汽車齒輪為汽車的關(guān)鍵零件，若汽車齒輪存在質(zhì)量問題，可使汽車的安全性受到威脅。當(dāng)前生產(chǎn)高精度、低噪聲、使用壽命長的汽車齒輪已成為汽車制造領(lǐng)域的發(fā)展方向。但大多數(shù)齒輪均存在生產(chǎn)效率低、能量消耗大等現(xiàn)象，如何提高汽車齒輪的質(zhì)量成為亟待解決的問題。為進(jìn)一步提高汽車齒輪的性能，通過多項(xiàng)熱處理工藝對(duì)齒輪進(jìn)行熱處理，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車齒輪的優(yōu)化，有利于提高汽車的安全性。
一、汽車齒輪熱處理工藝概述
汽車齒輪的制造原材料為低碳合金滲碳鋼，其制造工序主要包括 5 個(gè)步驟：
(1) 采用鍛造工藝完成齒輪毛坯的制作；
(2) 利用預(yù)先熱處理工藝對(duì)齒輪毛坯進(jìn)行預(yù)處理；
(3) 對(duì)預(yù)處理后的齒輪毛坯進(jìn)行切削加工，使齒輪毛坯與預(yù)設(shè)的形狀相符合；
(4) 實(shí)施滲碳淬火工藝，通過該方式得到汽車齒輪的高碳表面層；
(5) 利用冷熱加工工序?qū)X輪毛坯進(jìn)行精加工處理，該步驟可重復(fù)多次。
經(jīng)過制造工序形成的汽車齒輪具有良好的耐磨性、耐疲勞性以及耐腐蝕性等優(yōu)勢(shì)，汽車齒輪的表面硬度較高、心部韌性較好，可廣泛應(yīng)用于汽車制造領(lǐng)域。
預(yù)先熱處理工藝： 該工藝為汽車齒輪制造過程的核心步驟，通過對(duì)汽車齒輪毛坯進(jìn)行預(yù)先熱處理，可使汽車齒輪毛坯的表面呈現(xiàn)較高的硬度，為齒輪毛坯的第 2 次熱處理做鋪墊。傳統(tǒng)預(yù)先熱處理工藝的核心方法為正火處理，該方法對(duì)設(shè)備的要求較低，可在無任何大型加工設(shè)備的基礎(chǔ)上完成汽車齒輪的制作。采用正火處理方法生產(chǎn)汽車齒輪時(shí)，該方法對(duì)能量的消耗較少，同時(shí)對(duì)工藝的要求較為簡單，被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)中。但該方法可使汽車齒輪出現(xiàn)毛坯強(qiáng)度較低以及變形的問題，將該齒輪用于汽車生產(chǎn)中，不利于維持汽車的穩(wěn)定運(yùn)行。
滲碳工藝：該工藝主要通過氣體滲碳的方式提升汽車齒輪的綜合力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于汽車齒輪的生產(chǎn)。大多數(shù)汽車生產(chǎn)商均采用滲碳工藝進(jìn)行齒輪生產(chǎn)，氣體滲碳工藝實(shí)際上是一種較為常見的表面硬化處理工藝，將該工藝引進(jìn)低碳鋼的生產(chǎn)中，可使低碳鋼的性能達(dá)到較高水平。大多數(shù)汽車生產(chǎn)廠家為生產(chǎn)出性能最佳的滲碳層深度，在汽車生產(chǎn)設(shè)備中引進(jìn)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，通過計(jì)算機(jī)全程控制汽車的生產(chǎn)程序，該系統(tǒng)控制的主要內(nèi)容為滲碳的深度以及表面硬度，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的支持下，有利于降低汽車齒輪出現(xiàn)變形現(xiàn)象的概率。
碳氮共滲工藝： 為保證汽車齒輪具有良好的滲透深度及硬度，本研究選用碳氮共滲工藝對(duì)汽車齒輪進(jìn)行處理。碳氮共滲工藝可在特定的時(shí)間內(nèi)提升汽車齒輪滲透層的深度及硬度，同時(shí)該工藝可最大限度地降低汽車零件出現(xiàn)變形的概率，并提升汽車齒輪的強(qiáng)度以及耐磨性能。碳氮共滲工藝是經(jīng)過多次試驗(yàn)和研究后形成的先進(jìn)技術(shù)，最開始被應(yīng)用在坦克的齒輪生產(chǎn)中，隨后被推廣至民用汽車的齒輪生產(chǎn)，最終普及于全國的汽車齒輪生產(chǎn)。
滲氮工藝： 該工藝為傳統(tǒng)熱處理工藝中的一種，采用該工藝進(jìn)行汽車齒輪的生產(chǎn)，可使汽車齒輪的承載能力無法得到預(yù)期效果，不利于滲氮工藝的推廣。但滲氮工藝對(duì)溫度的要求較低，采用該工藝完成汽車齒輪的生產(chǎn)時(shí)，可降低鍛造坯的畸變程度，并減少加工工藝的程序。將該技術(shù)應(yīng)用于汽車齒輪生產(chǎn)中，有利于降低單位的生產(chǎn)成本。
感應(yīng)淬火：大部分汽車生產(chǎn)廠家在汽車齒輪的制造初期均采用感應(yīng)淬火的方式完成生產(chǎn)，該工藝具有較高的生產(chǎn)效率，可有效降低工件的變形概率;同時(shí)還具有能量消耗低、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于汽車生產(chǎn)領(lǐng)域。
二、基于熱處理工藝的汽車齒輪鍛坯優(yōu)化試驗(yàn)方法
本研究為提高汽車齒輪的質(zhì)量，通過多種熱處理工藝對(duì)齒輪鍛坯進(jìn)行熱處理，從而獲取良好的切削性和均勻的組織，有利于減低汽車齒輪鍛坯在滲碳淬火時(shí)發(fā)生不規(guī)則變形的概率。為獲取熱處理工藝對(duì)汽車齒輪鍛坯性能的影響，對(duì)汽車齒輪鍛坯的性能進(jìn)行研究。
汽車齒輪鍛坯試驗(yàn)材料：汽車齒輪鍛坯性能試驗(yàn)開始之前，應(yīng)完成試驗(yàn)的準(zhǔn)備工作，選用 20MnCr5 鋼汽車齒輪鍛坯作為該試驗(yàn)的樣本;20MnCr5 鋼汽車齒輪鍛坯的化學(xué)成分和質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表 1 所示。
表 1 20MnCr5 鋼汽車齒輪鍛坯的化學(xué)成分和質(zhì)量分?jǐn)?shù)
汽車齒輪鍛坯的選材及生產(chǎn)方式:
(1) 將 20MnCr5 鋼的化學(xué)成分作為主要依據(jù)，在化學(xué)成分的基礎(chǔ)上完成汽車齒輪鍛坯的配料，利用感應(yīng)淬火工藝對(duì)試驗(yàn)樣本進(jìn)行熱處理，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)樣本的熔煉，通過電渣重熔的方法對(duì)汽車齒 輪鍛坯進(jìn)行冶煉、澆注以及冷卻等操作，即可獲取尺寸為 φ200 mm × 700 mm 的 20MnCr5 鋼棒狀坯料;
(2) 采用閉式模鍛的方法完成試驗(yàn)樣本的鍛壓，在自制的模具上以此進(jìn)行下料、加熱、鐓粗、預(yù)鍛、終鍛以及沖連皮等操作，即可實(shí)現(xiàn)汽車齒輪鍛坯的生產(chǎn);
(3) 利用模鍛系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)完畢的汽車齒輪鍛坯進(jìn)行處理，可提升該材料的基本性能，該系統(tǒng)包括上下模、汽車齒輪鍛坯以及毛邊槽等部分。
對(duì)汽車齒輪鍛坯進(jìn)行鍛壓過程中，整個(gè)生產(chǎn)工序的始鍛溫度為 1 150 ℃，終鍛溫度控制在 800 ℃，鍛壓變形量為 8.6% ，汽車齒輪鍛坯試驗(yàn)樣本的熱處理工藝如表 2 所示。
表 2 汽車齒輪鍛坯試驗(yàn)樣本的熱處理工藝
汽車齒輪鍛坯試驗(yàn)方法：本研究對(duì)汽車齒輪鍛坯試驗(yàn)樣本的耐磨損性能進(jìn)行測(cè)試時(shí)，采用 THT 型高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)作為該試驗(yàn)的核心設(shè)備。對(duì)試驗(yàn)樣本進(jìn)行選取時(shí)，將試驗(yàn)樣本切割成尺寸為 φ10 mm × 5 mm 的棒狀結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)樣本切割完畢后，將其置于室溫環(huán)境下，驗(yàn)證汽車齒輪鍛坯的耐磨損性能。試驗(yàn)開始前，將 THT 型高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的載荷控制在 100 N，相對(duì)滑動(dòng)速度調(diào)節(jié)至 120 mm /min，磨輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至 240 r/min，磨損時(shí)間為 20 min。試驗(yàn)開始之后，應(yīng)實(shí)時(shí)記錄試驗(yàn)樣本的體積變化情況，并根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)完成磨損體積的計(jì)算，最后利用 JSM6510 型掃描電子顯微鏡( SEM) 對(duì)磨損后的試驗(yàn)樣本的表面形貌進(jìn)行觀察。
對(duì)汽車齒輪鍛坯試驗(yàn)樣本的拉伸性能進(jìn)行測(cè)試時(shí)，采用 BDL - 500L 型拉伸試驗(yàn)機(jī)作為該試驗(yàn)的核心設(shè)備。對(duì)試驗(yàn)樣本進(jìn)行選取時(shí)，將汽車齒輪切割成尺寸為 φ20 mm × 15 mm × 5 mm 的矩形結(jié)構(gòu)，該試驗(yàn)樣本為 V 型開口，其開口的深度為 2 mm。試驗(yàn)樣本切割完畢后，將其置于室溫環(huán)境下，驗(yàn)證汽車齒輪鍛坯的拉伸性能。試驗(yàn)開始之前，將試驗(yàn)樣本的拉伸速度調(diào)節(jié)為 1 mm/s。試驗(yàn)開始之后，應(yīng)實(shí)時(shí)記錄試驗(yàn)樣本的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度以及斷后伸長率等變化情況。最后利用 JSM6510 型掃描電子顯微鏡 (SEM) 對(duì)試驗(yàn)樣本的拉伸斷口形貌進(jìn)行觀察。
三、基于熱處理工藝的汽車齒輪鍛坯優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果與分析
汽車齒輪鍛坯耐磨損性能：通過對(duì)汽車齒輪鍛坯的耐磨損性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證可知，不同的熱處理工藝可使汽車齒輪鍛坯的耐磨損性能出現(xiàn)不同程度的變化。研究采用常規(guī)退火方法對(duì)汽車齒輪鍛坯試驗(yàn)樣本進(jìn)行熱處理時(shí)，試驗(yàn)樣本的磨損體積與退火溫度之間呈反比關(guān)系變化，隨著退火溫度的不斷升高，可使試驗(yàn)樣本的磨損體積逐漸減小，當(dāng)試驗(yàn)樣本的磨損體積降至最小范圍時(shí)，呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。采用等溫退火方法對(duì)汽車齒輪鍛坯試驗(yàn)樣本進(jìn)行熱處理時(shí)，試驗(yàn)樣本的體積出現(xiàn)明顯減小的情況，試驗(yàn)樣本的磨損體積與耐磨損性能之間呈反比關(guān)系變化。隨著試驗(yàn)樣本磨損體積的減小，可提升汽車齒輪鍛坯的耐磨損性能。當(dāng)試驗(yàn)樣本磨損體積出現(xiàn)增長的情況時(shí)，可使汽車齒輪鍛坯的耐磨損性能逐漸變差。由試驗(yàn)樣本的變化情況可知，采用常規(guī)退火和等溫退火的方法分別對(duì)試樣樣本進(jìn)行熱處理，其中等溫退火方法更具優(yōu)勢(shì)，有利于增強(qiáng)試驗(yàn)樣本的耐磨損性能。汽車齒輪鍛坯耐磨損性能測(cè)試結(jié)果如圖 1 所示。
圖 1 汽車齒輪鍛坯耐磨損性能測(cè)試結(jié)果從圖 1 可以看出，退火溫度控制在 800 ℃時(shí)，眾多試驗(yàn)樣本中，編號(hào) 1 的磨損體積最大，其數(shù)值為 31.8 × 10-3 mm3 ，該試驗(yàn)樣本的耐磨損性能最差。當(dāng)退火溫度控制在 860 ℃時(shí)，眾多試驗(yàn)樣本中，編號(hào) 4 的磨損體積數(shù)值為 17.1 × 10-3mm3 ，采用對(duì)比分析的方式對(duì)編號(hào) 4、1 進(jìn)行分析，編號(hào) 4 較編號(hào) 1 的磨損體積減小了 46% 。采用常規(guī)退火方法對(duì)試驗(yàn)樣本進(jìn)行熱處理時(shí)，編號(hào) 4 的磨損體積最小，但該樣本的耐磨損性能最優(yōu)。當(dāng)退火溫度控制在 880 ℃ 時(shí)，編號(hào) 4 的磨損體積數(shù)值為 21.5 × 10-3 mm3 ，編號(hào) 4 較編號(hào) 1 的磨損體積減小了 32% ，其耐磨損性能呈下降趨勢(shì)變化。
對(duì)汽車齒輪鍛坯進(jìn)行熱處理時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制退火的溫度，適宜的退火溫度在一定程度上可提高汽車齒輪鍛坯的耐磨損性能。選用常規(guī)退火方法對(duì)樣本進(jìn)行熱處理時(shí)，應(yīng)將退火的溫度調(diào)節(jié)為 860 ℃。采用等溫退火方法對(duì)汽車齒輪鍛坯進(jìn)行處理時(shí)，編號(hào) 6 的磨損體積為 11.8 × 10-3 mm3 ，該樣本的磨損體積較編號(hào) 1 降低了 63% ，較編號(hào) 4 降低了 31% 。等溫退火方法處理的試驗(yàn)樣本性能明顯優(yōu)于常規(guī)退火方法處理的試驗(yàn)樣本。
采用常規(guī)退火和等溫退火方法分別對(duì)試驗(yàn)編號(hào) 4、6 的樣本進(jìn)行處理，并利用 JSM6510 型掃描電子顯微鏡分析試驗(yàn)編號(hào) 4、6 的表觀面貌。其中編號(hào) 4 的表面出現(xiàn)較多的磨痕，并伴隨起皮現(xiàn)象，該樣本的磨損現(xiàn)象較為嚴(yán)重。編號(hào) 6 的表面存在少量細(xì)小的磨痕，該樣本的起皮現(xiàn)象較少，耐磨損性能較之前具有明顯改善。綜上所述，等溫退火工藝更適用于汽車齒輪的生產(chǎn)制造，可使汽車齒輪的耐磨損性能出現(xiàn)明顯提升。
汽車齒輪鍛坯拉伸性能：通過對(duì)汽車齒輪鍛坯的拉伸性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證可知，不同的熱處理工藝可使汽車齒輪鍛坯的拉伸性能出現(xiàn)不同程度的變化。本研究采用常規(guī)退火方法對(duì)汽車齒輪鍛坯試驗(yàn)樣本進(jìn)行熱處理時(shí)，隨著退火溫度的提升，試驗(yàn)編號(hào) 1 ～ 5 的性能變化情況為：汽車齒輪鍛坯試驗(yàn)樣本的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì);而斷后伸長率呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)。采用等溫退火方法對(duì)汽車齒輪鍛坯試驗(yàn)樣本進(jìn)行熱處理時(shí)，試驗(yàn)編號(hào) 6 的性能變化情況為：汽車齒輪鍛坯試驗(yàn)樣本的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均優(yōu)于常規(guī)退火方法處理的樣本，其斷后伸長率方面小于常規(guī)退火工藝處理的樣本。汽車齒輪鍛坯拉伸性能測(cè)試結(jié)果如圖 2 所示。
圖 2 汽車齒輪鍛坯拉伸性能測(cè)試結(jié)果
從圖 2 可以看出，對(duì)汽車齒輪鍛坯進(jìn)行熱處理時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制退火的溫度，適宜的退火溫度在一定程度上可提高汽車齒輪鍛坯的拉伸性能。選用常規(guī)退火方法對(duì)樣本進(jìn)行熱處理時(shí)，應(yīng)將退火的溫度調(diào)節(jié)為 860 ℃。采用等溫退火方法對(duì)汽車齒輪鍛坯進(jìn)行處理時(shí)，可使試驗(yàn)樣本的性能明顯優(yōu)于常規(guī)退火方法處理的試驗(yàn)樣本。
采用常規(guī)退火和等溫退火方法分別對(duì)試驗(yàn)編號(hào) 4、6 的樣本進(jìn)行處理，并利用 JSM6510 型掃描電子顯微鏡分析試驗(yàn)編號(hào) 4、6 的表觀面貌。其中編號(hào) 4 的表面出現(xiàn)較淺的粗大韌窩;編號(hào) 6 表面的韌窩明顯減小、變深。綜上所述，等溫退火工藝更適用于汽車齒輪的生產(chǎn)制造，可使汽車齒輪的拉伸性能出現(xiàn)明顯提升。
四、結(jié)語
本研究為進(jìn)一步提升汽車齒輪的質(zhì)量，采用多種熱處理工藝對(duì)齒輪鍛坯進(jìn)行熱處理，有利于減低汽車齒輪鍛坯在滲碳淬火時(shí)發(fā)生不規(guī)則變形的概率。通過對(duì)汽車齒輪鍛坯的性能進(jìn)行研究，獲取熱處理工藝對(duì)汽車齒輪鍛坯性能的影響。不同的熱處理工藝可使汽車齒輪鍛坯的耐磨損性能出現(xiàn)不同程度的變化。眾多工藝中，等溫退火工藝更適用于汽車齒輪的生產(chǎn)制造，將該方法應(yīng)用于汽車齒輪生產(chǎn)中，可提升汽車齒輪的整體質(zhì)量。
參考文獻(xiàn)略.