連鑄坯形對變速箱零部件熱變形的影響

湯文馨，范王展，桂偉民，張曉菊

(陜西法士特汽車傳動集團有限責任公司，陜西 西安 710119)

汽車制造已經逐步成為我國國民經濟中帶動整個經濟增長和結構升級的支柱產業。隨著科技與時代的進步，目前汽車傳動系統趨于輕量化、精密化和高性能化。除了機械加工，熱處理變形也是影響變速箱零部件精密性的主要因素之一，熱處理變形量較大或熱變形規律不穩定都可能導致零件報廢[1-2]。因此，改善零部件熱處理變形是提高產品裝配精度、降低變速器運行噪聲、延長產品服役壽命的有效方法之一。

從理論上講，由于相變的存在，熱處理變形不可避免，只能盡可能減小熱變形或實現對熱變形的有效控制[3]。熱處理變形是一個影響因素眾多的復雜過程，在實際工況中，工件的結構形狀、原材料質量、熱處理前的加工狀態、工件自重以及熱處理時工件的支承或夾持等因素都對熱變形有影響[4]。目前，絕大多數的齒輪鋼均采用連鑄生產，再熱軋成棒材。不同的連鑄生產線形成的坯形不同，而不同坯形具有不同的材料偏析情況，對工件熱處理變形的影響也不同[5]。因此，研究不同連鑄坯形鋼材對齒輪熱處理變形的影響，對產品的選材設計、精度提高、減損降本具有指導意義。本文選取自主開發的一種典型齒輪件進行熱變形試驗，對比分析圓形和方形連鑄坯對變速箱零部件的熱變形影響。

1 實驗方法

本文選用的試驗鋼種為撫順特殊鋼廠和湖北新冶鋼廠提供的8620RH鋼材，該材料采用電爐熔煉→爐外精煉→真空脫氣→連鑄→熱軋成材，經不同坯形的連鑄生產線形成不同連鑄坯后熱軋成圓鋼棒材，其中撫順特殊鋼廠的連鑄坯形為方坯，湖北新冶鋼廠的連鑄坯形為圓坯。表1為試驗鋼的主要化學成分。由于淬透性對產品的熱變形影響較大[6]，為控制變量，選取的兩種鋼材淬透性相近，以消除淬透性對熱變形的影響，鋼材淬透性見圖1。

表1 試驗鋼的主要化學成分(質量分數，%)Table 1 Main chemical composition of the experimentalsteel (mass fraction，%)

圖1 試驗鋼的淬透性Fig.1 Hardenability of the experimental steel

為研究鋼材連鑄坯形對零件熱變形的影響，將不同坯形的軋制鋼材加工成齒輪零件進行變形驗證，在相同的熱處理工藝下進行滲碳淬火并保證試驗件裝爐位置一致。熱處理前后對試驗件每隔120°測量其關鍵尺寸，測量點如圖2所示。同時，為研究材料偏析情況，在未經熱處理的試驗件上每隔120°切取一個試樣，在試樣橫截面由齒頂向齒內按平均間距檢測試樣的材質、顯微組織，取樣檢測位置如圖3所示。采用PDA-8000型光電直讀光譜儀檢測試樣的化學成分。試樣經金相拋光后，用4%硝酸酒精腐蝕，在DMI 5000金相顯微鏡下觀察其顯微組織。

圖2 試驗件尺寸測量點示意圖Fig.2 Schematic diagram of size measuring points for test sample

圖3 試驗件取樣檢測位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of sampling location for test sample

2 試驗結果及分析

不同坯形鋼材制造的齒輪熱處理變形數據見表2及圖4。

表2 不同坯形鋼材制造的齒輪熱處理變形數據Table 2 Data of heat treatment deformation of the gearwith different continuous casting billet

(a)方坯；(b)圓坯圖4 不同坯形試樣的熱處理變形(a)circular billet；(b)round billetFig.4 Heat treatment deformation of samples with different continuous casting billet

由表2和圖4可知，兩種坯形鋼材制造的齒輪經滲碳淬火后內徑均呈縮小趨勢，方坯制造的齒輪內徑平均縮減量大于圓坯，且方坯齒輪內徑橢圓度大于圓坯。橢圓度越小，零件變形的均勻性越好，均勻的變形形式有利于齒輪制造企業預測、控制并修正，有利于提高齒輪精度。由此可見，該試驗中，圓坯軋制鋼材制造的齒輪熱處理變形均勻性比方坯的好，熱變形趨勢更穩定。有研究表明，在熱處理過程中，由于溫度或者相變不均勻產生的熱應力和組織應力導致的變形是鋼材熱處理變形的根本原因[7-8]。在本研究中，由于熱處理條件相同，因此相變不均勻是導致本實驗中試驗件發生熱變形的根本原因，而相變不均勻與試樣上存在的材料成分偏析、組織不均勻等因素有關[9-10]。為了深入研究出現上述熱變形結果的原因，對試驗件滲碳淬火前的材料化學成分及顯微組織進行分析。

圖5為不同坯形鋼材制造的齒輪試樣滲碳淬火前的化學成分偏析情況，偏差值越大，偏析越嚴重。可以看到，等圓周半徑上，方坯試樣的C含量偏差均大于圓坯，表明方坯試樣的碳偏析較圓坯嚴重；主要合金元素Cr、Ni、Mo含量的偏差值整體上方坯均大于圓坯，方坯試樣的合金元素偏析較圓坯嚴重。因此，圓坯軋制鋼材制造的齒輪橫截面化學成分偏析程度較低，成分均勻性優于方坯。

(a)C；(b)Cr；(c)Ni；(d)Mo圖5 不同坯形的齒輪滲碳淬火前化學成分偏析情況(每兩柱為一組，左為方坯，右為圓坯)Fig.5 Segregation of chemical composition of gears with different continuous casting billet before carburizing quenching (each two columns is one group,left is square billet,right is round billet)

對于不同連鑄坯形鋼材制造的齒輪，滲碳淬火前在齒輪橫截面由齒頂向齒內截取3個試樣，進行金相顯微組織觀察，如圖6所示。由圖可以看出，兩種坯形的試樣沿齒頂向齒內均呈現一定程度的帶狀組織形貌，且帶狀組織程度無明顯差異。還可以發現，兩種坯形的試樣均為鐵素體和珠光體的混合組織，但珠光體含量存在一定差異。方坯試樣的珠光體含量較圓坯試樣多，圖(d1)、(e1)、(f1)中的珠光體含量分別為32%、40%、32.8%，偏差值為4.4；圖(d2)、(e2)、(f2)中的珠光體含量分別為30.5%、31%、29.7%，偏差值為0.66，遠小于方坯試樣。從圖6可以看出，方坯試樣橫截面上的組織分布均勻性比圓坯差[11]。珠光體團的出現說明局部碳偏高，這種現象與上述分析的方坯試樣C含量偏析較明顯相一致。因此，本實驗中方坯的成分偏析與組織不均勻導致方坯制造的齒輪熱變形穩定性較差。

(a1)(d1)方坯,齒頂；(b1)(e1)方坯,齒中；(c1)(f1)方坯，齒內；(a2)(d2)圓坯,齒頂；(b2)(e2)圓坯,齒中；(c2)(f2)圓坯，齒內圖6 不同坯形的齒輪滲碳淬火前的顯微組織(a1)(d1)square billet, tooth tip；(b1)(e1)square billet, intermediate gear；(c1)(f1)square billet，internal gear；(a2)(d2)round billet,tooth tip；(b2)(e2),round billet齒中；(c2)(f2)round billet，internal gearFig.6 Microstructure of gear with different continuous casting billet before carburizing quenching

3 結論

1)連鑄坯形對齒輪鋼的熱處理變形有一定影響，在淬透性相近和熱處理工藝相同的情況下，連鑄圓坯軋制鋼材制造的齒輪熱處理變形較方坯均勻。

2)連鑄方坯軋制鋼材制造的齒輪熱變形均勻性較差，主要是橫截面化學成分偏析明顯且組織不均勻導致的。