（中国重汽集团济南桥箱有限公司 山东 济南 250104）
【摘要】：本文主要介绍通过材料淬透性调整大型齿轮的热处理工艺的方法，本文开发了两套渗碳淬火工艺，并设定了使用条件，通过该种方式的探讨和开发，不仅大幅提高生产效率，同时也使此类产品质量水平得到稳步提升。
【关键词】：淬透性；端淬曲线；理想临界直径
Material hardenability and adjustments hardening heat-treatment process for mid-truck`s gear
YAN Lina
(1.China National Heavy Duty Truck Group Jinan Axle)
Abstract: Is mainly introduced in this paper through quenched materials through the adjustment method of the heat treatment process of large gear, this paper develops two sets of carburizing and quenching process, and set the conditions of use, through the way of research and development, not only a substantial increase in production efficiency, and also make such product quality steadily improved.
Key words: Quenching property; end quench curve; ideal critical diameter
我公司生产的中型卡车双级车桥使用的大直径盘式锥型齿轮直径达到393mm，如图1所示。齿轮材料为22CrMo，化学成分（质量分数，%）为C:0.19-0.25，Mn:0.55-0.90，Si:0.17-0.37，Ni:0.02以下，Cr:0.85-1.25，Mo:0.35-0.45，P≤0.035，S≤0.035，Cu≤0.03；齿数Z=35，模数m=11，最大外径495，高66.5，单件成品重量为43 kg。渗碳淬火热处理技术要求为：硬化层深（全硬化层）1.0～1.3mm，表面硬度57～65 HRC，齿心部硬度30～45 HRC，金相要求马氏体M、碳化物K和残余奥氏体A’组织为1～4级、表面网状非马氏体组织层深≤0.02，表面不允许有脱碳层；尺寸精度要求为内孔椭圆度≤0.10，外圆平面度≤0.10，内圆平面度≤0.10。工艺流程为：毛坯锻造成型→预先等温正火→机加工→渗碳→淬火→清洗→回火→车内孔→齿轮配对→强力抛丸→入库。
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1项目起因
前期MAN中卡被动锥齿轮在连续线渗碳淬火时发生渗碳层深超差、批量裂纹的情况，引起相关人员及公司领导的高度重视，产品裂纹形态为被动锥齿轮周向环形裂纹。该产品技术要求为1.0-1.3mm，按原热处理工艺热加工（渗碳、淬火、回火）后发现碳层层深达到了1.6-1.8mm，层深超差很大。而同时生产的同材料（22CrMo）的STR被动锥齿轮（技术要求为0.9-1.2mm）的碳层层深合格。同材料、同工艺的被动锥齿轮，同一设备同时热加工后碳层层深有如此大的差别，是从未遇到的，以往已经验证过的工艺也无法继续使用，由于连续线是连续装炉生产，导致等检测出层深超差时后续产品已经装炉，此次虽及时采取了补救措施，依然造成产品渗碳层层深超差20%以上（超出让步接收的标准）以及产生裂纹的废品， 共计达到500余套。
2项目调研
通过现场生产加工及测试,对人、机、料、法进行了排查，选定了导致淬硬层不稳定的主要原因,并对主要原因进一步进行分析，主要原因有：材料淬透性高和工艺参数未与材料淬透性匹配。
经过直读式光谱仪检测化学成分发现该批材料的碳含量达到了上线0.248%（要求0.19-0.25%），利用材料淬透性经验公式，经计算淬透性超差，淬透性J7=49.72HRC，而MAN技术标准对材料淬透性要求J7为40-47HRC，材料淬透性越强，渗碳后产品渗层深度过渡区减小，有效硬化层深越深，导致齿轮使用性能降低。
热处理工艺延用以前试制阶段和样件阶段的工艺，920℃渗碳，830℃淬火，推盘周期为15min。
3项目内容
3.1计算理想临界直径
不同含碳量及奥氏体晶粒度时碳钢的理想临界直径，考虑合金元素的作用，其数值越大，材料淬透性越强，当其值大于100mm时，不能达到实用程度。其计算公式如下：
DI=DIC*FMn*FCr*FSi*FNi…
式中D1：为钢的理想临界直径
D1C ：为碳钢（与所述钢的含碳量相同）的理想临界直径
对此批材料取中卡从动轮样块和STR从动轮样块进行成分检验：
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奥氏体晶粒度控制在6-7级（要求5-8级），由图1可得中卡DI为4.65mm, STR的DI为4.2mm；中卡FMn*FCr*FSi*FMo*FNi为3.78*3.3*2.1*1.2*1=31.43，STR的FMn*FCr*FSi*FMo*FNi为3.81*3.3*2.1*1.1*1=29.04, 最终得出此批中卡材料的理想临界直径为146.15，STR材料的理想临界直径为121.97。当该值大于100mm时，其误差大于15%，故不能达到实用程度。产生偏离的原因有：
1当以半马氏体区作为衡量标准时，先形成贝氏体或珠光体，二者对其影响就不同，计算中只考虑了合金元素量，未考虑合金元素对该二种转变的影响；
2合金元素单独存在或共同存在，对其作用不同；
3淬透性高的钢，常含有大量碳化物行成元素，这些元素极难溶解。
3.2根据化学成分计算端淬曲线
此方法是根据钢中化学成分，直接计算离端淬试样水冷端不同距离处的硬度值。试验表明，所有合金元素在距水冷端10mm以内的影响较明显，而大于10mm后其影响趋于常数。现我们计算低碳合金钢J6-40处的端淬硬度，通过距离水端不同位置处的硬度来判断材料的淬透性。
经验公式为：
J6-40=74√C+14Cr+54Ni+29Mo+16Mn-16.8√S+1.386S+7HRC（S为距水端的距离）
带入公式可算得：中卡J7为50.53HRC，STRJ7为44.02HRC。技术标准要求J7=40-47HRC(见表1)
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4HRC
考虑到调整工艺只比较碳含量及合金元素的局限，我们通过计算材料淬透性的经验公式J6-40，每批材料化验完毕后计算出淬透性J7,通过不断积累的数据并进行比较不断优化工艺。通过计算比较，中卡材料的淬透性不符合技术标准要求，而同样材料的STR产品符合技术标准要求。
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由上表可以看出，在制定热处理工艺时需要特别注意材料的淬透性，我们将J7(要求40-47HRC)分为两个标准，当J7为下限时（J7=40-44）根据经验我们选择高温渗碳工艺（图3）；当J7为上限时（J7=45-47）根据经验我们选择低温渗碳工艺（图4）。如果生产中出现高淬透性材料时，如本次事件中材料淬透性J7已经高达49.72HRC，超出标准时，我们可以用低温渗碳工艺挽救，生产时根据实际情况向下调节节拍周期。
通过多次实验，我们在爱协林双排连续炉上总结出以下两种工艺方案：一种定义为高温渗碳工艺，为920℃渗碳+830℃淬火，推盘周期15min；一种定义为低温渗碳工艺，为880℃渗碳+830℃淬火推盘周期16min。
针对淬透性高的材料可以采用低温渗碳工艺，减小产品高温变形，通过以上工艺热加工出的产品符合产品技术要求。因此目前我们在正常生产时，对每批材料都进行成分检测，根据检测结果，利用计算材料淬透性经验公式计算每批材料的淬透性（端淬曲线），并据此调整选择不同的热处理工艺。
4效益分析
由于产品材料的淬透性数据无法实现批次实时反馈，采用后推式计算材料的淬透性，有利于热处理工艺的选择，在很大程度上弥补了因淬透性高导致的材料变形及产品报废问题。通过实施该项目，每年可减少损失百万以上。
5实施效果
现已完成MCY13、MAN中卡相关产品的淬透性与工艺参数的调整，下一步推广到其它产品的热处理工艺中。创新后在一定程度上控制了产品质量，包括渗碳层深、产品变形等，都有很大程度改观，使产品质量相对稳定，特别是被动锥齿轮平面控制在技术要求范围内。
参考文献：
[1]中国机械工程学会热处理学会《热处理手册》编委会.热处理手册（第3版、第1册）[M]. 北京：机械工业出版社出版, 2001.
论文作者:燕丽娜,刘辉玲,王丙利
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第08期
论文发表时间:2019/9/10
标签：渗碳论文; 材料论文; 工艺论文; 齿轮论文; 直径论文; 产品论文; 临界论文; 《科学与技术》2019年第08期论文;