CN101638791A - 一种驱动桥主从动锥齿轮的热处理加工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种驱动桥主从动锥齿轮的热处理加工工艺，包括以下步骤：先进入风冷室中风冷，然后进入稀土渗碳室进行稀土渗碳，本发明的工艺是在传统热处理基础上，采用预先等温正火处理，然后进行催渗的化学热处理渗碳工艺，其能使齿轮在形变、强度和使用寿命等方面获得明显的提高，而且能够节约能源，减少热前的冷加工工时和热后磨削量，使得生产成本在整体上得到大幅度的削减。试验证明，在后续热处理工艺不变的前提下，采用等温正火后的齿轮淬火后的一次合格率可提高20％左右；在渗碳工艺不变的条件下，采用催渗技术可以使渗碳层厚度增加20－30％，或在相同的技术要求情况下，通过添加催渗剂就可以降低渗碳温度40－50℃。

Description

一种驱动桥主从动锥齿轮的热处理加工工艺

技术领域

本发明涉及一种驱动桥主从动锥齿轮的热处理加工工艺。

背景技术

目前，随着汽车行业的蓬勃发展，汽车的产量每年都在急剧增长。前桥、后单桥、后双桥，以及各种型号的载重货车对驱动桥主从动锥齿轮的需求大为增加，对其形变、强度和使用寿命等性能要求也在不断提高。传统的热处理工艺已不能满足这些要求，急需一种既能提高汽车驱动桥主从动锥齿轮质量，又能降低加工成本的热处理工艺。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供了一种驱动桥主从动锥齿轮的热处理加工工艺，加工后，锥齿轮的形变、强度和使用寿命等性能均得到提高，本工艺不仅能够节约能源，减少热前的冷加工工时和热后磨削量，而且使得生产成本在整体上得到大幅度的削减。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种驱动桥主从动锥齿轮的热处理加工工艺，包括以下步骤：

1)将需要处理的锥齿轮加工件置于风冷室中，在温度43～52℃、风量85-95立方米/小时下风冷60～75s；

2)风冷后置于等温炉中，在温度650～670℃下等温180～190min；

3)置于冷却台上，风冷方式(风机吹送自然风冷却)，冷却至自然温度18～23℃；

4)进入稀土渗碳一室，进行稀土渗碳，工艺参数为：温度850～880℃，RX(为渗碳用富化气体)12～13m³/h，碳势0，稀土流量0L/min，推料周期5min；

5)进入稀土渗碳二室，进行稀土渗碳，工艺参数为：温度880～920℃，RX10～12m³/h，碳势0.80～0.86％，稀土流量10～25L/min，推料周期6～8min；

6)进入稀土渗碳三室，进行稀土渗碳，工艺参数为：温度880～920℃，RX15～30m³/h，碳势1.10～1.30％，稀土流量15～30L/min；推料周期6～8min；

7)进入稀土渗碳四室，进行稀土渗碳，工艺参数为：温度850～890℃，RX8～12m³/h，碳势0.90～1.00％，稀土流量10～15L/min，推料周期6～8min；

8)进入稀土渗碳五室，进行稀土渗碳，工艺参数为：温度830℃，RX8～12m³/h，碳势0.80～0.90％，稀土流量10～25L/min，推料周期6～8min；热处理完成。

所述步骤4)～8)中，在每个稀土渗碳室的时间一般为半个小时左右，具体应用时，可根据工件大小来确定时间长短。

本发明的工艺是在传统热处理基础上，采用预先等温正火处理，然后进行催渗的化学热处理渗碳工艺，其能使齿轮在形变、强度和使用寿命等方面获得明显的提高，而且能够节约能源，减少热前的冷加工工时和热后磨削量，使得生产成本在整体上得到大幅度的削减。试验证明，在后续热处理工艺不变的前提下，采用等温正火后的齿轮淬火后的一次合格率可提高20％左右；在渗碳工艺不变的条件下，采用催渗技术可以使渗碳层厚度增加20-30％，或在相同的技术要求情况下，通过添加催渗剂就可以降低渗碳温度40-50℃。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、采用的技术为等温正火与后续的稀土催渗相结合，是将两种减少变形的工艺相结合，此种工艺现有技术中未见有报道。

2、采用等温正火技术可提高零件的组织状态，采用催渗技术可提高零件渗碳层的质量和齿轮的力学性能，这两种工艺相结合可提高零件的综合机械性能。

3、采用等温正火与低温稀土催渗相结合工艺，可减少主、从动锥齿轮的变形，降低废品率，减少后续磨削工序的工作量，从而降低成本。

4、在不改变渗碳温度的情况下，采用稀土渗碳技术后预计可提高生产效率10-15％，预计节电10-15％，并节省其它辅助材料。

驱动桥主从动锥齿轮经本发明的工艺处理后，在尘产率和产品质量上有大幅的提高，产品优于传统热处理的产品，在激烈的市场竞争中可处于优势地位，发展前景十分美好，具有很大的推广价值和应用价值。

附图说明

图1为试样经不同等温温度处理后的金相组织；

其中，等温温度分别为：(a)660℃；(b)620℃；(c)540℃；(d)500℃。

图2为在不同温度下稀土添加量与渗碳层深的关系；

其中，(a)880℃，(b)920℃。

图3为在渗碳温度920℃下有无稀土渗碳层厚度的对比；

其中，(a)有稀土，(b)无稀土。

图4为渗层中显微硬度分布示意图；

其中，(a)渗碳温度920℃、推料周期45min；(b)渗碳温度880℃、推料周期35min。

图5为渗碳温度900℃、碳势1.25％、周期45min时有无稀土时渗层的显微组织比较示意图；

其中，(a)加稀土，(b)无稀土。

图6为渗碳温度920℃、碳势1.15％时有无稀土时渗层的显微组织比较示意图；

其中，(a)加稀土，(b)无稀土。

图7为20CrMoH钢有无稀土添加渗碳多次冲击抗力值对比直方图。

图8为传统渗碳齿轮内孔锥度直方图。

图9为稀土渗碳齿轮内孔锥度直方图。

图10为传统渗碳齿轮内孔椭圆度直方图。

图11为稀土渗碳齿轮内孔椭圆度直方图。

具体实施方式

下面结合实施例和实验对本发明作进一步的说明：

实施例1：对驱动桥主从动锥齿轮进行热处理加工的工艺，步骤如下：

1)将需要处理的锥齿轮加工件置于风冷室中，在温度43℃、风量85～95立方米/小时下风冷75s；

2)风冷后置于等温炉中，在温度650℃下等温190min；

3)置于冷却台上，风冷方式(风机吹送自然风冷却)，冷却至自然温度18～23℃；

4)进入稀土渗碳一室，进行稀土渗碳，工艺参数为：温度850℃，RX 12m³/h，碳势0，稀土流量0L/min，推料周期5min；

5)进入稀土渗碳二室，进行稀土渗碳，工艺参数为：温度880℃，RX11m³/h，碳势0.84％，稀土流量20L/min，推料周期6min；

6)进入稀土渗碳三室，进行稀土渗碳，工艺参数为：温度880℃，RX15m³/h，碳势1.10％，稀土流量15L/min；推料周期8min；

7)进入稀土渗碳四室，进行稀土渗碳，工艺参数为：温度850℃，RX11m³/h，碳势0.98％，稀土流量14L/min，推料周期6min；

8)进入稀土渗碳五室，进行稀土渗碳，工艺参数为：温度830℃，RX8m³/h，碳势0.90％，稀土流量15L/min，推料周期7min；热处理完成。

所述步骤4)～8)中，在每个稀土渗碳室的时间为25～40min之间。

实施例2：对驱动桥主从动锥齿轮进行热处理加工的工艺，步骤如下：

1)将需要处理的锥齿轮加工件置于风冷室中，在温度52℃、风量85～95立方米/小时下风冷60s；

2)风冷后置于等温炉中，在温度670℃下等温180min；

3)置于冷却台上，风冷方式(风机吹送自然风冷却)，冷却至自然温度18～23℃；

4)进入稀土渗碳一室，进行稀土渗碳，工艺参数为：温度880℃，RX13m³/h，碳势0，稀土流量0L/min，推料周期5min；

5)进入稀土渗碳二室，进行稀土渗碳，工艺参数为：温度920℃，RX11m³/h，碳势0.82％，稀土流量15L/min，推料周期8min；

6)进入稀土渗碳三室，进行稀土渗碳，工艺参数为：温度920℃，RX30m³/h，碳势1.30％，稀土流量30L/min；推料周期6min；

7)进入稀土渗碳四室，进行稀土渗碳，工艺参数为：温度890℃，RX9m³/h，碳势0.95％，稀土流量12L/min，推料周期8min；

8)进入稀土渗碳五室，进行稀土渗碳，工艺参数为：温度830℃，RX12m³/h，碳势0.80％，稀土流量20L/min，推料周期6min；热处理完成。

所述步骤4)～8)中，在每个稀土渗碳室的时间为25～40min之间。

实施例3：对驱动桥主从动锥齿轮进行热处理加工的工艺，步骤如下：

1)将需要处理的锥齿轮加工件置于风冷室中，在温度46℃、风量85～95立方米/小时下风冷70s；

2)风冷后置于等温炉中，在温度660℃下等温185min；

3)置于冷却台上，风冷方式(风机吹送自然风冷却)，冷却至自然温度18～23℃；

4)进入稀土渗碳一室，进行稀土渗碳，工艺参数为：温度860℃，RX12.5m³/h，碳势0，稀土流量0L/min，推料周期5min；

5)进入稀土渗碳二室，进行稀土渗碳，工艺参数为：温度890℃，RX12m³/h，碳势0.86％，稀土流量25L/min，推料周期7min；

6)进入稀土渗碳三室，进行稀土渗碳，工艺参数为：温度890℃，RX20m³/h，碳势1.20％，稀土流量20L/min；推料周期7min；

7)进入稀土渗碳四室，进行稀土渗碳，工艺参数为：温度860℃，RX12m³/h，碳势0.90％，稀土流量15L/min，推料周期7min；

8)进入稀土渗碳五室，进行稀土渗碳，工艺参数为：温度830℃，RX10m³/h，碳势0.85％，稀土流量10L/min，推料周期8min；热处理完成。

所述步骤4)～8)中，在每个稀土渗碳室的时间为30min。

实施例4：对驱动桥主从动锥齿轮进行热处理加工的工艺，步骤如下：

1)将需要处理的锥齿轮加工件置于风冷室中，在温度50℃、风量85～95立方米/小时下风冷65s；

2)风冷后置于等温炉中，在温度655℃下等温188min；

3)置于冷却台上，风冷方式(风机吹送自然风冷却)，冷却至自然温度18～23℃；

4)进入稀土渗碳一室，进行稀土渗碳，工艺参数为：温度870℃，RX12m³/h，碳势0，稀土流量0L/min，推料周期5min；

5)进入稀土渗碳二室，进行稀土渗碳，工艺参数为：温度900℃，RX10m³/h，碳势0.80％，稀土流量10L/min，推料周期6min；

6)进入稀土渗碳三室，进行稀土渗碳，工艺参数为：温度900℃，RX25m³/h，碳势1.2％，稀土流量25L/min；推料周期7min；

7)进入稀土渗碳四室，进行稀土渗碳，工艺参数为：温度870℃，RX8m³/h，碳势1.00％，稀土流量10L/min，推料周期8min；

8)进入稀土渗碳五室，进行稀土渗碳，工艺参数为：温度830℃，RX9m³/h，碳势0.83％，稀土流量25L/min，推料周期8min；热处理完成。

所述步骤4)～8)中，在每个稀土渗碳室的时间为35min。

实验1：确定等温正火的最佳技术方案：

等温正火：正火是渗碳钢锻件预先热处理的主要手段，其目的是消除或改善坯料制备时所造成的各种组织缺陷，获得最利于切削加工的组织和硬度，改善组织中相的形态和分布，细化晶粒，为最终热处理作好组织准备。

正火工艺原则上是将钢件加热至Ac3或Acm以上30℃-50℃，保温一定时间，使奥氏体均匀化，然后出炉在空气中或以其他方式冷却。由于正火是为了获得珠光体类组织，要求其冷却速度要小于其临界冷却速度，否则，会发生贝氏体或马氏体转变。

在实际生产中，正火加热温度常常略高于上述温度。如果正火作为预先热处理，则更宜取上限温度，提高加热温度能够促进奥氏体均匀化，增大过冷奥氏体的稳定性。这样有利于组织均匀化。另外，为了减少后序渗碳、淬火后的变形缺陷，要求其奥氏体化温度要高于以后进行的热处理温度。

在生产实际中，渗碳钢锻造毛坯经正火处理后，出于不能控制正火的冷却速度，因此奥氏体分解相变无法控制，必然在一个温度区间内连续进行。因而获得的显微组织和硬度也可能不同，有些钢件由于冷却速度较大，有可能局部甚至全部获得非平衡组织(α-Fe魏氏组织、贝氏体等)，这不仅影响切削加工性能，而且也会改变钢件渗碳淬火后的变形规律，会因变形过大而报废。这种情况在淬透性波动较大的钢中更易出现。对于冷却速度较小的钢件，由于钢的硬度过低，切削时易发生塑性变形，形成切削瘤，出现“粘刀”、“烧刀”现象。

等温正火是指合金钢件经奥氏体化后直接进入等温炉或随炉冷至等温温度保持一定时间使其完成(α+P)或P相变，而后出炉空冷的工艺过程，适合于过冷奥氏体相当稳定P相变温度范围窄的中高碳合金钢种。由于70年代前无等温正火这个名词，人们把低碳合金钢锻件的等温处理也叫等温退火。80年代以来等温正火名称已在词典中出现。一般把合金渗碳钢特别是低合金渗碳钢锻件的等温处理称为等温正火。齿坯采用等温正火，能够对相变进行控制，即齿坯奥氏体化后，迅速冷却到A1以下的珠光体相变温度等温，使相变在等温温度下进行，由于等温正火能够有效地控制冷却时的相变，使相变在等温温度下进行，避免了带状组织超差，非平衡组织(α-Fe魏氏体组织、贝氏体组织、马氏体组织)出现。为切削加工及渗碳淬火做了组织和性能准备。

在机械组件中，由于变形引起的齿轮几何形状的变化，实质上是产生噪音和局部应力集中的根源，这使其使用寿命降低。而且对于大多数汽车渗碳钢件，渗碳淬火后一般不进行磨削加工，其渗碳淬火后的变形直接影响到装配总成的最终质量，因此渗碳零件热处理时的变形必须严格控制。影响渗碳钢件变形的因素很多，主要有如下几个方面：①零件形状；②材料(钢种、淬透性等)；③锻造；④毛坯热处理；⑤机械加工；⑥渗碳淬火规范。对于大量生产的汽车零件，在影响渗碳钢件变形的诸因素中，人们的注意力往往集中在渗碳淬火方面，而最易忽视的是锻坯的预先热处理一正火。在实际生产中常常出现的零件渗碳淬火后变形过大的现象，往往正是由于预先热处理不当引起的。变形的表现形式是多样的，但就其产生根源，可分为内应力(热应力和组织应力)造成的应力塑性变形和比容变化引起的体积变形(即比容变形)。由于渗碳淬火前后钢件的显微组织不同，而不同的显微组织的比容是不同的，因而钢件渗碳淬火后的体积必然与渗碳淬火前不同。不同的体积变化，对于厚薄不均的零件又会引起形状变化。但是只要掌握其尺寸变化规律，可以通过控制切削加工留好的预变形量，就可以使零件渗碳淬火后少量变形甚至不变形。

近年来，随着引进车型带来齿轮材料多样化和对齿轮质量的高标准要求，采用普通正火处理已难以满足汽车生产的要求。锻件的正火处理不仅要求硬度在一个较窄的范围之内(钢件切削加工时易断屑，表面光洁)，而且要求获得稳定的显微组织(较粗的铁素体晶粒加较细的珠光体)，以改善切削加工性能及稳定渗碳淬火后的变形规律。为了满足上述要求，需要对正火工艺进行改进，以获得正火所要求的显微组织和硬度范围。

本发明的发明人采用不同的等温温度处理试样，并测定其硬度，观察组织，结果如表1所示。

表1

由表可知，

等温正火的显微组织如图1所示。

由表1和图1可以看出，由于等温温度不同，所获得的显微组织、硬度值不同。等温温度为660℃与600℃时，均获得了平衡组织铁素体加珠光体，而且随着等温温度的降低，铁素体晶粒减少，珠光体晶粒和片间距离也减少，钢的硬度增高。等温温度在540℃以下时，由于贝氏体的形成而使硬度急剧升高。

为了使等温正火获得最佳效果，必须控制三个主要工艺参数：

(1)等温前冷却速度：等温正火前的冷却速度是保证钢件等温正火质量的重要参数，为了保证避免等温前在较低冷速下析出铁素体加珠光体组织，使硬度过低，等温前钢件的冷却速度应大于不发生过冷奥氏体分解的最小速度。如果在等温之前过冷奥氏体部分发生转变，降低硬度，虽然这部分损失的硬度可以通过适当降低等温温度，使待转变的过冷奥氏体在较低等温温度下等温形成硬度较高的铁素体加珠光体(主要是珠光体)组织来补偿，但其不利于获得稳定的正火组织，以达到稳定渗透淬火后变形的要求。由于实际生产中钢件尺寸、剖面变化较大，且其最小冷却速度较难测定，发明人在实际等温正火生产时，设计了控制钢件停锻后至等温保持之前冷却过程的冷却控制装置，即风冷室。风冷室有两台风机，其风量、风温及传送带节拍时间都可调整。

(2)等温温度：为了保证钢件等温保持前过冷奥氏体不发生分解，除必须达到足够的冷却速度之外，由于合金渗碳钢的贝氏体转变，往往都较先共析铁素体形成容易，所以还必须控制等温前的最低冷却温度，以保证不发生贝氏体转变，鉴于贝氏体的开始形成线的温度随冷却速度的增大而降低，而且受钢的化学成份的影响，此温度应比贝氏体开始形成温度要高，等温温度是保证钢件获得所要求显微组织和硬度的最主要参数，低碳合金钢在正火状态下的硬度是受含碳及合金元素对显微组织，晶格畸变与位错交互作用和改变位错属性等影响的。当钢的化学成分固定时，等温正火处理后的硬度主要决定于等温转变的过冷度即转变温度。为了确保等温处理后获得铁素体加珠光体组织，等温温度一定要在铁素体和珠光体形成温度范围之内。

(3)等温保持时间：钢件的等温保持时间必须保证，过冷奥氏体在等温温度下能否充分完成铁素体加珠光体转变的最短时间一般可从钢的TTT图中查得。在实际生产中，考虑到零件各处厚度等因素的不同，但在等温保持之前，工件需要有一定时间均温，加之钢件各处化学成份不均匀。真正达到等温温度的时间先后不同，完全相变的时间不一致，等温时间应比奥氏体转变TTT图中铁素体加珠光体转变所需时间适当延长。但保持时间过长可能发生碳化物球化，硬度降低，切削性能恶化，也不利于节约工时和热能，等温保持时间也不宜过长。

根据上述讨论，最终制定的等温正火的最佳工艺如表2所示。

表2

实验2：确定稀土催渗的最佳技术方案：

我国稀土资源丰富，其储量约占世界储量的三分之二。在国内众多科技人员的努力下，稀土这一宝贵资源得到了充分的利用，其开采、提存、研究和应用已初具规模，在许多方面居世界领先地位。

稀土化学热处理是我国技术工作者极其重要的发明，是材料科学应用上重大的突破。自1983年10月金属学报发表第一篇与稀土化学热处理有关的文章以来，这方面的研究越来越受到人们的重视，稀土的加入一方面加快了化学热处理过程的速度、降低了使用温度、提高了设备及工夹具的使用寿命，另一方面也提高了零件的综合机械性能。

近年来，稀土渗碳新工艺已经从实验室的试验研究走向了生产实际，通过不断的试验研究和对该工艺实际应用的不断深入，为稀土催渗和微合金化理论的形成和发展奠定了基础。目前稀土渗碳工作已经在许多方面展开，有研究结果表明：稀土不但对渗剂活性组元、扩散组元、对渗剂的分解有很大影响，而且稀土还可以活化钢件表面，同时稀土原子自身也可以在钢中进行扩散。稀土渗碳的碳浓度分布曲线在普通气体渗碳的浓度分布曲线之上，显微硬度分布要比普通气体渗碳硬度分布下降的平缓。在渗碳过程中加入稀土元素使淬火组织中亚表层残余奥氏体含量增多，表层碳化物呈细小弥散粒状分布，且向内延伸较深。

综上所述，合适的稀土添加量对气体渗碳过程有良好的作用。主要表现在：一方面加快了化学热处理进程，即缩短了生产周期或降低了渗碳温度，降低能耗，减少变形；另一方面，渗层组织得到细化，改善了渗碳层的显微组织，从而提高了被处理表面的综合机械性能。

下面为具体的实验过程和结果：

最佳稀土添加量的测量：在碳势1.00％时，检测渗碳温度分别为880℃和920℃时，稀土添加量对20CrMoH钢渗碳层深度的影响(推料周期35min)，结果如图2(a)、(b)所示，由图中可以看出，在连续式渗碳生产线上三区采用25ml/min左右的流量时，稀土催渗效果最好。因此在试验过程中二、三、四区稀土催渗剂的流量采用20、25、15ml/min，如表3所示。

表3最佳稀土添加量的试验

有无稀土添加渗碳层厚度的测量：在渗碳温度920℃下，测量添加稀土和不添加稀土时，渗碳淬火后渗碳层的厚度(推料周期为40min)，结果如图3(a)、(b)所示。

由图可见，在渗碳温度920℃、推料周期为40min的条件下，稀土渗碳后的层深为1.35mm，而未加稀土渗碳后的层深为1.14mm。加入稀土后层深增加了0.21mm。有无稀土渗碳情况下，退火金相组织没有很大的变化。在相同温度工艺条件下，稀土渗碳后的金相层深比普通渗碳的金相层深增加了0.2mm左右。由此可见，稀土元素的加入能够提高渗碳速度，相同工艺条件下，明显增加了渗碳层厚度，因此稀土元素的加入能够缩短生产周期，节约能源。同时若要获得相同的渗碳层深度，加入稀土后可降低渗碳温度，从而减少变形。

渗层中显微硬度分布：在渗碳温度920℃、推料周期45min和渗碳温度880℃、推料周期35min下，分别测量渗层中显微硬度分布，结果如图4(a)、(b)所示。

由上图可以看出：加入稀土后的显微硬度分布曲线与未加入稀土的显微硬度分布曲线的形状大致相同。稀土渗碳后试样的显微梯度比较平缓。在相同工艺条件下，稀土渗碳在试样表层及次表层的显维硬度比普通渗碳试样的显维硬度高50～100HV。而心部硬度基本趋于一致。这主要是由于稀土的加入促进了渗碳原子的渗入，增加了表面碳含量，并抑制了晶粒长大在淬火过程中形成了较细的马氏体和残余奥氏体，从而提高了表面及次表面的显微硬度。同时由于稀土的加入，主要是增加表面活性，而对试样心部基本没有影响，因此其心部硬度为试样的基体硬度。

稀土对碳化物形成及形态的影响：在渗碳温度900℃、碳势1.25％、周期45min时，观察有无稀土时渗层的显微组织，结果如图5(a)、(b)所示。

由图可见，图(a)组织为针状马氏体加上2级弥散状碳化物，图(b)组织为针状马氏体加上4级小块状碳化物。在不加稀土条件下由于碳势较高，在齿轮表层可见析出了小块状碳化物，而加入稀土条件后，由于稀土原子的渗入，碳化物呈现颗粒状细小弥散均匀分布状态，过共析区奥氏体晶粒度细小，残余奥氏体量少，马氏体为隐晶或细针状。

这表明稀土元素的加入改善了碳化物形貌，即降低了碳化物的级别，使碳化物在渗碳表面层中呈粒状弥散分布。这是由于在渗碳过程中，当炉内碳浓度超过饱和溶解度极限时，在齿轮表层沉淀出碳化合物，但由于稀土原子的渗入，以稀土原子为中心，增加了渗层中碳化合物的形核部位，抑制了网状碳化物的形成，因此改善了碳化物的形态及其分布。

马氏体和残余奥氏体：在渗碳温度920℃、碳势1.15％时，观察有无稀土添加的渗层显微组织，结果如图6所示。稀土渗碳组织为3级针状马氏体和残余奥氏体，常规渗碳组织为大于3级针状马氏体和残余奥氏体。可以看出，在相同碳势情况下，无论是否添加稀土，随着温度的升高，残余奥氏体和马氏体级均升高。而在相同工艺条件下，添加稀土后马氏体和残余奥氏体得到了细化。

稀土对渗碳层耐磨性能影响：

本试验的摩擦磨损性能试验是在MM-200摩擦磨损试验机上进行，摩擦形式为油润滑摩擦，试验机转速为400r/min，润滑油用10W30QD发动机润滑油，试验负荷为250N，试验时间为10小时。磨损试验上面为试样块(10mm×20mm×30mm)，表面粗糙度为R0.4。下面为GCr15材料磨轮(Φ50mm×3.6mm)，硬度为60～62HRC。

试样的转速采用如下转速：下试样轴转速：400±10r/min；200±10r/min，上试样轴转速：360r/min；180r/min，上试样轴水平往复最大移动距离为±3mm。试验机两试样轴在水平与垂直方向的平行度应不大于0.04/300mm。测量试样尺寸的仪器误差不大于±0.002mm。

试验在10～35℃室温范围内进行。试验在无振动、无腐蚀性气体和无粉尘的环境中进行。试验在摩擦状态与实际工作状态相接近的条件下进行。滚动、滑动复合摩擦磨损试验的上、下试样为圆环形试样。滑动摩擦磨损试验的上试样可为蝶形试样，下试样为圆环形试样。试验前后用三氯乙烷和甲醇清洗。应对清洗后的试样进行烘干，烘干温度一般为60℃，保温2h左右。

在金相显微镜100倍下测量试块磨痕宽度：由此计算磨损量。

取两组试样进行磨擦磨损对比试验，试验工艺和结果如表4、表5所示。

表4磨擦磨损试样工艺条件

表5磨擦磨损试验结果

试验结果表明，在相同磨损时间、相同磨损载荷条件下，稀土试样耐磨性远优于无稀土的试样，这主要是由于稀土原子的渗入，过共析区奥氏体晶粒度细小，残余奥氏体量少，马氏体为隐晶或细针状，提高了表层的硬度，从而提高耐磨性。

多次冲击抗力的影响：

多次冲击抗力试验基于使用小能量往复作用在试样上，多次冲击断裂是裂纹产生和发展的结果，是损伤积累的过程，用于测试材料的强度。

由表6及直方图图7可以看出，加稀土后试样的冲击抗力值比未加稀土试样的冲击抗力值有明显提高，在相同工艺条件下，由于稀土元素的加入，增加了齿轮表面渗碳层深度，提高了齿轮表面的强度，因此二者的多冲击抗力就表现出明显的不同，即稀土加入后多次冲击抗力有了明显提高。

表6有无稀土添加渗碳多次冲击抗力值

渗碳齿轮除了磨损失效形式外，断裂也是其失效的一种主要形式。众所周知，冲击韧性是大能量一次冲断标准试样所得到的数据，但是实际机械零件却很少是这样破坏失效的。多年的实践表明，机械零件常见的失效如疲劳断裂等所承受的冲击载荷，都是经过上万次乃至上百万次运转后才断裂的。多次冲击断裂是裂纹发生和发展的结果，他有一个损伤积累的过程。从负荷条件和破坏条件来看，与大能量冲击断裂有本质上的不同，对于小能量多次冲击抗力，则主要取决于材料的强度，强度越高则所能承受的冲断周期也越长。本试验表明由于稀土的加入，增加了齿轮表面渗碳层深度，细化了组织，提高了齿轮表面的强度，使得多次冲击抗力有了明显提高。

稀土渗碳和传统渗碳齿轮变形规律：

对于此齿轮通过采用传统渗碳工艺和稀土渗碳工艺，来对比齿轮的内孔锥度、椭圆度等参数变形情况，来分析其传统渗碳工艺与稀土渗碳对齿轮变形的影响规律。

①稀土渗碳和传统渗碳齿轮内孔锥度：从动锥齿轮内孔锥度变形要求为：±0.03mm，热后磨削量为单边0.15mm，测量传统渗碳齿轮内孔锥度变形数据见表12，根据表12中数据统计，取a＝-0.065，b＝0.095，组数K＝8，组距(Δt＝(0.095-(-0.065))/8＝0.02)，其分组[ti-1，tI]、频数(ni)、频率(fi＝ni/n)及矩形高(yi＝fi/Δti)，如表7所示，对应的传统渗碳齿轮内孔锥度变形分布规律直方图如图8所示。

表7传统渗碳齿轮内孔锥度数据统计

表中，频数为样本观测值落在算子区间内的频数；频率为随机变量落在第I个区间内的频率；矩形高为频率与组距的比值。

测量稀土催渗工艺齿轮热后内孔锥度变形数据见表13，根据表13中稀土渗碳工艺齿轮的内孔锥度数据统计，取a＝-0.065，b＝0.095，组数K＝8，组距(Δt＝(0.095-(-0.065))/8＝0.02)，其分组[ti-1，tI]、频数(ni)、频率(fi＝ni/n)及矩形高(yi＝fi/Δti)，如表8所示，稀土渗碳工艺齿轮内孔锥度变形分布规律直方图如图9所示。

表8稀土渗碳齿轮内孔锥度数据统计

表中频数为样本观测值落在算子区间内的频数；频率为随机变量落在第I个区间内的频率；矩形高为频率与组距的比值。

②稀土渗碳和传统渗碳齿轮内孔椭圆度：从动锥齿轮椭圆变形要求为：0-0.04mm，热后磨削量为单边0.15mm。

测量传统渗碳工艺齿轮热后内孔椭圆度变形数据见表14，根据表14中齿轮的内孔椭圆度统计数据，取a＝0.00，b＝0.10，组数K＝10，组距(Δt＝(0.10-0.00)/10＝0.01)，其分组[t_i-1，t₁]、频数(n_i)、频率(f_i＝n_i/n)及矩形高(y_i＝f_i/Δt_i)，如表9所示，传统渗碳工艺齿轮内孔椭圆度变形分布规律直方图如图10所示。

表9传统渗碳齿轮内孔椭圆度数据统计

表中频数为样本观测值落在算子区间内的频数；频率为随机变量落在第I个区间内的频率；矩形高为频率与组距的比值。

测量稀土催渗工艺齿轮热后内孔椭圆度变形数据见表15，根据表15中稀土催渗工艺齿轮的内孔椭圆度数据，取a＝0.00，b＝0.10，组数K＝10，组距(Δt＝(0.10-0.00)/10＝0.01)，其分组[t_i-1，t₁]、频数(n_i)、频率(f_i＝n_i/n)及矩形高(y_i＝f_i/Δt_i)，如表1所示，稀土渗碳工艺齿轮内孔椭圆度变形分布规律直方图如图11所示。

表10稀土渗碳齿轮内孔椭圆度数据统计

表中频数为样本观测值落在算子区间内的频数；频率为随机变量落在第I个区间内的频率；矩形高为频率与组距的比值。

总之，经过测量同批次采用传统渗碳工艺和稀土渗碳工艺对比齿轮的内孔锥度、椭圆度等参数变形，一系列试验数据表明，使用低温稀土渗碳工艺使得在渗碳温度、淬火温度都有一定程度的下降。与传统工艺相比，采用稀土渗碳可以使变速箱齿轮内孔锥度、内孔椭圆度变形集中区域0.015～0.035mm、0.03～0.04mm分别下移至-0.025～-0.005mm、0.02～0.03mm。

采用稀土渗碳工艺可以通过降低渗碳温度、淬火温度和降低推料周期等方式，减少热处理过程中热应力和组织应力对齿轮变形的影响。采用稀土渗碳工艺生产齿轮变形相对小于传统生产工艺的变形，这样对热后机械加工的磨削余量控制有益。

结论：

①采用等温正火工艺，可获得平衡组织铁素体加珠光体和合适的加工硬度。

②采用稀土渗碳工艺可提高20％的渗碳速度。

③采用稀土渗碳工艺可改变渗碳层的显微组织，提高显微硬度、多次抗力，减少磨损量。

④采用等温正火和稀土渗碳工艺可减少变形。

根据上述讨论，最终制定的稀土渗碳的最佳工艺如表11所示。

表11

表12传统渗碳工艺齿轮热后内孔锥度变形数据，mm

表13稀土渗碳工艺齿轮热后内孔锥度变形数据，mm

表14传统渗碳工艺齿轮的内孔椭圆度数据，mm

表15稀土渗碳工艺齿轮的内孔椭圆度数据，mm

Claims (1)

1.一种驱动桥主从动锥齿轮的热处理加工工艺，其特征在于，包括以下步骤：

1)将需要处理的锥齿轮加工件置于风冷室中，在温度43～52℃、风量85-95立方米/小时下风冷60～75s；

2)风冷后置于等温炉中，在温度650～670℃下等温180～190min；

3)置于冷却台上，风冷方式，冷却至自然温度18～23℃；

4)进入稀土渗碳一室，进行稀土渗碳，工艺参数为：温度850～880℃，RX12～13m³/h，碳势0，稀土流量0L/min，推料周期5min；

5)进入稀土渗碳二室，进行稀土渗碳，工艺参数为：温度880～920℃，RX10～12m³/h，碳势0.80～0.86％，稀土流量10～25L/min，推料周期6～8min；

6)进入稀土渗碳三室，进行稀土渗碳，工艺参数为：温度880～920℃，RX15～30m³/h，碳势1.10～1.30％，稀土流量15～30L/min；推料周期6～8min；

7)进入稀土渗碳四室，进行稀土渗碳，工艺参数为：温度850～890℃，RX8～12m³/h，碳势0.90～1.00％，稀土流量10～15L/min，推料周期6～8min；

8)进入稀土渗碳五室，进行稀土渗碳，工艺参数为：温度830℃，RX8～12m³/h，碳势0.80～0.90％，稀土流量10～25L/min，推料周期6～8min；热处理完成。

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