曾曉蕾

上海汽車變速器有限公司， 上海 201800

?

轎車手動變速器齒輪齒頂非馬氏體組織的成因分析與解決*

曾曉蕾

上海汽車變速器有限公司， 上海 201800

本文主要針對某項目從動五檔齒輪經過低壓真空滲碳、高壓氣體淬火工藝熱處理后，齒頂出現非馬氏體組織的成因進行分析，試驗發(fā)現，表面碳濃度偏高及淬火時冷卻能力不足是導致齒頂出現非馬氏體的主要原因。通過有針對性地調整滲碳節(jié)拍、淬火的氣體壓力、攪拌速度、時間等參數，經過多次驗證，從根本上解決了齒頂組織異常問題。

檔位齒 真空滲碳熱處理 齒頂非馬氏體組織

1 概述

全新6速手動變速箱某項目由國際知名整車廠商的歐洲團隊研發(fā)，匹配1.4L中置直噴渦輪增壓發(fā)動機。該款變速箱采用了同級最緊湊的輕量化設計，凈重比前一代手動變速箱降低15%，檔位齒的模數在1.4-1.667。根據圖紙要求，該變速箱齒軸類零件熱處理采用低壓真空滲碳、高壓氣體淬火技術，在全新真空生產線進行工藝試驗。本文以從動五檔齒為例，對工藝試驗過程中出現的齒頂非馬氏體組織成因進行分析，并提出解決問題的方法。從五檔模數為1.496，原材料牌號為QS1927S0，零件形貌如圖1所示，熱處理裝架方式如圖2示。

2 問題描述

工藝試驗期間，從動五檔齒的金相試樣腐蝕后發(fā)現齒頂有大量黑色非馬氏體組織，如圖3所示， 與此同時，其他檔位齒輪齒頂也發(fā)現有類似組織。初步判斷，導致此種非馬氏體組織的原因有兩種：材料淬透性降低或工件冷卻速度低于C曲線的臨界淬火速度。

圖1 從動五檔齒零件形貌Fig.1 The photo of GEAR-5TH

圖2 從五檔熱處理裝架方式Fig.2 The HT fixture of GEAR-5TH

3 問題分析

3.1 依據“人、機、料、法、環(huán)”魚骨狀分析方法，對該項目熱處理工藝調試階段出現的異常組織進行成因分析(如圖4所示)，分析后認為表面碳濃度偏高和淬火時冷卻能力不足是問題的關鍵。

3.2 主設備淬火室換向機構故障對齒頂異常組織影響的分析

真空生產線淬火室通過換向機構實現高壓氣淬時上下打風，與傳統單向冷卻相比，工件冷卻更均勻，理論上可以獲得理想的硬化層深度和心部硬度。

圖3 從五檔齒頂深色非馬氏體組織形貌Fig.3 The microstructure at tooth tips of GEAR 5TH

圖4 非馬氏體組織成因分析圖Fig.4 Analysis the reason of non-martensite microstructure appearance

圖5 QS1927原材料合金元素化學成分(wt%)
Fig.5 The chemical composition of QS 1927

在工藝試驗過程中，換向機構發(fā)生故障，無法完全復位，如圖6左所示。設備供應商對換向機構進行改造，如果圖6右所示，對推動桿進行了加固，但仍然存推動桿變形、換向機構無法完全復位的問題，導致在氣淬時存在漏氣的風險，進而影響淬火效果。

圖6 淬火室換向機構3D示意圖Fig.6 The 3D models of quenching cell

3.3 表面碳濃度對齒頂異常組織影響的分析

通過設備供應商提供的模擬軟件，得到滲碳后工件表面碳濃度為0.697wt%，根據經驗，推測齒輪表面實際碳濃度高于0.7wt%，而該產品為瘦高齒設計，尖角效應導致齒頂碳濃度遠高于齒面，從而降低了過冷奧氏體的穩(wěn)定性，使得C曲線臨界淬火速度增大。

3.4 關于齒頂異常組織形成的假設

綜上所述，通過分析導致工件齒頂出現異常組織的原因，提出一個假設：該產品的齒輪模數小，齒輪形狀尖銳，齒頂蓄熱量小。由于尖角效應，齒頂的碳濃度超過共析點，降低了過冷奧氏體穩(wěn)定性，齒頂需要非常快的冷卻速度才能穿過C曲線鼻子到達馬氏體轉變區(qū)域。換向機構發(fā)生故障之后的狀態(tài)可能是：10bar(80%)氣淬第一個節(jié)拍15s結束(包含換向時間2-3s)，齒面在A1線附近，齒頂可能已經到鼻子附近至600℃左右，換向機構換向期間齒頂已經停留在珠光體或貝氏體轉變區(qū)，故導致齒頂出現非馬氏體組織。這個假設也可以解釋直淬要好于換向冷卻。

4 解決問題的方法及結果驗證

4.1 解決問題的方法

依據3.4中的假設，參考27MnCr5在裝爐量為282kg時采用18bar淬火時的冷卻曲線(如圖7所示)，我們期望齒頂獲得大于臨界淬火速度的冷卻曲線，同時兼顧心部硬度均勻性。為此，(1) 與設備供應商溝通，確保氣淬室換向機構工作的穩(wěn)定性；(2) 調整滲碳參數，使模擬表面碳濃度由0.697wt%降至0.671wt%，如圖8所示；(3) 提高淬火起始階段的氣體壓力，經過多輪試驗優(yōu)化，最終確定的淬火參數見表1.(4) 增大零件之間的間距，適當減少裝爐量。

圖7 27MnCr5采用18bar淬火時的冷卻曲線Fig.7 The cooling curve of material 27MnCr5 at 18 bar

圖8 調整滲碳工藝后的表面碳濃度曲線Fig.8 The surface carbon content after modifying the recipe

表1 淬火參數對照表

Table 1 The recipe of quenching

淬火參數調整之前淬火參數調整之后時間，s速度氮氣壓力，mb淬火時間，s淬火速度氮氣壓力，mb15-70%900018s-70%150001570%900018s70%1500015-70%900020s-70%90001570%900020s70%900015-70%900020s-70%90001570%900020s70%900015-70%900020s-70%90001570%900020s70%900050-70%900020s-70%90005070%900020s70%900085-70%9000100s-70%90008570%9000124s70%9000

4.2 結果驗證

調整淬火參數之后，獲得的金相組織滿足技術要求(如圖9所示)，齒頂非馬氏體組織已經全部消除，驗證了3.4中的假設成立。同時獲得了較理想的心部硬度(如表2所示)，且重復性良好。

5 結論

(1) 表面碳濃度偏高及淬火時冷卻能力不足，導致熱處理工藝試驗中該項目檔位齒齒頂出現黑色非馬氏體組織；

(2) 通過①保障氣淬室換向機構工作的穩(wěn)定性；②調整滲碳工藝參數降低表面碳濃度；③提高起始淬火壓力參數，使齒頂快速冷卻到達馬氏體轉變區(qū)域；②減少裝爐量，增大工件之間的間距，解決了齒頂非馬氏體組織問題，同時獲得滿足圖紙技術要求、均勻的心部硬度，保障了項目進度。

圖9 真空滲碳淬火后3%硝酸酒精腐蝕Fig.9 The Metallurgical Photomicrographs after modifying LPC recipe

(1) 齒輪宏觀形貌； (2) 齒頂500X； (3) 齒根圓角100X； (4) 齒根圓角500X； (5) 齒面100X； (6) 齒面500X； (7) 心部組織100X； (8) 心部組織500X

表2 調整工藝后從動五檔齒金相檢測結果

[1] 金相分析原理及技術，仁頌贊，葉儉，陳德華編，上?？茖W技術文獻出版社；

[2] 金屬學與熱處理(第2版)，崔中圻，覃耀春，機械工業(yè)出版社.

[3] HOW TO MAKE A REWORK RECIPE.ECM.

[4] HOW TO MAKE A HEAT CYCLE FROM THE SIMULATION.ECM.

[5] CBPWIN-Carbon diffusion simulator.ECM

The analysis and solution of non-martensite microstructure in MT gear tooth tips

ZengXiaolei

SJTUMechanical&PowerEngineeringInstitute

Non-martensite microstructure appears at the tooth tip area abnormally after the LPC HT testing for GEAR 5th. The experiment found the major reason is the high carbon concentration of tooth surface and insufficient cooling strategy. The tooth tip problem of this abnormal microstructure was essentially resolved through making a series of specific modifications on carburizing timing, gas quenching parameter, gas pressure, rotate speed and cycle time.

GEAR 5th LPC non-martensite microstructure

1006-8244(2015)02-026-05

* 該項目得到了上海市科學技術委員會的資助，資助課題編號為“13DZ2250400(上海市汽車變速器工程技術研究中心)”

U4

B