電動汽車齒輪（以下簡稱齒輪）是我公司新開發的產品，因其內孔直徑較大，壁薄的特點。試制初期，齒輪在滲碳淬火回火后，出現了一系列質量問題：同一個齒輪的齒部端面部位硬度不均勻；同一個齒輪有效硬化層深度不均勻等問題；因內孔橢圓嚴重，齒輪磨齒時齒面磨削不起來，產品不合格率達40%。經認真分析總結，通過工藝驗證，采用專用滲碳工裝和合理的滲碳擺放方式相結合，從根本上解決了上述問題，滿足了產品的技術要求。
1.齒輪技術要求
如圖1所示是齒輪的簡圖，材料20CrMnTi，有效硬化層深度0.5～0.8mm，表面硬度58～63HRC，心部硬度30～43HRC。齒輪顯微組織按《汽車滲碳齒輪金相組織》標準進行檢驗。碳化物≤5級，殘留奧氏體、馬氏體≤5級；磨齒齒輪精度等級≤5級。
圖1 電動汽車齒輪
2.齒輪加工工藝及檢驗結果
（1）齒輪生產工藝過程
下料→鍛造→等溫正火→粗車→精車→滾齒→倒棱→鉆小孔→去毛刺→清洗→滲碳→回火→磨內孔→磨齒→檢驗→清洗→裝機。
（2）齒輪熱處理設備及滲碳工藝
齒輪的滲碳、淬火、回火設備采用滴注式氣體滲碳氮化爐自動生產線。齒輪滲碳工藝如圖2所示。
圖2 電動汽車齒輪滲碳工藝
（3）檢驗結果
齒輪經滲碳、淬火、回火后，解剖隨爐機加工廢品檢驗金相組織、有效硬化層DC值、心部硬度和抽檢部分產品檢測齒輪齒部端面部位硬度。其檢測結果見附表。從表中可以看出：金相顯微組織1～2級，符合產品的技術要求。而齒輪端面部位硬度，有的硬度均勻且合格；有的硬度不均勻，忽高忽低，且有的硬度合格有的不合格；心部硬度和有效硬化層深度也出現類似情況。此外，用內徑百分表和公法線千分尺分別測量其內孔和公法線，發現齒輪內孔圓度為0.024～0.16mm，內孔變形較大；公法線長度變動量：0.004～0.085mm。
電動汽車齒輪金相組織、有效硬化層DC值及心部硬度、齒部端面硬度值檢測結果
試樣 編號 | 碳化 物/級 | 殘留奧氏 體/級 | 馬氏 體/級 | 鐵素 體/級 | Dc（550HV） /mm | 心部硬度 HRC | 齒部端面硬 度HRC |
1 | 1 | 1.5 | 1.5 | 1.5 | 0.30～0.38 | 26.1～27.5 | 52.3～53.5 |
2 | 1 | 2 | 2 | 1.5 | 0.72～0.73 | 39.6～40.1 | 60.2～61.7 |
3 | 1 | 1.5 | 1.5 | 1.5 | 0.42～0.43 | 29.5～30.6 | 54.5～55.4 |
4 | 1 | 2 | 2 | 1.5 | 0.48～0.70 | 32.0～38.7 | 56.8～60.6 |
5 | 1 | 2 | 2 | 1.5 | 0.71～0.72 | 38.9～39.6 | 60.4～61.3 |
3.原因分析及改進措施
（1）原因分析
針對產品出現一系列質量問題。
首先，從監控記錄儀中查看了該產品的滲碳全過程，各加熱區滲碳溫度升、降溫正常、碳勢變化穩定、淬火油溫度、攪拌速度及油量未見異常，回火溫度和時間均正常。
其次，察看現場情況，發現裝料方法有問題。主要是裝料工裝料擺放不合理，齒輪堆放過密。裝料方法不合理對熱處理畸變有著重要影響。該滲碳擺放方式示意圖如圖3所示。齒輪平放在蜂窩狀的方形耐熱鋼板上，齒輪擺滿一層后上面鋪上耐熱鋼絲網接著再擺放2層齒輪。經過分析，貼近耐熱鋼板和鋼絲網的齒輪端面在滲碳淬火過程中，齒輪的上、下端面升溫、降溫、淬火時溫度不均勻，滲碳氣氛擴散循環不暢、滲碳速度快慢不一致，且有滲碳死角，淬火油流動不暢，冷卻速度不一致，這是導致齒輪有效硬化層深度和端面部位硬度、心部硬度不均勻的主要因素；再加上高溫下滲碳時零件堆放過密，齒輪機加工應力、熱應力、組織應力、齒輪自重和工裝的重量相互疊加這是誘導齒輪端面蠕變而翹曲變形的另一原因。
齒輪滲碳、淬火時，由于齒輪上、下端面溫度不均勻，齒輪內孔直徑較大，壁薄且該處鉆有8個小孔，機加工應力較大，齒輪在高溫下的強度較低，這種應力及組織應力都會加劇齒輪內孔和公法線長度的熱處理畸變。
圖3 電動汽車齒輪滲碳擺放方式示意
（2）改進措施
為了確保齒輪的熱處理質量，我們必須從滲碳淬火方面考慮，合理的工裝與齒輪裝夾方式、淬火介質及合理的攪拌是關鍵的畸變控制措施。
對此，我們設計了一個環形墊圈作為齒輪滲碳專用工裝，環形墊圈簡圖如圖4所示，該工裝加工制作簡單方便，生產成本低。采用另外一種滲碳擺放方式與環形墊圈配合使用，該擺放方式示意圖如圖5所示。
為了驗證滲碳擺放方式可靠性，我們繼續采用了原滲碳工藝，以便新的滲碳擺放方式與原來的方法相比較。
具體裝料方法：先從料框最下層開始由下往上裝料，每層一塊方形耐熱鋼板，每個料框裝8塊蜂窩狀的耐熱鋼板，各耐熱鋼板之間保證間隙均勻，每塊鋼板上先均勻的擺放11個環形墊圈，擺料時每個齒輪薄壁處的凹槽向下且正好落在環形墊圈上。該滲碳擺放方式的特點：由于環形墊圈的壁薄，齒輪滲碳、淬火時，升、降溫對齒輪的熱量傳遞影響不大；齒輪的齒部上、下端面不直接接觸工裝，對齒輪的齒形、齒向變形影響更小；齒輪上下端面、前后、左右之間間隙均勻，升溫、降溫速度均勻；滲碳氣氛循環通暢無死角；淬火冷卻速度均勻、淬火介質流通順暢；這樣就保證了齒輪各部位加熱、冷卻均勻；滲碳氣氛及淬火介質流動均勻，使齒輪可以獲得較小的變形和較均勻的變形規律。此外，該生產操作方法安全簡單方便。
圖4 環形墊圈簡圖
圖5 電動汽車滲碳擺放方式示意
為了驗證該滲碳擺放方法的可行性。齒輪經滲碳淬火回火后檢測結果如下：齒輪端面部位硬度：60.2～61.7HRC；線切割實物檢測有效硬化層深度：0.70～0.73mm；心部硬度：38.8～39.2HRC；金相顯微組織：碳化物1級，殘留奧氏體和馬氏體2級，鐵素體1級。內孔圓度：0.003～0.06mm,公法線長度變動量：0.002～0.020mm，磨齒后齒輪精度等級3～5級。從檢測結果可以看出，通過設計環形墊圈和采用新的滲碳擺放方式，齒輪的各項檢測結果均符合產品的技術要求。產品合格率達100%。經多次小批量試生產，產品質量穩定可靠。現已采用此工藝進行批量生產。
4.結語
齒輪在滲碳淬火過程中出現一系列質量問題，通過設計環形墊圈并與合理的滲碳擺放方式相互結合，有效地解決了問題，確保了產品質量，降低了生產成本，提高了生產效率，取得了較好的經濟效益。
作者：黃錦財、賴香功、廖曉文
單位：贛州核力機械股份有限公司
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