变速箱齿套碳氮共渗及压淬工艺关键技术
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after heat treatment
2 3种齿套碳氮共渗和压淬工艺的优化
根据 F IAT 52101 /01 齿轮钢渗碳和碳氮共渗标 准 ,齿轮件碳氮共渗后表面碳 、氮含量应满足 : 017% ～ 019% C、0125% ～015%N。
目前我厂碳氮共渗设备是一台进口的 5层装料的 转底炉 ,采用氮 2甲醇气氛 。为使齿套碳氮共渗后获得 较高的表面硬度 、较好的心部硬度 、理想的金相组织 、 均匀的有效硬化层深度 ,多年来 ,我厂反复对碳势 、氨 气量 、温度 、时间等碳氮共渗主要工艺参数进行了一系 列的优化 。为在淬火 、回火后 ,工件表层能得到强度 、 硬度 、韧性的最佳配合 ,以及较高的压应力和最小的变 形量 ,从而保证齿轮件碳氮共渗后具有较高的接触疲 劳强度 、弯曲疲劳强度和良好的耐磨性能 ,这些性能均 取决于齿轮件碳氮共渗后表面碳 、氮含量及浓度梯度 、 有效硬化层深度和淬火 、回火组织 。 211 齿套碳氮共渗工艺优化
(2) 避免碳氮共渗后工件表面的残留奥氏体量过 多 。根据以下公式 [ 1 ]计算 M s点的温度 :
M s = 499 - 300w (C) - 250 w (N ) - 33 w (M n)
- 22 w (C r) - 17 w (N i) - 11 w ( Si) - 11 w (Mo) 显然碳和氮都是强烈降低马氏体点的元素 ,随
二区控温带后 风冷却室
齿套综合检查仪
按表 1要求自动 检查 3种齿套
上 、下料手动
312 转底炉关键技术分析
(1) 转底炉的炉门是水冷金属密封 ,炉门有保温
变速箱齿套碳氮共渗及压淬工艺关键技术
方和杰 (南京名爵汽车有限公司 动力总成公司 ,江苏 南京 210061)
Key technology of carbon itr id ing and press quench ing processes of speed
change box gear sleeve
我厂经 6年生产 ,产品质量一直非常稳定 ,表 2是 3种齿套热处理后的表面硬度 、心部硬度及金相组织 实际测量结果 ,完全满足技术要求 。从表面至心部的 硬度梯度分布也较为理想 ,特别是对于一 、二档齿套 , 心部硬度也得到了可靠保证 。工件表层组织为 :极少 量的呈细小弥散分布碳氮化合物 、隐针状的马氏体和 少量残留奥氏体 ,金相组织控制较好 。这说明 3 种齿 套热处理的质量是比较高的 [ 2 ] 。
(3) 齿套是壁薄而直径较大的零件 ,要考虑从 齿套出炉到在淬火压床上压淬 ,机械手输送齿套花 费的时间所造成零件的降温 。经过试验 ,选择共渗 温度和出炉温度为 870 °较为合适 ,淬火介质选择快
速淬火油为宜 。这样齿套的表面硬度 、心部硬度都 得到了保证 。
(4) 当气氛中温度 、碳势 、氨气量已确定 ,根据公 式 ( △x) 2 = K△t[ 2 ] ,有效硬化层深度与共渗时间成正 比 ,转底炉进出料的节拍可折算成时间 ,在设备各种工 艺参数必须可靠 、稳定 、一致的前提下 ,通过工艺试验 , 即可得出最佳的碳氮共渗时间和设备机械手进出料的 节拍 。
08 03
0. 03
0. 03
作者简介 :方和杰 ( 1964—) ,男 ,江苏南京人 ,研究员级高级工
程师 ,现为南京名爵汽车有限公司动力总成公司总经理助理 ,
热处理主任师 ,已发表论文 3篇 。联系电话 : 13951967839, 0252
图 2 一 、二档齿套碳氮共渗优化工艺曲线
58897720, 025258897704 ( Fax) E2mail: fanghejiemg@126. com
有效硬化层深 表面氧化组织 、
度 014～016 mm 黑点 、黑网 、深度 处的硬度 (HV )
表层碳 氮化合物
表层 马氏体
表层残留 奥氏体
3 种齿套
690～790 HV 81～83 HRA
525
≤0. 01
1 ～2 级
1 ～3 级
1 ～3 级
注 :一 、二档齿套的心部硬度为 360～460HV。
ห้องสมุดไป่ตู้
芯轴尺寸和精度是最为关键的 。根据渗前齿套小径实 际尺寸 、拉刀修磨结果 、材料炉号变化 ,经过长期摸索 , 确定了压淬芯轴的最佳外径尺寸和精度 ,见图 3 和表 3。经过一段时间的生产 ,这些外径尺寸会发生变化 , 需重新计量和制造 ,以保证压淬过程质量的稳定性 。
图 3 一 、二档齿套压淬模具示意图 Fig. 3 The sketch draw of the p ress quenching dies for
运动方向
有效直径 2700 mm
双工位装料机械手
料盘尺寸 450 mm × 150 mm ×50 mm
141个料盘 ,每个料盘 放两个齿套
HEESS淬火压床 双工位 、压淬后冷却 取料机械手 、输送网带
机械手
连接淬火压床和清洗机
清洗机
连续式
带吹油 、喷淋装置
机械手
连接清洗机和回火炉
回火炉
网带式 、零件按程序定位
(1) 采用高碳势低氮势的碳氮共渗气氛 ,碳势不 能设定太高 ,否则在炉内和工件表面上将沉积大量的 炭黑 。在工件的表层极易形成粗大的碳氮化合物和过 量的残留奥氏体 ;当然碳势过低 ,也会造成工件共渗时 间过长 、产品质量达不到技术要求 。经过工艺试验 ,选 择炉内气氛的碳势为 110 % C较佳 。
表 4 压淬生产线主要设备特点 Table 4 The key equ ipm en ts of the press quench ing
production line
设备名称
特点
附件
齿套储存供料装置 转炉进出料机械手
5 层转底炉
4组 ,每组 2个料架 , 装料高度 550 mm 前 、后 、上 、下 4个
表 2 3种齿套热处理后的硬度及金相组织测量结果 Table 2 The m ea surem en t results of hardness and m icrostructure of three k inds slide sleeves after hea t trea tm en t
品种
表面硬度
1 齿套材料和技术要求
零件名称 :汽车一 、二档齿套 ,三 、四档齿套 ,五档 齿套 ;材料 : 19M nC r5G钢 ( F IAT 52423 ) ,主要化学成 分 (质量 分 数 , % ) 为 0115 ～0121C、1100 ～1130M n、 0180 ～ 1110Cr、0115 ～ 0135Si、≤ 0120Cu、0102 ～ 0104S、≤01035P、0102 ～0105A l。齿套生产工艺流程 为锻件 →车加工 →内外齿形加工 →碳氮共渗 →压淬 → 清洗 →尺寸检查 →强力喷丸 。锻件等温退火硬度 160 ～190 HB。要求 3 种齿套碳氮共渗后的有效硬化层 深度 014～016 mm 处的硬度为 525 HV ,表面硬度 690 ～790 HV ,心部硬度 360～470 HV。
合检查仪 ,按表 1对齿套尺寸要求 ,对碳氮共渗 、压淬 、 回火后的齿套进行 100%检查 ,一次合格率 ≥9919%。 说明目前采用的优化工艺和装备非常可靠 。
表 3 3种齿套压淬芯轴最佳外径尺寸精度 Table 3 The best d im en sion s prec ision s of press quench ing
1 /2 slide sleeve
7年多来 ,使用上述模具生产 3 种齿套产品合计 超过 45 万件 ,使用从意大利进口的 M ETREL 齿套综
《金属热处理 》2008年第 33卷第 7期
83
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
Fig. 2 The op tional carbonitriding p rocess for 1 /2 speed
收稿日期 : 2007212228
slide sleeves
82
《金属热处理 》2008年第 33卷第 7期
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
针对转底炉设备的特点 ,合理优化了工艺参数 ,见 图 2。
trea tm en t
一 、二档齿套 三 、四档齿套
五档齿套
内孔尺寸 /mm 圆度 /mm 锥度 /mm
<781630+ 01050
0103
0. 03
<66.
5
+ +
0. 0.
08 03
0. 03
0. 03
<66.
5
+ +
0. 0.
着渗层中 N 和 C含量的增加 ,残留奥氏体量就会增 多 。经过大量试验证实 ,氨气量过多 ,表层的残留奥 氏体量就会明显增多 ,马氏体也较为粗大 ,造成工件 渗层硬度降低 ,耐磨性能下降 ,工件容易产生磨削裂 纹 ,而且渗后尺寸不稳定 ,甚至工件表面还容易出现 黑色组织 ,明显降低碳氮共渗件的表面硬度 、接触疲 劳强度和弯曲疲劳强度 ,严重影响产品的使用寿命 。 经过多次工艺验证后 ,选择氨气流量为 20 L /h较为 合适 。
FANG He2jie ( Powertrain Company, Nanjing M G Motor Co. , L td. , Nanjing J iangsu 210061, China) 中图分类号 : TG16217 文献标识码 : B 文章编号 : 025426051( 2008) 0720082203
sp indle for the three slide sleeves
尺寸
一 、二档齿套 三 、四档齿套
五档齿套
芯轴外径 /mm <78. 66500+ 0. 002 <66. 59500+ 0. 002 <66. 60500+ 0. 002
3 压淬自动线设备关键技术分析
311 主要设备的工艺特点 表 4为齿套压淬生产线设备及工艺特点 。
为解决 Palio115 / Siena115 轿车变速箱 3 种同步 器齿套热处理畸变难题 ,满足较高的尺寸精度和强 度要求 ,经过长期的探索和实践 ,先后采用过直接淬 火 、穿芯棒淬火 、真空渗碳高压气淬 、穿芯轴回火等 多种方法 ,合格率一直在 40% ～60 %之间 ,均不太理 想 ,为此我厂于 2001 年底引进了一条由 A ichelin转 底炉 、H eess淬火压床 、M ETREL 齿套综合检查机 等 组成的碳氮共渗 、压淬 、清洗 、回火 、综合检测自动生 产线 。设备使用 6 年来 ,不断对工艺进行了优化和 完善 ,使 3种齿套在碳氮共渗 、压淬 、回火后 ,既能保 证硬度和金相组织 ,也能保证理想的尺寸和较高的 几何精度 。
(5) 技术要求有效硬化层深度 014～016 mm (525 HV ) ,公差只有 ±0110 mm ,对于批量生产来说是有难 度的 ,但是只要定期对转底炉有关传感器和控制仪表 进行标定和校对 ,可保证炉内实际碳势控制精度 ± 0105% C,炉内实际温度控制精度 ±5℃。若平时加强 生产过程的质量控制和设备的预防性维修 ,有效硬化 层深度 014～016 mm ( 525 HV )的技术要求是能保证 的。
3种齿套热处理后的尺寸要求见表 1所示 。图 1 为一 、二档齿套的形状及尺寸要求 。
表 1 3种齿套热处理后尺寸 Table 1 The d im en sion of three gear sleeves after hea t
图 1 一档 、二档齿套热处理后尺寸要求 Fig. 1 D imension demand of first and second gear sleeve
212 3种齿套压力淬火模具
众所周知 ,变速箱同步器齿套是一种具有内外渐
开线齿形 、直径大 、壁薄的零件 ,热处理后其变形精度
非常难控制 ,多年来的实际证明 ,采用模具限形压力淬
火是目前所有工艺中最有效的方法 。
为达到表 1要求的齿套碳氮共渗后的尺寸技术要
求 ,一套模具除上下模的基本尺寸和精度要求外 ,压淬
2 3种齿套碳氮共渗和压淬工艺的优化
根据 F IAT 52101 /01 齿轮钢渗碳和碳氮共渗标 准 ,齿轮件碳氮共渗后表面碳 、氮含量应满足 : 017% ～ 019% C、0125% ～015%N。
目前我厂碳氮共渗设备是一台进口的 5层装料的 转底炉 ,采用氮 2甲醇气氛 。为使齿套碳氮共渗后获得 较高的表面硬度 、较好的心部硬度 、理想的金相组织 、 均匀的有效硬化层深度 ,多年来 ,我厂反复对碳势 、氨 气量 、温度 、时间等碳氮共渗主要工艺参数进行了一系 列的优化 。为在淬火 、回火后 ,工件表层能得到强度 、 硬度 、韧性的最佳配合 ,以及较高的压应力和最小的变 形量 ,从而保证齿轮件碳氮共渗后具有较高的接触疲 劳强度 、弯曲疲劳强度和良好的耐磨性能 ,这些性能均 取决于齿轮件碳氮共渗后表面碳 、氮含量及浓度梯度 、 有效硬化层深度和淬火 、回火组织 。 211 齿套碳氮共渗工艺优化
(2) 避免碳氮共渗后工件表面的残留奥氏体量过 多 。根据以下公式 [ 1 ]计算 M s点的温度 :
M s = 499 - 300w (C) - 250 w (N ) - 33 w (M n)
- 22 w (C r) - 17 w (N i) - 11 w ( Si) - 11 w (Mo) 显然碳和氮都是强烈降低马氏体点的元素 ,随
二区控温带后 风冷却室
齿套综合检查仪
按表 1要求自动 检查 3种齿套
上 、下料手动
312 转底炉关键技术分析
(1) 转底炉的炉门是水冷金属密封 ,炉门有保温
变速箱齿套碳氮共渗及压淬工艺关键技术
方和杰 (南京名爵汽车有限公司 动力总成公司 ,江苏 南京 210061)
Key technology of carbon itr id ing and press quench ing processes of speed
change box gear sleeve
我厂经 6年生产 ,产品质量一直非常稳定 ,表 2是 3种齿套热处理后的表面硬度 、心部硬度及金相组织 实际测量结果 ,完全满足技术要求 。从表面至心部的 硬度梯度分布也较为理想 ,特别是对于一 、二档齿套 , 心部硬度也得到了可靠保证 。工件表层组织为 :极少 量的呈细小弥散分布碳氮化合物 、隐针状的马氏体和 少量残留奥氏体 ,金相组织控制较好 。这说明 3 种齿 套热处理的质量是比较高的 [ 2 ] 。
(3) 齿套是壁薄而直径较大的零件 ,要考虑从 齿套出炉到在淬火压床上压淬 ,机械手输送齿套花 费的时间所造成零件的降温 。经过试验 ,选择共渗 温度和出炉温度为 870 °较为合适 ,淬火介质选择快
速淬火油为宜 。这样齿套的表面硬度 、心部硬度都 得到了保证 。
(4) 当气氛中温度 、碳势 、氨气量已确定 ,根据公 式 ( △x) 2 = K△t[ 2 ] ,有效硬化层深度与共渗时间成正 比 ,转底炉进出料的节拍可折算成时间 ,在设备各种工 艺参数必须可靠 、稳定 、一致的前提下 ,通过工艺试验 , 即可得出最佳的碳氮共渗时间和设备机械手进出料的 节拍 。
08 03
0. 03
0. 03
作者简介 :方和杰 ( 1964—) ,男 ,江苏南京人 ,研究员级高级工
程师 ,现为南京名爵汽车有限公司动力总成公司总经理助理 ,
热处理主任师 ,已发表论文 3篇 。联系电话 : 13951967839, 0252
图 2 一 、二档齿套碳氮共渗优化工艺曲线
58897720, 025258897704 ( Fax) E2mail: fanghejiemg@126. com
有效硬化层深 表面氧化组织 、
度 014～016 mm 黑点 、黑网 、深度 处的硬度 (HV )
表层碳 氮化合物
表层 马氏体
表层残留 奥氏体
3 种齿套
690～790 HV 81～83 HRA
525
≤0. 01
1 ～2 级
1 ～3 级
1 ～3 级
注 :一 、二档齿套的心部硬度为 360～460HV。
ห้องสมุดไป่ตู้
芯轴尺寸和精度是最为关键的 。根据渗前齿套小径实 际尺寸 、拉刀修磨结果 、材料炉号变化 ,经过长期摸索 , 确定了压淬芯轴的最佳外径尺寸和精度 ,见图 3 和表 3。经过一段时间的生产 ,这些外径尺寸会发生变化 , 需重新计量和制造 ,以保证压淬过程质量的稳定性 。
图 3 一 、二档齿套压淬模具示意图 Fig. 3 The sketch draw of the p ress quenching dies for
运动方向
有效直径 2700 mm
双工位装料机械手
料盘尺寸 450 mm × 150 mm ×50 mm
141个料盘 ,每个料盘 放两个齿套
HEESS淬火压床 双工位 、压淬后冷却 取料机械手 、输送网带
机械手
连接淬火压床和清洗机
清洗机
连续式
带吹油 、喷淋装置
机械手
连接清洗机和回火炉
回火炉
网带式 、零件按程序定位
(1) 采用高碳势低氮势的碳氮共渗气氛 ,碳势不 能设定太高 ,否则在炉内和工件表面上将沉积大量的 炭黑 。在工件的表层极易形成粗大的碳氮化合物和过 量的残留奥氏体 ;当然碳势过低 ,也会造成工件共渗时 间过长 、产品质量达不到技术要求 。经过工艺试验 ,选 择炉内气氛的碳势为 110 % C较佳 。
表 4 压淬生产线主要设备特点 Table 4 The key equ ipm en ts of the press quench ing
production line
设备名称
特点
附件
齿套储存供料装置 转炉进出料机械手
5 层转底炉
4组 ,每组 2个料架 , 装料高度 550 mm 前 、后 、上 、下 4个
表 2 3种齿套热处理后的硬度及金相组织测量结果 Table 2 The m ea surem en t results of hardness and m icrostructure of three k inds slide sleeves after hea t trea tm en t
品种
表面硬度
1 齿套材料和技术要求
零件名称 :汽车一 、二档齿套 ,三 、四档齿套 ,五档 齿套 ;材料 : 19M nC r5G钢 ( F IAT 52423 ) ,主要化学成 分 (质量 分 数 , % ) 为 0115 ～0121C、1100 ～1130M n、 0180 ～ 1110Cr、0115 ～ 0135Si、≤ 0120Cu、0102 ～ 0104S、≤01035P、0102 ～0105A l。齿套生产工艺流程 为锻件 →车加工 →内外齿形加工 →碳氮共渗 →压淬 → 清洗 →尺寸检查 →强力喷丸 。锻件等温退火硬度 160 ～190 HB。要求 3 种齿套碳氮共渗后的有效硬化层 深度 014～016 mm 处的硬度为 525 HV ,表面硬度 690 ～790 HV ,心部硬度 360～470 HV。
合检查仪 ,按表 1对齿套尺寸要求 ,对碳氮共渗 、压淬 、 回火后的齿套进行 100%检查 ,一次合格率 ≥9919%。 说明目前采用的优化工艺和装备非常可靠 。
表 3 3种齿套压淬芯轴最佳外径尺寸精度 Table 3 The best d im en sion s prec ision s of press quench ing
1 /2 slide sleeve
7年多来 ,使用上述模具生产 3 种齿套产品合计 超过 45 万件 ,使用从意大利进口的 M ETREL 齿套综
《金属热处理 》2008年第 33卷第 7期
83
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
Fig. 2 The op tional carbonitriding p rocess for 1 /2 speed
收稿日期 : 2007212228
slide sleeves
82
《金属热处理 》2008年第 33卷第 7期
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
针对转底炉设备的特点 ,合理优化了工艺参数 ,见 图 2。
trea tm en t
一 、二档齿套 三 、四档齿套
五档齿套
内孔尺寸 /mm 圆度 /mm 锥度 /mm
<781630+ 01050
0103
0. 03
<66.
5
+ +
0. 0.
08 03
0. 03
0. 03
<66.
5
+ +
0. 0.
着渗层中 N 和 C含量的增加 ,残留奥氏体量就会增 多 。经过大量试验证实 ,氨气量过多 ,表层的残留奥 氏体量就会明显增多 ,马氏体也较为粗大 ,造成工件 渗层硬度降低 ,耐磨性能下降 ,工件容易产生磨削裂 纹 ,而且渗后尺寸不稳定 ,甚至工件表面还容易出现 黑色组织 ,明显降低碳氮共渗件的表面硬度 、接触疲 劳强度和弯曲疲劳强度 ,严重影响产品的使用寿命 。 经过多次工艺验证后 ,选择氨气流量为 20 L /h较为 合适 。
FANG He2jie ( Powertrain Company, Nanjing M G Motor Co. , L td. , Nanjing J iangsu 210061, China) 中图分类号 : TG16217 文献标识码 : B 文章编号 : 025426051( 2008) 0720082203
sp indle for the three slide sleeves
尺寸
一 、二档齿套 三 、四档齿套
五档齿套
芯轴外径 /mm <78. 66500+ 0. 002 <66. 59500+ 0. 002 <66. 60500+ 0. 002
3 压淬自动线设备关键技术分析
311 主要设备的工艺特点 表 4为齿套压淬生产线设备及工艺特点 。
为解决 Palio115 / Siena115 轿车变速箱 3 种同步 器齿套热处理畸变难题 ,满足较高的尺寸精度和强 度要求 ,经过长期的探索和实践 ,先后采用过直接淬 火 、穿芯棒淬火 、真空渗碳高压气淬 、穿芯轴回火等 多种方法 ,合格率一直在 40% ～60 %之间 ,均不太理 想 ,为此我厂于 2001 年底引进了一条由 A ichelin转 底炉 、H eess淬火压床 、M ETREL 齿套综合检查机 等 组成的碳氮共渗 、压淬 、清洗 、回火 、综合检测自动生 产线 。设备使用 6 年来 ,不断对工艺进行了优化和 完善 ,使 3种齿套在碳氮共渗 、压淬 、回火后 ,既能保 证硬度和金相组织 ,也能保证理想的尺寸和较高的 几何精度 。
(5) 技术要求有效硬化层深度 014～016 mm (525 HV ) ,公差只有 ±0110 mm ,对于批量生产来说是有难 度的 ,但是只要定期对转底炉有关传感器和控制仪表 进行标定和校对 ,可保证炉内实际碳势控制精度 ± 0105% C,炉内实际温度控制精度 ±5℃。若平时加强 生产过程的质量控制和设备的预防性维修 ,有效硬化 层深度 014～016 mm ( 525 HV )的技术要求是能保证 的。
3种齿套热处理后的尺寸要求见表 1所示 。图 1 为一 、二档齿套的形状及尺寸要求 。
表 1 3种齿套热处理后尺寸 Table 1 The d im en sion of three gear sleeves after hea t
图 1 一档 、二档齿套热处理后尺寸要求 Fig. 1 D imension demand of first and second gear sleeve
212 3种齿套压力淬火模具
众所周知 ,变速箱同步器齿套是一种具有内外渐
开线齿形 、直径大 、壁薄的零件 ,热处理后其变形精度
非常难控制 ,多年来的实际证明 ,采用模具限形压力淬
火是目前所有工艺中最有效的方法 。
为达到表 1要求的齿套碳氮共渗后的尺寸技术要
求 ,一套模具除上下模的基本尺寸和精度要求外 ,压淬