汽車轉向器小齒輪熱處理工藝改進

重慶長風機器有限責任公司技術部 （江津 402264） 陳金榮

齒條、齒輪轉向機構（見圖1）具有結構簡單，構件少，質量輕，成本低，以及傳動效率高等優點，現多數的小型車都采用這種轉向機構。而小齒輪（見圖1）是齒條、齒輪轉向機構中的一個關鍵主件，轉向盤操縱轉向機構內的小齒輪轉動，小齒輪與齒條緊密嚙合，推動齒條左移或右移，帶動轉向輪擺動，從而改變汽車行駛的方向。根據服役條件，小齒輪應具有一定的剛度、高的耐磨性和疲勞強度。

如圖2所示，齒輪參數：齒數7、模數2.1、壓力角20°、齒根圓直徑12.39mm、齒頂圓直徑18.5mm、螺旋角16.5°。齒圈跳動0.05mm，齒輪精度等級按GB/T10095.1－2001中8級。

圖1 轉向器總成

圖2 小齒輪的結構

1.傳統制造工藝

小齒輪的傳統制造工藝是采用合金滲碳鋼碳氮共滲淬火，具體的熱處理技術要求：材料20CrMnMo鋼，表面硬度（82±2）HRA，其滲硬化層深度0.3～0.6mm，心部硬度27～40HRC，滲層的金相組織按國家有關標準執行。熱處理后齒輪齒圈及外圓的徑向圓跳動不大于0.05mm，齒形、齒向精度等級不低于8級。加工工藝流程：下料→鍛造→正火、高溫回火→機加工→碳氮共滲→亞溫淬火、回火→磨外圓（φ20mm、φ12mm處）→裝配。

鑒于小齒輪又長又細，其所用材料為淬透性高的20CrMnMo鋼，且要求表面硬度高、心部硬度低，同時要求畸變量小，如采用在碳氮共滲后直接淬火，則根本無法達到技術要求。具體的碳氮共滲淬火工藝如圖3所示。

設備采用VKES4/2封閉式多用箱式爐，整個熱處理周期的操作程序（包括溫度、時間、碳勢等工藝參數）預先加以編制，工件從進入前室直至出爐的整個處理過程全部自動化。

氣氛系統采用將甲醇通入爐膛內裂解，與氮氣混合，形成40%H2+40%N2+20%CO的氮－甲醇氣氛作為載氣。將丙酮通入爐內，調節爐氣的碳勢，作為富化劑。將瓶裝液氨，減壓汽化后通入爐內，作為供氮劑。另外，用少量空氣通入爐內起平抑碳勢作用。

圖3 小齒輪滲碳淬火工藝曲線

淬火系統中淬火油槽左右兩邊有兩臺攪拌器，油流由導流板導向，從下往上垂直流過工件。攪拌速度可控。淬火油為某公司生產的G油，油溫控制在60～100℃。

熱處理工藝流程：裝夾→清洗→烘干→碳氮共滲淬火（后室共滲）→前室預冷→再進后室加熱→前室油淬→出爐→清洗→回火→檢驗→校正。

以上工藝生產零件的力學性能雖然能滿足產品的最終使用性能要求，但存在許多不足：

（1）由于小齒輪的截面較小，又采用淬透性較高的20CrMnMo鋼制造，心部硬度要求低，如按共滲工藝降溫后直接淬火，心部硬度均要高于40HRC，達不到技術要求。為了調整心部硬度，采用了碳氮共滲后再重新加熱亞溫淬火。這樣工序復雜，加熱次數多，生產周期長，耗能大，成本高。

（2）雖然采用較先進的熱處理設備和盡量減小零件熱處理變形的工藝技術，但小齒輪的螺旋角β仍然變小，齒輪齒向的精度等級降至10級左右，嚴重影響后續的裝配質量。另外，零件的徑向圓跳動超差，需通過校正加以矯正。

（3）碳氮共滲淬火熱處理工藝不能安排在機加工生產線上，不能與上下道工序銜接，實現同節拍生產，增加物流成本。

2.小齒輪的現行工藝

現行的小齒輪用42CrMo鋼制造，表面強化采用高頻淬火工藝，熱處理的技術要求如下：

（1）坯件整體調質硬度28～32HRC。

（2）在圖2中φ20mm外圓和齒部位置進行高頻感應淬火，表面硬度55～61HRC。

（3）高頻感應淬火深度，外圓部位（φ20mm處）0.8～1.5mm、齒部齒根0.6～1.2mm（齒形淬透）。

（4）齒輪齒圈、外圓徑向圓跳動<0.05mm。

（5）零件表面及次表層不得有裂紋等缺陷。

加工工藝流程為：下料→調質→機加工→高頻感應淬火→磨外圓→裝配。

現行工藝的難點在于高頻感應淬火，因小齒輪屬于典型的多臺階軸類零件，不同的直徑段要求不同的硬化層深度且淬硬層不連續，采用傳統的一次裝夾連續自動淬火工藝已無法達到小齒輪的各項技術指標要求，而不同的外徑要更換不同直徑的感應線圈，分多次裝夾淬火，操作煩瑣，效率低，且硬化層的分布不盡合理。

3.高頻感應淬火工藝

（1）熱處理工藝流程 高頻感應淬火→回火（160～180℃×2h空冷）→檢驗、磁粉無損檢測。

（2）設備及裝置 高頻感應加熱電源為JGGC75－2－C全固態高頻感應加熱裝置，輸入功率≤100kVA，輸出功率≥75kW（調節范圍：10%～100%），振蕩頻率200kHz，輸出控制方式為恒壓/恒流。

淬火機床為單工位CNC數控全機械（伺服驅動）淬火機床，工件進給速度1～100mm/s，主軸旋轉速度20～200r/min。淬火冷卻介質為濃度5%～11%的AQ251水溶液，溫度低于50℃，壓力>0.3MPa。

感應線圈用高6mm、厚1mm的方銅管做成內孔為φ24mm的自噴液連續加熱淬火感應器。

回火加熱設備為8kW的電烘箱。

（3）工藝方法 應用變功率、變移動速度感應加熱淬火工藝技術，采用工件一次裝夾（上下頂尖裝夾），分段連續掃描加熱噴液的淬火方式。

（4）工藝過程 設備準備就緒后，人工上料，將小齒輪放置在上下頂尖上，啟動整套系統，設備按預先編制的程序自動驅動夾具旋轉，夾具拖帶小齒輪進入感應線圈到加熱位置，自動啟動或關閉加熱電源，并按照預先設定的加熱能量、加熱時間、移動速度和噴液冷卻時間先后對小齒輪的φ20mm部位、齒部部位進行掃描加熱冷卻淬火，淬火后小齒輪停留在預設的位置，程序結束人工下料，即完成一個零件的加工周期。

4.結果與討論

（1）高頻感應淬火結果 小齒輪熱處理后，經切片金相檢驗淬硬層深度，用硬度計檢查表面硬度，用百分表檢查齒部節圓及φ20mm外圓的徑向圓跳動，用磁粉無損檢測表面缺陷。結果為：①高頻感應淬火深度。用金相法檢查測至半馬氏體處，φ20mm部位的深度是1.3mm左右，齒部齒根部位1mm左右。②硬度。表面硬度用維氏硬度計檢測，然后換算成HRC。齒部硬度為57～58HRC，φ20mm外圓處的硬度為58～60HRC。③畸變量。高頻感應淬火回火后，小齒輪的齒圈及外圓的徑向圓跳動都在0.05mm以下，螺旋角β基本沒變。④無損檢測結果。小齒輪經磁粉無損檢測，表面無裂紋等缺陷。

零件裝配后經多次臺架試驗和路試，壽命均超過設計要求。高頻感應淬火的生產率為160件/h，批量生產時，硬度、淬火長度、淬硬層深度，以及淬火畸變量等的一致性、均勻性、穩定性均較好。

（2）變功率、變移動速度感應淬火的工藝特點 高頻感應淬火過程中的感應器與零件的相對位置、連續淬火的移動速度、加熱功率、加熱時間、冷卻時間及冷卻水的流量壓力等參數的控制對保證零件的淬火質量十分重要。

由全固態感應加熱電源和數控淬火機床組成的高頻感應淬火系統具有很高的柔性，通過變更程序的指令，能很容易地自動調節電源的輸出功率、通電斷電時間、噴液開始結束時間、工件加熱冷卻長度、工件的移動速度、延時加熱時間、提前噴水時間，這樣對同一工件不同部位（尺寸、位置）要求不同淬硬層深時就能很容易達到。該技術和熱處理工藝結合，可完成盤類、齒輪類、套管類、軸類零件的內孔外表面的高頻感應淬火，可進行連續淬火、同時淬火、同軸分段連續淬火、同軸分段同時淬火和同軸分段同時連續淬火等工藝。該技術特別適用于要求不同直徑段具有不同硬化層深且淬硬連續或不連續的多臺階軸類零件的熱處理，滿足了多臺階軸件各直徑段的表面淬火硬度及淬硬層深度的特殊要求，且淬硬層在臺階處能呈連續過渡，以減少臺階軸尖角應力和熱應力影響，保證了軸件的強度，解決了汽車制造過程的關鍵技術問題。

（3）小齒輪高頻感應淬火的工藝效果 首先，小齒輪零件表面高頻感應淬火時，因加熱速度快，加熱時間短，原始組織（前處理調質）中碳化物的彌散度大，形成的奧氏體晶粒細小，奧氏體成分不均勻，淬火組織中殘留奧氏體少，淬火后馬氏體中碳的分布也不均勻，無數高碳馬氏體分散在低碳馬氏體中，實現了組織強化，可得到較高的表面硬度；其次，由于表層存在殘留壓應力，減少了表層疲勞裂紋的產生與擴展的危險性，還有因組織細小，強韌性配合好，所以小齒輪經高頻感應淬火后可得到強度、耐磨性和韌性的最好配合，具有高的強度、疲勞強度和多沖抗力，能滿足小齒輪的使用性能要求，小齒輪的高頻感應淬火工藝完全可代替傳統的碳氮共滲淬火工藝。由于大量感應熱處理先進工藝技術和固態感應加熱電源、數控淬火機床等先進設備的應用，較復雜的零件也可進行高頻感應淬火。加上高頻感應淬火是直接加熱，熱效率非常高，節能，處理時間很短，成本低，氧化、脫碳少，淬火畸變小，容易進行局部熱處理，淬火層深度容易控制，可采用較便宜的低淬透性鋼，大批量生產效率高，可進行流水線作業，與上下工序銜接實現同節拍生產，實現自動化和機械化生產，改善勞動條件，無煙塵污染。

5.結語

（1）變功率、變移動速度感應淬火技術具有很高的柔性，可解決汽車等產品制造過程中的關鍵技術問題，符合熱處理技術少無污染、少無畸變、少無分散、少無浪費、少無氧化、少無脫碳、少無廢品，以及少無人工的發展方向。

（2）斜齒輪齒部采用掃描式加熱冷卻，由于加熱和冷卻的時間短，熱處理對螺旋角β的影響小，可保證齒輪的齒形、齒向達到精度等級要求。

（3）小齒輪經高頻感應淬火后具有較高的強韌性和疲勞壽命，能達到產品最終使用性能要求，代替碳氮共滲淬火工藝。

（4）在滿足產品最終使用性能的前提下，設計、選材及熱處理應有機結合。熱處理的方式和方法，應根據不同產品，不同規格、不同工況和其他特殊需求，通過試驗制訂出較為合理的效果顯著的熱處理規范。隨著技術的進步，可用新的簡單熱處理工藝代替傳統的復雜熱處理工藝，而且效果顯著。