低壓真空滲碳技術在軸齒熱處理中的應用與變形控制

王達鵬 郭成龍 董笑飛 吳寧 姜瑜 高志勇

（1.中國第一汽車集團有限公司工程與生產物流部，長春 130011；2.一汽解放汽車有限公司傳動事業部，長春 130011；3.中國第一汽車集團有限公司研發總院，長春 130011；4.一汽解放商用車開發院工藝材料部，長春 130011）

1 前言

相對于傳統的可控氣氛滲碳熱處理，真空熱處理技術更具備“綠色、環保、節能、高效”的技術特點。在當前歐州、美國、日本等發達國家的汽車工業中，低壓真空熱處理技術已經得到廣泛應用，伴隨汽車行業競爭日益激烈，我國環保形勢日益嚴峻，汽車產品技術逐步提高，軸齒低壓真空滲碳熱處理技術將逐步替代常規可控氣氛滲碳熱處理技術成為主要的熱處理生產技術。

汽車運行時，變速箱軸和齒輪不僅承受高速轉動時的扭矩和沖擊，還承受強大的振動力、摩擦力，而且必須滿足在高溫環境下運行；作為變速箱中的關鍵部件，軸和齒輪產品需要具備良好的機械性能、綜合力學性能和耐高溫性能；變速箱齒輪經滲碳淬火后，表面碳含量增加，形成針狀馬氏體和殘余奧氏體組織，增強了表面強度和耐磨性，心部仍維持較低的含碳量，能夠保證較高的強度和沖擊韌性。變速箱齒輪和軸在熱處理過程中始終伴有產品變形，在實際生產中，過大的變形量以及不同條件下變形量的變化在工件經過熱后磨削加工后，會造成硬化層的深淺不一，使得殘余應力分布不均，影響齒輪的使用壽命。

將依據我廠引進使用的ECM（依西埃姆工業爐貿易有限責任公司）真空滲碳熱處理設備及實際生產實踐，通過試驗分析各種維度對齒輪零件的變形影響因素，研究齒輪變形控制方法，提高產品質量。

2 真空熱處理技術及應用簡介

2.1 真空熱處理滲碳技術工藝原理及實施過程

低壓真空滲碳熱處理工作原理是在低壓5×10-4～15×10-4MPa真空狀態下，通過多段脈沖式的滲碳+擴散與1個集中的擴散過程，達到所需硬化層深度的方法，如圖1所示。實際生產中對于1種零件，1個脈沖過程一定層深內調整的層深范圍為0.05～0.07 mm，即每增加或減少1個脈沖階段，層深相應的增加或減少0.05～0.07 mm；通過優化調整滲碳、擴散時間配比，可以實現控制表面碳濃度以及滲碳層深的目的。

圖1 低壓真空脈沖式滲碳+擴散原理示意

脈沖式滲碳擴散工藝參數如滲碳擴散溫度、滲碳脈沖時間和次數，以及氣體流量、淬火控制一般由設備內置模擬軟件和人工實際生產操作經驗并依據零件材料、滲碳總表面積、層深等參數模擬運算得出。零件經滲碳擴散過程完畢后，移動至氣淬單元，瞬間通入大量高壓氮氣使其在零件表面快速流轉冷卻降溫，實現氣體冷卻淬火。

我廠引進的法國ECM真空滲碳爐共有6個低壓滲碳室，1個氣淬室和1個油淬室。一般滲碳壓力為8×10-4MPa左右，低壓真空滲碳介質選用乙炔，滲碳過程乙炔流量一般選用2 500～3 500 L/h，氣淬時選用氮氣為淬火介質，最大淬火壓力≤2 MPa。真空爐設置有專門的冷卻循環水系統，同時整個真空熱處理系統設備配有5 個低溫回火爐用于淬火后的低溫回火熱處理，1 臺前清洗和1 臺后清洗設備以及風冷臺和1 個高溫回火爐，低壓氮氣罐用于儲存保護氣體氮氣，高壓氮罐用于儲存淬火用高壓氮氣，軌道小車負責將放置零件的料盤傳輸至各處理單元，中央控制系統管控各處理單元完成相應的工藝過程操作，整個設備系統運行由ECM 真空爐內置ICBP（低壓滲碳模塊化設備）控制系統智能操控并自動運行，ECM 真空熱處理設備系統總覽示意圖如圖2 所示。一般真空滲碳熱處理爐工藝過程描述為上料、前清洗、脫脂、滲碳/擴散（多段脈沖）、氣淬、回火、風冷、下料。

真空滲碳熱處理中的滲碳介質常采用乙炔（C2H2）或者丙烷（C3H8），國外的研究資料表明，采用乙炔能夠明顯改善零件不同位置滲層深度均勻性，尤其對盲孔可以有效進行滲碳，對于齒輪類零件，采用乙炔介質，齒輪的齒根和節圓部位滲層深度均勻性最好[1]；采用丙烷在生產中非常容易產生焦油，易造成工件與工裝接觸區硬化層不合格[2]，因此我廠ECM 真空爐滲碳熱處理選用乙炔為滲碳介質。除需要較快冷速的較大軸類零件和大齒輪零件需要油淬外，一般齒輪零件及齒輪軸都可采用氣淬方式，圖3 和圖4 為我廠ECM 真空爐實物。

目前我廠ECM 真空爐搭載的產品主要為乘用車變速箱軸齒零件等，產品應用材料分類如表1 所示，圖5 所示為我廠應用真空滲碳淬火技術生產的變速箱軸齒零件。

圖2 引進的法國ECM真空熱處理設備系統總覽示意

圖3 ECM真空爐

圖4 真空滲碳室、高壓氮氣罐

表1 真空滲碳熱處理產品應用材料分類

圖5 真空熱處理零件

2.2 真空滲碳熱處理與傳統可控氣氛式滲碳熱處理工藝的差異

一般的傳統可控氣氛式滲碳熱處理工藝基本過程描述為脫脂、升溫、強滲（滲碳或碳氮共滲）、擴散、降溫后保溫、淬火、后清洗、回火。強滲（碳氮共滲）和擴散階段是一定濃度的碳、氮原子連續持續滲入已經完全奧氏體化的零件表面，通過強滲和擴散工藝，使零件表面滲層的合理呈現梯度分布，隨后通過淬火工藝和回火工藝，最終達到符合技術要求的硬化層深度和表面硬度以及心部硬度。

現生產的大眾MQ200變速箱輸出軸，毛坯材料為TL4521（相當于20CrNi2MoH），已經應用低壓真空滲碳熱處理技術和傳統可控氣氛滲碳熱處理技術同時進行生產，其低壓真空滲碳熱處理工藝過程為：清洗后入爐預熱升溫，通入氮氣；升溫至450 ℃，脫脂60 min；快速升溫至920 ℃，保溫90 min，保持低壓真空狀態，使工件充分奧氏體化；脈沖滲碳擴散+集中擴散90 min；降溫預冷至840 ℃，保溫40 min；高壓氣體淬火，氣淬壓力為1.1～2 MPa，時間為5 min；回火和風冷。圖6為大眾MQ200變速箱輸出軸低壓真空滲碳熱處理工藝過程示意。

圖6 大眾MQ200變速箱輸出軸低壓真空滲碳熱處理工藝過程示意

真空熱處理技術工藝過程與傳統可控氣氛式滲碳熱處理工藝過程基本相似，不同點如下。

a.其強滲和擴散階段是在低壓真空狀態下，采用脈沖式滲碳原理，即通過多個強滲（滲碳介質）+擴散（氮氣）以及1 個集中的擴散過程，達到其最終滲層要求的工藝過程；

b.在低壓真空狀態下，可有效避免零件表面氧化，熱后不會產生非馬組織，同時規避零件表面合金元素的氧化反應，滲碳速度和效率明顯提高，生產周期顯著縮短，零件表面硬度、殘余壓應力得到有效保證，延長零件使用壽命。圖7 與圖8 分別為傳統滲碳熱處理與真空滲碳熱處理后的表層金相組織，可以看到傳統熱處理后的表層組織氧化形成了非馬氏體組織層；

圖7 傳統滲碳熱處理后表層非馬氏體組織（500×）

圖8 真空滲碳熱處理后表層無非馬氏體組織（500×）

c.真空滲碳熱處理過程中不會產生CO、SO2等有害氣體或表面物質，環境污染小，具有綠色環保的特點；

d.真空熱處理淬火過程應用氣體持續對流冷卻方式淬火，具有熱處理變形小的特點；

e.真空熱處理淬火一般采用氣淬方式，且淬火氣體可以回收，避免淬火油對工件的污染，圖9 所示為經過真空滲碳熱處理后的齒輪和齒輪軸，最終得到的零件表面潔凈，呈現“土豪金”光澤，即使采用油淬，也是在真空的淬火室里，避免了大量氣體液體污染，真空技術對零件表面有很強的凈化效果，零件可以省去熱后清洗和清理拋丸工序；

圖9 真空熱處理后的齒輪和軸表面均呈現“土豪金”光澤

f.傳統箱式爐、連續爐以及環形爐生產時需要提前3～5 d 對爐內升溫預熱、爐罐滲碳，而且降溫過程也比較慢，因此傳統熱處理爐一般不會停爐，在不生產時也處于保溫狀態，以減少開閉爐升溫預熱過程的漫長等待時間，而真空熱處理爐則沒有這個顧慮，可以根據生產需要隨時開啟設備，完成生產后可以關閉設備，具備節能、高效等特點。

3 低壓真空滲碳熱處理工藝對齒輪變形影響研究

齒輪熱處理工藝過程中伴隨有復雜體積相變過程，齒輪的變形受相變過程組織內應力和熱應力共同影響作用。試驗零件為我廠某變速箱齒輪，尺寸結構如圖10 所示，試驗設備采用ECM 低壓真空滲碳熱處理設備系統進行試驗，分別從材料、熱處理條件、氣淬壓力、預冷溫度、裝爐方式等方面試驗分析對齒輪熱處理變形的影響。

3.1 常用齒輪材料及其真空滲碳淬火工藝參數

齒輪材質的不同，其淬透性不同，依據我廠滲碳鋼技術系列標準Q/CAM-11.2-2017《滲碳鋼技術條件第2 部分：Mn-Cr 系列》、Q/CAM-11.3-2016《滲碳鋼技術條件第3 部分：Cr-Mn-Ti 系列》、Q/CAM-11.5-2017《滲碳鋼技術條件第5 部分：Cr-Ni-Mo 系列》，可知需要的熱處理滲碳擴散、氣淬壓力等工藝參數不同，得到的檢驗結果也不同。應用ECM 真空爐進行4 種常用齒輪材質的試驗零件真空熱處理試驗研究，氣體淬火時間均為300 s，根據齒輪材質淬透性選用對應的熱處理參數、氣體淬火壓力范圍，并且裝爐方式均為平裝方式，得到對應的試驗結果，如表2 所示。

圖10 試驗齒輪尺寸結構

通過分析表2 結合實際生產經驗，可知材質不同，選擇的熱處理工藝不同；各材質的淬透性不同，層深和材料淬透性有關系，材料淬透性越好，滲碳工藝層深更深；齒輪熱后心部硬度與材料淬透性有關，淬透性上不去，心部硬度亦上不去。

表2 不同材質零件真空熱處理試驗工藝參數和檢驗結果

就熱處理工藝而言，淬透性越好的材料，滲碳熱處理效果越好；不同的材料綜合性能不同，需要結合產品設計、機械性能綜合來看。

3.2 氣體淬火壓力對真空熱處理變形的影響

氣體淬火壓力代表了冷卻速度，一般淬火時氣體淬火壓力越大，零件冷卻速度越快，試驗得到的硬化層深度越深，心部硬度越高，相應的氣體淬火變形也越劇烈。對比氣體淬火壓力試驗研究，試驗齒輪的前期預處理工藝、機械加工制造過程相同，熱處理采用的脫脂溫度400 ℃、加熱滲碳擴散溫度920 ℃及預冷溫度840 ℃，熱處理工藝過程相同，裝爐方式均為平裝，變量為氣體淬火壓力分別選用1.9 MPa 和2.0 MPa，氣淬時間300 s。該齒輪真空熱處理工藝參數如表3所示，變量對比及檢驗結果如表4所示。

表3 真空熱處理工藝參數

表4 氣體淬火壓力變量對比及檢驗結果

由于試驗齒輪前期預處理工藝和采用的機械加工制造過程相同，因此熱前齒輪內孔尺寸、平面度基本一致，分別對試驗齒輪內孔直徑和內圈端面跳動進行熱前熱后檢測對比，在不同氣體淬火壓力下，試驗齒輪的熱處理變化如圖11 所示。

由圖11 可知，在氣淬壓力大時，內孔直徑變化量略大；在保證齒輪心部硬度的前提下，氣淬壓力越小，相對來說變形控制略好；氣淬壓力增大，層深變深，相應變形亦增大；變形量越小的齒輪在后續磨削加工后，得到的有效硬化層深度會更均勻。

圖11 不同氣淬壓力齒輪的熱處理變化

3.3 淬火預冷溫度對變形的影響

在零件表面硬度和心部硬度以及金相組織技術要求范圍內，合理選用淬火預冷溫度能夠避免馬氏體組織粗大，降低熱處理變形，提高齒輪韌性和疲勞強度。分別進行840 ℃和870 ℃溫度的淬火預冷溫度變形對比試驗研究，該試驗齒輪預處理工藝、脫脂、滲碳擴散及回火工藝以及氣淬壓力等參數相同，裝爐方式為吊裝。

通過淬火預冷溫度對比試驗，所獲得的零件表面硬度、硬化層深度、心部硬度均基本相同，表層組織均為針狀馬氏體+殘余奧氏體3級，如圖12所示；心部組織也均為板條馬氏體+鐵素體組織，亦相差不大，均處于合理技術要求范圍內，如圖13 所示。預冷淬火溫度分別為840 ℃與870 ℃時，平面度變化相差不大，但預冷溫度為870 ℃經淬火后，內孔收縮量波動略大，周節累計偏差Fp為870 ℃略好于840 ℃，相差很小，齒圈跳動Fr變形量相差不大，如圖14 所示。因此，在保證技術要求的前提下，淬火預冷溫度越低，相對變形控制越好，如若采用較高淬火預冷溫度有可能會造成淬火后組織應力較大、心部硬度過高，導致零件韌性降低，嚴重時可造成零件報廢。

3.4 裝爐方式對變形的影響

齒輪真空熱處理工藝平裝與吊裝的不同影響因素在于：加熱與冷卻溫度均勻性以及受裝爐定位方式的影響，自身各部位重力的差異。對試驗齒輪分別應用平裝與吊裝2 種裝爐方式對比變形試驗，熱處理工藝完全相同，齒形、齒向、鼓形量、周節累計和齒圈跳動偏差、齒輪測量起點相同，工件裝夾方向均為標識面朝上。不同裝爐方式齒輪熱處理變化結果如圖15 所示，齒輪精度變形數據及變化量統計如表5 所示。

圖12 滲碳淬火后的表面組織針狀馬氏體+殘余奧氏體3級（500×）

圖13 滲碳淬火后的心部組織板條馬氏體+鐵素體（500×）

試驗對比可知，齒輪吊裝熱后內圈端面跳動小于平裝，說明齒輪吊裝時平面度好于平裝，吊裝熱后內孔直徑變化波動大，這是由于受自身重力因素影響，齒輪吊裝時內孔收縮，變化量大于平裝，平裝變化量較小。

圖14 不同預冷溫度齒輪的熱處理變化

通過分析表5不同裝爐方式齒輪精度的熱處理變形數據以及實際檢測結果可得，齒形變化趨勢為齒頂熱后微微收縮，齒根熱后微微脹大（平裝與吊裝兩者均有），如圖16所示；平裝與吊裝齒形變形量幾乎相同都是提升1級左右，熱前9級，熱后8級；受重力因素影響，平裝熱后齒向變化為平裝下方齒向脹大、上方齒向收縮，即與熱處理工裝接觸一側的齒向向外凸，齒向的變形呈八字形變形，如圖17 所示；吊裝熱后齒向變得沒有規律性，如圖18所示，由于平裝熱后齒向變形是有規律的，這種變化規律有利于通過齒輪熱前反向修形來控制齒輪熱后變形，從而提高齒輪熱后精度；平裝齒向變形量大于吊裝。鼓形量幾乎無大變化；平裝周節累計偏差Fp與齒圈跳動Fr變形量略好于吊裝（相差在1級內）。

圖15 不同裝爐方式齒輪的熱處理變化

表5 不同裝爐方式齒輪精度的熱處理變形數據及變化量統計表

圖16 齒輪熱前熱后齒形變化趨勢

圖17 齒輪平裝熱前熱后齒向變化趨勢

試驗研究齒輪在平裝與吊裝不同裝爐方式情況下真空滲碳熱處理變形的區別，有利于在實際生產中根據齒輪設計裝配需要以及變形傾向需求來選擇合適的裝爐方式。試驗用齒輪選擇吊裝的裝爐方式進行生產，更利于保證熱后端面平面度的裝配定位精度，便于熱后定位面直接裝配。

圖18 齒輪吊裝熱前熱后齒向變化趨勢

4 分析與討論

a.低壓真空滲碳技術具備“綠色、環保、節能、高效”的技術特點，這項技術在變速箱軸齒零件熱處理中的應用發展，將有助于提升產品技術能級，有效提高產品質量和技術產品競爭力。

b.通過試驗研究，試驗用TL4521材質的變速箱齒輪的低壓真空熱處理工藝參數為滲碳溫度920 ℃、預冷溫度840 ℃、氣淬壓力1.9 MPa，裝爐方式為吊裝，保證了熱后齒輪滲碳層表面硬度764 HV1，層深0.65 mm，心部硬度368 HV30，金相組織符合產品技術要求，內孔尺寸精度變化<0.05 mm，端面平面度精度變化<0.05 mm，有效控制熱處理變形，保證齒輪熱后端面平面度的裝配定位精度，便于熱后定位面直接裝配。

c.齒輪熱處理變形受裝爐方式的影響存在明顯差異傾向，齒輪平裝熱后內孔精度較好，平面度不好，而吊裝熱后內孔精度不好，平面度較好。平裝與吊裝兩者齒頂熱后均微微收縮，齒根熱后微微脹大；平裝熱后齒向變形更有規律性，呈八字形變形，而吊裝熱后齒向變得沒有規律性；實際生產中可根據齒輪設計裝配和定位需要以及變形傾向需求來選擇合理的裝載方式，有效利用齒輪的熱處理變形規律來為生產服務。

5 結束語

近年來，軸齒真空熱處理技術作為1 項綠色環保、節能高效的現代化熱處理技術，在國內外汽車變速箱零件加工生產中獲得了不斷應用和發展。就軸齒真空熱處理技術的工藝原理、實施過程、應用優勢以及對齒輪的變形影響進行論述和分析，希望為真空熱處理工藝后的產品質量精度控制提供有效保障和技術支持，希望真空熱處理技術能夠在未來汽車加工制造中進一步推廣應用。