驰公司、 意大利菲亚特公司等。国外生产实践表明,经等温退火处理的齿轮不仅机加工性能大大提高, 而且渗碳淬火后的变形也明显减小。当然, 采用等温退火仍需将锻坯重新自室温加热至900 e 以上高温,这将消耗大量能源。由于汽车齿轮锻造的终锻温度一般在 900 e 以上,此时工件仍处于奥氏体状态, 如迅速将其均匀冷却到 Ar1以下珠光体相变区进行等温转变,可获得与常规等温退火相似的显微组织和硬度, 从而大大节约能源和提高劳动生产率并改善锻坯质量。近年来,在汽车工业, 利用锻造余热进行等温退火已有研究和应用, 但要进行大批量生产依然还存在一些技术难点。

  2 、渗碳工艺

  渗碳工艺可使齿轮具有很好的综合力学性能, 因此在汽车齿轮的生产中应用最广泛。目前, 世界上汽车齿轮生产所采用的渗碳工艺主要是气体渗碳, 气体渗碳是低碳钢生产所采用的最广泛的表面硬化工艺, 国外已实现通过计算机可控渗碳深度和表面硬度, 从而得到最佳的渗碳层深度和最小的变形。

  由于常规渗碳工艺常会在渗碳齿轮表面形成一层很薄的非马氏体组织, 显著影响齿轮疲劳性能, 且渗碳温度高、 周期长、 变形大, 而真空渗碳具有节能、 渗碳速度快、 控制简便及安全环保等特点得到很大的发展。但长期以来, 真空渗碳后产生的炭黑破坏绝缘问题、 渗碳均匀性问题一直没有得到有效的解决,影响了真空渗碳技术的推广应用。近年来, 催渗工艺具有提高渗速、 降低工艺温度、 细化组织、 减小齿轮畸变和降低成本等优势而逐渐被重视。目前, BH 催渗技术在一汽热处理厂、 二汽东风精工齿轮厂已有应用。

  经过国内外研究单位的长期努力, 控制压力范围在600~1000Pa的低压真空渗碳技术使得上述问题得到有效解决, 特别是采用高压惰性气体冷却淬火可大大减小齿轮畸变。该工艺最近几年来经历了很大的发展, 现已达到工业化的成熟阶段。低压真空渗碳与气体渗碳相比最引人注目的一项主要优点是无氧处理介质使得渗碳零件不会产生内氧化。目前, 许多渗碳新工艺不断涌现, 将真空高压气淬与等离子渗碳工艺应用于汽车齿轮加工已获得了很大成功。

  3 、碳氮共渗工艺

  碳氮共渗工艺具有在给定时间内有效提高渗层深度、 获得较高硬度、 保证奥氏体晶粒细小、 减小零件变形、 提高齿轮强度和耐磨性能等优点而被频繁使用。哈尔滨北方特种车辆制造有限公司不断研究碳氮共渗工艺并应用于坦克齿轮生产中,在国内得到推广应用。江西拖拉机厂齿轮分厂对拖拉机变速箱二轴 20CrMnTi 钢齿轮采用气体碳氮共渗复合催渗热处理工艺进行改进, 已应用于工业生产中。Y ouic h i Watanabe等在一定工艺参数下, 采用碳氮共渗工艺研制出具有很高强度的新型传动齿轮钢。

  随着对齿轮质量要求的提高, 碳氮共渗工艺由于渗层组织性能不易控制稳定, 获得较深渗层所需的时间长, 该工艺使用日渐减少, 只有少数小模数低负荷的汽车齿轮才允许采用。近几年,随着真空渗碳设备的推广, 真空碳氮共渗技术逐步发展起来。该技术的出现不仅使得真空炉可处理的材料的范围扩大, 同时也可以减少零件变形, 提高零件耐磨、耐蚀性能,从而极大地提高产品质量, 很好地解决了气体碳氮共渗能耗大、 有毒废气排放等问题。

  目前,稀土催渗工艺的发展有效解决了碳氮共渗工艺生产周期长的问题, 而且具备真空碳氮共渗功能的真空热处理转杯已经形成商品化的系列产品投向市场, 相信随着工艺设备的改进,必将使碳氮共渗工艺得到更广泛的应用。

  4 、渗氮工艺

  渗氮工艺是传统热处理工艺之一, 然而其能否成功地在汽车齿轮上应用一直存在疑虑和争论, 主要是渗氮齿轮的承载能力问题, 因而长期以来渗氮齿轮的应用受到限制。如美国石油协会规定经渗氮的齿轮, 只能承受渗碳齿轮接触疲劳极限的 75%, 而对齿轮的弯曲疲劳极限也要相应降低30%。然而, 渗氮工艺由于温度低、 畸变小以及加工工序少而使成本降低的优点, 近年来在齿轮上的应用比较广泛,如著名的费城齿轮公司生产的高参数齿轮中有 43%采用渗氮。

  当前应用最广的渗氮工艺是离子渗氮, 常规离子渗氮由于渗氮层较薄(一般在 0. 6mm 以下) 、 有效硬化层深度浅、 不宜在重载条件下工作等问题, 使得该工艺的应用范围受到一定限制。但与普通气体渗氮相比, 离子渗氮具有显著缩短渗氮作业时间、 减小工件畸变、 易获得均匀的渗层等优点, 如普通气体渗氮 0. 8mm 深度需 100h以上, 而用离子渗氮只需60h左右即可, 在国内外齿轮处理中普遍采用, 德国以Klockner 离子工程公司为代表, 将离子渗氮广泛应用于某些汽车齿轮。

  近几年, 优化渗氮工艺与各种快速渗氮新技术相结合的复合强化方法不断出现, 如控制氮势、 周期性循环渗氮等优化渗氮工艺与稀土催渗、 表面预氧化、 表面纳米化预处理等新技术的结合应用, 渗氮齿轮会展现更为广阔的应用前景。Lin等的研究表明,表面超声喷丸纳米化处理可以使渗氮过程在初期就受扩散过程控制。Jisen Wang 等通过表面纳米化处理, 在 300℃下对 45钢进行渗氮, 获得了厚200Lm 的渗氮层。

  5 、感应淬火

  早期汽车齿轮生产中, 感应淬火由于生产效率高、 工件变形小、 节能环保、 易于实现自动化等优点应用较为广泛。根据美国 AGMA 齿轮强度标准, 感应淬火齿轮的接触疲劳强度可达1200~ 1300MPa,齿根弯曲疲劳强度也可达到310~380MPa。国内各厂家主要采用中频埋油沿廓淬火工艺, 而汽车变速器中的某些薄壁小齿套及内花键采用高频感应淬火,由于其效率高、 畸变小、 污染低, 已成功地纳入了生产线;日本铁路机车齿轮, 包括高速机车齿轮仍以感应淬火为主;另外, 某些模数很大或直径很大的低速重载齿轮也只有采用感应淬火才有良好的技术经济性。

  随着对汽车齿轮强度及可靠性提出更高要求,感应淬火加热速度快带来的齿轮强度、 承载能力及使用寿命等问题未能得到很好的解决, 现有高、 中频电源感应淬火受到齿轮模数与频率匹配的限制, 适合齿轮模数范围仅 2~ 5mm,而且国内感应淬火技术发展缓慢难以适应新的要求。不过,随着齿轮生产对成品及环保的要求日益苛求, 相信感应淬火工艺的应用会更为广泛。

  双频感应加热淬火能得到沿齿轮廓均匀分布的淬硬层,近年来,美国Elect roheat T echnologies LLC公司、 德国 Eldec、Schwerk Induction GmbH 和EFD 公司优化工艺真正实现了齿轮的轮廓淬火, 得到广泛应用并成为汽车齿轮感应热处理的发展趋势。目前, 感应淬火机床已普遍采用全机械式, 正朝柔性化、 自动化、 智能化控制的方向发展。