中间齿轮轴热处理工艺的探索

中间齿轮轴热处理工艺的探索

摘要：文章对中间齿轮轴的热处理工艺参数及装炉方式进行研究，目的为改善热处理后金相组织、提高表面硬度、缩短强渗阶段与淬火阶段的降温时间，节约能源，降低成本。改进前热处理工艺参数为920℃渗碳+830℃淬火+180℃回火，改进后热处理工工艺参数为890℃渗碳+850℃淬火+180℃回火，分析可知：降低渗碳温度可降低渗碳层的含碳量，减少渗层中残余奥氏体量，增加零件表面硬度和耐磨性；提高淬火温度有利于碳化物溶解和奥氏体均匀化，提高零件表面硬度。设计新工装，改变装炉方式，减小变形量。关键词：中间齿轮轴；渗碳淬火；硬度

1 中间齿轮轴结构及技术要求

1.1 中间齿轮轴的结构如图1所示

1.2 中间齿轮轴的技术要求

中间齿轮轴在车间进行渗碳处理，工艺路线为：装筐+前清洗+渗碳淬火+清洗+回火+检验+抛丸+校正+检验+转工，其中渗碳淬火、回火影响零件技术指标较重要的工序

2 中间齿轮轴热处理工艺及分析

2.1 热处理工艺

为了改善中间齿轮轴的表面组织及心部组织，提高表面硬度及耐磨性，防止中间齿轮轴渗碳后校正工序产生裂纹，增加零件的使用寿命，在其它条件相同的情况下进行不同的热处理工艺试验，并对不同工艺处理后的中间齿轮轴性能变化进行研究。原渗碳工艺的强

渗温度选择为920℃，强渗时间设定为55min，淬火温度选择为830℃，淬火保温时间设定为30min，由920℃降到830℃所用的时间为160min。改进后渗碳工艺的强渗温度选择为890℃，强渗时间设定为100min，淬火温度选择为850℃，淬火保温时间设定为30min，由890℃降到850℃所用的时间为70min。

2.2 两种热处理工艺对比进行理论分析

由此我们可以分析得出，两种热处理渗碳工艺生产出的产品的指标都在规定技术范围内，但改进工艺后零件的性能有了显著的变化，除了渗层降低以外，表面硬度、心部硬度有所提高，残余奥氏体、碳化物等级有所降低。改进后工艺与改进前工艺对比分析如下：2.2.1 渗碳温度由920℃降到890℃

渗碳温度的高低，直接影响碳在奥氏体中的溶解度、扩散速度[1]，在高温下碳化物聚集长大，导致晶粒粗大，使用寿命降低。钢的加热温度越高，奥氏体中溶解碳的能力越大，渗碳层厚度就越大。一般情况下，渗碳层厚度增加会伴随着渗碳层含碳量的增加，淬火后残余奥氏体量也就增多，由于奥氏体有较小的比容，当表面层中残余奥氏体量较多时，就改变了渗碳层中残余内应力的分布情况使残余压应力减小，从而导致疲劳强度较低，耐磨性能差，降低零件的使用寿命。因此渗碳温度由920℃降到890℃，减少渗层表面的含碳量，淬火后使残余奥氏体的量与碳化物含量减少（分别由4及降到3级），晶粒比较细小，增加了表面硬度（由80hra、81hra 提高到82 hra、83 hra）。

由于渗碳温度降低，会使零件表面含碳量降低，从而导致渗层变浅，但本工艺试验得到的渗层满足设计图纸的要求。

2.2.2 淬火温度由830℃提高到850℃

渗碳零件经过淬火后，其渗碳层的组织应为高碳马氏体、碳化物和残余奥氏体。提高淬火温度有利于奥氏体均匀化和碳化物溶解，从而使淬火组织转变的更完全，表面得到更多的高碳马氏体，减少的碳化物及残余奥氏体，表面硬度由80hra、81hra提高到82 hra、83 hra，心部得到更多的低碳马氏体，基本不存在铁素体，心部硬度由30hrc、33hrc提高到32hrc、34hrc。

3 工装分析

由于中间齿轮轴的工装设计问题，使得中间齿轮轴ⅳ齿的单齿跳动量经常超差，有时会造成零件返修或报废。

3.1 对原工装使用情况进行分析

原工装在零件进行垂直装炉时，因支撑孔设计问题，经常会造成个别中间齿轮轴的ⅳ齿的单齿作为支撑点。在装炉时即便操作者非常认真装炉，使零件摆放非常垂直，但零件入炉时（用机械爪向炉内送零件时），也会有零件倾斜，使个别零件ⅳ齿的单齿作为支撑点，造成热后单齿变形超差。

3.2 改进后工装使用情况

零件装入工装上时采用不用齿轮ⅳ齿为支撑点，而是用轴的根部做支撑点。在保证零件的垂直摆放的条件下，支撑孔加台阶和缩小孔径，保证了零件的稳定性，所以不会再出现零件入炉时零件倾斜

现象，保证了零件始终垂直入炉、出炉。这样可以使齿轮的ⅳ变形量达到最小化。

4 中间齿轮轴工艺改进的经济效益

经过以上分析可知降低渗碳温度，提高淬火温度，可以改善零件的金相组织、提高表面硬度，不仅如此，还可以节约能源，降低生产成本。

原渗碳工艺：中间齿轮轴从入炉升温到920℃所用时间为150min，920℃强渗55min，920℃降至830℃用160min。

现改进后渗碳工艺：中间齿轮轴从入炉升温到890℃所用时间为110min，890℃强渗100min，890℃降至850℃用70min。

两种工艺对比可知：

工艺改进后每炉比原工艺每炉节省费用为：

升温阶段节省：（150-110）/60*100kw/h*0.71元/kw=47.33元

降温阶段节省：（160-70）/60*100kw/h*0.71元/kw=106.5元

原工艺每炉比改进后每炉节省费用为：

强渗时间阶段节省：（100-55）/60*100kw/h*0.71/kw=53.25元

综上所述：改进工艺后每炉节约为106.5+47.33-53.25=100.58

元/炉

按年15万台计算，中间齿轮轴为单台1件，一炉装炉量为140件，则全年节约为

150000/140*100.58=107764.28元

5 结论与体会

5.1 通过对中间齿轮轴渗碳工艺的探索，了解到降低渗碳温度，可减少渗层表面的含碳量，淬火后使残余奥氏体的量与碳化物含量减少，晶粒比较细小，增加了表面硬度；提高淬火温度有利于奥氏体均匀化和碳化物溶解，从而使淬火组织转变的更完全，表面得到更多的高碳马氏体，减少了碳化物及残余奥氏体，表面硬度提高，心部得到更多的低碳马氏体，基本不存在铁素体，心部硬度增加。

5.2 重新设计工装，改变装炉方式，避免了因中间齿轮轴的ⅳ齿单齿作为支撑点造成的跳动量超差。