中間齒輪軸熱處理工藝的探索

摘 要：文章對中間齒輪軸的熱處理工藝參數及裝爐方式進行研究，目的為改善熱處理后金相組織、提高表面硬度、縮短強滲階段與淬火階段的降溫時間，節約能源，降低成本。改進前熱處理工藝參數為920℃滲碳+830℃淬火+180℃回火，改進后熱處理工工藝參數為890℃滲碳+850℃淬火+180℃回火，分析可知：降低滲碳溫度可降低滲碳層的含碳量，減少滲層中殘余奧氏體量，增加零件表面硬度和耐磨性；提高淬火溫度有利于碳化物溶解和奧氏體均勻化，提高零件表面硬度。設計新工裝，改變裝爐方式，減小變形量。

關鍵詞：中間齒輪軸；滲碳淬火；硬度

1 中間齒輪軸結構及技術要求

1.1 中間齒輪軸的結構如圖1所示

1.2 中間齒輪軸的技術要求

中間齒輪軸在車間進行滲碳處理，工藝路線為：裝筐+前清洗+滲碳淬火+清洗+回火+檢驗+拋丸+校正+檢驗+轉工，其中滲碳淬火、回火影響零件技術指標較重要的工序

2 中間齒輪軸熱處理工藝及分析

2.1 熱處理工藝

為了改善中間齒輪軸的表面組織及心部組織，提高表面硬度及耐磨性，防止中間齒輪軸滲碳后校正工序產生裂紋，增加零件的使用壽命，在其它條件相同的情況下進行不同的熱處理工藝試驗，并對不同工藝處理后的中間齒輪軸性能變化進行研究。原滲碳工藝的強滲溫度選擇為920℃，強滲時間設定為55min，淬火溫度選擇為830℃，淬火保溫時間設定為30min，由920℃降到830℃所用的時間為160min。改進后滲碳工藝的強滲溫度選擇為890℃，強滲時間設定為100min，淬火溫度選擇為850℃，淬火保溫時間設定為30min，由890℃降到850℃所用的時間為70min。

2.2 兩種熱處理工藝對比進行理論分析

由此我們可以分析得出，兩種熱處理滲碳工藝生產出的產品的指標都在規定技術范圍內，但改進工藝后零件的性能有了顯著的變化，除了滲層降低以外，表面硬度、心部硬度有所提高，殘余奧氏體、碳化物等級有所降低。改進后工藝與改進前工藝對比分析如下：

2.2.1 滲碳溫度由920℃降到890℃

滲碳溫度的高低，直接影響碳在奧氏體中的溶解度、擴散速度[1]，在高溫下碳化物聚集長大，導致晶粒粗大，使用壽命降低。鋼的加熱溫度越高，奧氏體中溶解碳的能力越大，滲碳層厚度就越大。一般情況下，滲碳層厚度增加會伴隨著滲碳層含碳量的增加，淬火后殘余奧氏體量也就增多，由于奧氏體有較小的比容，當表面層中殘余奧氏體量較多時，就改變了滲碳層中殘余內應力的分布情況使殘余壓應力減小，從而導致疲勞強度較低，耐磨性能差，降低零件的使用壽命。因此滲碳溫度由920℃降到890℃，減少滲層表面的含碳量，淬火后使殘余奧氏體的量與碳化物含量減少（分別由4及降到3級），晶粒比較細小，增加了表面硬度（由80HRA、81HRA提高到82 HRA、83 HRA）。

由于滲碳溫度降低，會使零件表面含碳量降低，從而導致滲層變淺，但本工藝試驗得到的滲層滿足設計圖紙的要求。

2.2.2 淬火溫度由830℃提高到850℃

滲碳零件經過淬火后，其滲碳層的組織應為高碳馬氏體、碳化物和殘余奧氏體。提高淬火溫度有利于奧氏體均勻化和碳化物溶解，從而使淬火組織轉變的更完全，表面得到更多的高碳馬氏體，減少的碳化物及殘余奧氏體，表面硬度由80HRA、81HRA提高到82 HRA、83 HRA，心部得到更多的低碳馬氏體，基本不存在鐵素體，心部硬度由30HRC、33HRC提高到32HRC、34HRC。

3 工裝分析

由于中間齒輪軸的工裝設計問題，使得中間齒輪軸Ⅳ齒的單齒跳動量經常超差，有時會造成零件返修或報廢。

3.1 對原工裝使用情況進行分析

原工裝在零件進行垂直裝爐時，因支撐孔設計問題，經常會造成個別中間齒輪軸的Ⅳ齒的單齒作為支撐點。在裝爐時即便操作者非常認真裝爐，使零件擺放非常垂直，但零件入爐時（用機械爪向爐內送零件時），也會有零件傾斜，使個別零件Ⅳ齒的單齒作為支撐點，造成熱后單齒變形超差。

3.2 改進后工裝使用情況

零件裝入工裝上時采用不用齒輪Ⅳ齒為支撐點，而是用軸的根部做支撐點。在保證零件的垂直擺放的條件下，支撐孔加臺階和縮小孔徑，保證了零件的穩定性，所以不會再出現零件入爐時零件傾斜現象，保證了零件始終垂直入爐、出爐。這樣可以使齒輪的Ⅳ變形量達到最小化。

4 中間齒輪軸工藝改進的經濟效益

經過以上分析可知降低滲碳溫度，提高淬火溫度，可以改善零件的金相組織、提高表面硬度，不僅如此，還可以節約能源，降低生產成本。

原滲碳工藝：中間齒輪軸從入爐升溫到920℃所用時間為150min，920℃強滲55min，920℃降至830℃用160min。

現改進后滲碳工藝：中間齒輪軸從入爐升溫到890℃所用時間為110min，890℃強滲100min，890℃降至850℃用70min。

兩種工藝對比可知：

工藝改進后每爐比原工藝每爐節省費用為：

升溫階段節省：（150-110）/60*100KW/h*0.71元/KW=47.33元

降溫階段節省：（160-70）/60*100KW/h*0.71元/KW=106.5元

原工藝每爐比改進后每爐節省費用為：

強滲時間階段節省：（100-55）/60*100KW/h*0.71/KW=53.25元

綜上所述：改進工藝后每爐節約為106.5+47.33-53.25=100.58元/爐

按年15萬臺計算，中間齒輪軸為單臺1件，一爐裝爐量為140件，則全年節約為

150000/140*100.58=107764.28元

5 結論與體會

5.1 通過對中間齒輪軸滲碳工藝的探索，了解到降低滲碳溫度，可減少滲層表面的含碳量，淬火后使殘余奧氏體的量與碳化物含量減少，晶粒比較細小，增加了表面硬度；提高淬火溫度有利于奧氏體均勻化和碳化物溶解，從而使淬火組織轉變的更完全，表面得到更多的高碳馬氏體，減少了碳化物及殘余奧氏體，表面硬度提高，心部得到更多的低碳馬氏體，基本不存在鐵素體，心部硬度增加。

5.2 重新設計工裝，改變裝爐方式，避免了因中間齒輪軸的Ⅳ齒單齒作為支撐點造成的跳動量超差。