滲碳淬火工藝優化對零件形變的影響

摘要：在實際生產中，傳統滲碳淬火工藝對零件的形變控制效果不佳，既影響了零件的性能，又增加了零件的加工成本。通過優化滲碳工藝，采用低溫低碳勢，輔以快速淬火油，能明顯減少零件形變，從而降低零件的綜合制造成本。

關鍵詞：滲碳淬火;低溫低碳勢;快速淬火油;形變控制

0? ? 引言

近年來，熱處理冷卻介質發生了重大的革命性變革，派生出了快速淬火油、分級淬火油和等溫淬火油等門類，但面對零件的大小、厚薄、形狀的不同，尤其是復雜易形變的零件，往往面臨選擇難、工裝費用高、實際效果差的局面。筆者通過對多種冷卻油特性進行分析、遴選，以快速淬火油輔以低溫低碳勢工藝，在零件滲碳淬火形變控制方面取得了令人滿意的成果。

1? ? 低溫低碳勢工藝簡介

所謂“低溫”，即滲碳溫度不超過880 ℃。所謂“低碳勢”，是指把碳勢控制在0.8%共析區以下，整個工藝過程中的強滲和擴散兩個階段采用一段式工藝（圖1）。

2? ? 低溫低碳勢工藝試驗與結果

現場應用該工藝對盤類零件進行滲碳淬火處理的效果明顯優于傳統工藝。我們統計了直徑400 mm以內、厚度20～150 mm、內孔直徑≤200 mm的各種產品，其端面跳動不超過0.15 mm，內孔漲縮0.05～0.08 mm，且無失圓，無中凹或中凸，降低了零件后續機加工的難度，達到了節約成本，提高加工效率的目的。該工藝的另一個特點在于能獲得理想穩定的金相組織：殘奧1～2級，碳化物優于2級，未見晶間氧化產生的非馬氏體變化產物。

3? ? 特殊零件的批量生產

針對家用汽車變速箱撥叉（圖2），我們采用滲碳淬火熱處理方法對低溫低碳勢工藝進行認證。

（1）材料：8620H-鑄鋼件。

（2）化學成分：C為0.15～0.2，Si為0.2～0.5，Mn為0.65～0.95，P≤0.04，S≤0.045，Cr為0.4～0.7，Mo為0.15～0.25。

（3）技術要求：滲碳淬火表面硬度HR15 N范圍為89～92，有效硬化層深度0.26～0.5 mm（513HV），芯部硬度HRC28～42。

（4）金相要求：馬氏體評級1～3級，殘余奧氏體評級1～4級。

（5）產品生產工藝：鑄造→退火→機加工→滲碳淬火→衍磨內孔→檢驗完工。

（6）產品加工難點：圖2中？準160? +0.05 mm內孔和兩處120 +0.12 mm的開口槽，是熱處理形變控制的重點。

（7）常規滲碳問題：

1）？準16 mm孔的不圓度為0.02～0.04 mm，孔軸向錐度為0.01～0.025 mm，導致衍磨工序無法穩定進行，從而無法控制？準160? +0.05 mm內孔尺寸。

2）兩處120 +0.12 mm的開口槽，由于淬火后的高硬度很難通過機加工確保公差，這就要求熱處理形變必須控制在圖紙公差帶范圍內。而常規滲碳淬火工藝輔以等溫或分級淬火油，結果兩槽出現變形方向、大小不一雜亂情形，總體變形散差在0.06～0.11 mm。基于此，如何保證兩槽變形小于0.05 mm，且使開口變形方向規律化（一致化），成為該產品熱處理的關鍵。

3）新工藝小批量試制：通過采用低溫低碳勢工藝輔以70 ℃的快速淬火油冷卻達到了比較完美的效果。淬火油冷卻曲線圖如圖3所示。

金相組織：殘奧1級，碳化物1級，未見其他不良組織，表面硬度、硬化層梯度、滲層深度均滿足技術要求。

變形結論：？準160? +0.05 mm內孔縮小0.01～0.015 mm且無失圓、無錐度，兩槽口一致呈外“八”字0.02～0.03 mm，槽底漲縮變形小于0.01 mm。至此，該滲碳淬火工藝基本滿足了產品圖紙要求，消除了常規滲碳淬火處理時形變較大且無規律性的缺陷。

4）穩定工藝與批量生產：為追求批量生產的穩定性和可靠性，對兩槽的熱處理前尺寸進行了優化。即將120 +0.12 mm開口槽調整為12+0.08 +0.02 mm，槽口做成0.03 mm的內“八”字形，以形成“反變形”，如圖4（a）所示。實踐證明：？準16 mm孔穩定，兩槽反變形成功，如圖4（b）所示。槽底寬與槽口寬尺寸偏差在0.01 mm以內，達到了預期效果。通過試樣、小批量的認證，優化完善了滲碳淬火工藝（圖5）。

目前該產品已大批量多爐次生產，熱處理合格率達100%，產品品質達到了全球同行業的頂尖水平。

4? ? 結論

（1）低溫低碳勢工藝是控制零件形變的關鍵。首先，低溫保持了滲碳淬火前退火或正火獲得的良好晶粒度，阻止了淬火過程中晶粒長大的可能性，從而控制了零件的形變量。其次，眾所周知，馬氏體含碳量越高，越易變形。低碳勢極大地限制了馬氏體引起的體積膨脹，從而有效控制了形變。

（2）冷卻液及冷卻方式的選擇對控制零件形變起著舉足輕重的作用。從新工藝選擇的淬火油冷卻曲線圖（圖3）不難看出，其蒸汽膜階段極短，沸騰階段的冷卻性相對較大，從而保證了工件優良的淬透性和均勻性。

（3）低溫低碳勢的淬火工藝相比傳統的滲碳淬火工藝，雖然熱處理成本增加了8%～10%，但零件的綜合成本卻有著巨大的優勢，極大地提高了產品質量的穩定性。

5? ? 展望

低溫低碳勢工藝輔以快速油冷卻這種滲碳淬火工藝能有效改善零件的相變應力和熱應力，從而獲取理想的形變狀態。但在實際應用中其尚未被大多數人所接受，緩慢冷卻、分級等溫、工裝輔助等觀念仍束縛著我們的想象空間。我們在現場雖然還沒有獲得更多關于該工藝對產品形變應力改善的具體參數，但實質的改善卻是顯而易見的。現場各類產品的實踐充分證明了該工藝對形變控制的優越性和穩定性。當然，該工藝還有待從熱處理形變機理的熱應力和組織應力兩方面做進一步深入研究探討。

收稿日期：2020-05-06

作者簡介：呂鐵錚（1962—），男，浙江新昌人，機械高級工程師，研究方向：機械材料與制造。