采用稀土共渗技术解决汽车齿轮渗碳存在的问题（上）

作者:xingyang                         时间：2010-12-02

轴承及轴承相关技术文章（轴承型号查询网提供） 关键字：轴承,齿轮 【摘要】 当前我国汽车齿轮仍然存在着渗碳温度高，工艺周期长，齿轮变形大，使用寿命短，质量欠佳，能耗过高等问题。用什么方法可以解决上述长期存在的老大难问题，是摆在我国科技与工程工作者面前的严峻任务。经过长期的研究与生产实践，我们提出采用稀土共渗技术可以多方面、完满地解决上述难题。使我国齿轮渗碳技术上一个新台阶，产品质量达到或超过国际标准。 我国自进入WTO以来，汽车市场逐步对外开放，国外一些知名汽车制造商纷纷在中国设厂，引进了大量先进制造没备与先进工艺技术，预计今年全年各类汽车生产将突破400万辆大关，对我国汽车行业带来巨大冲击与发展机遇，竞争将越来越激烈j随着汽车市场全球化趋势的发展，中国必将成为全球汽车零配件制造与供应商主要集贸市场。要想抓住这个商机，必需按国际标准进行生产。汽车齿轮及其总成是汽车极其重要的零部件，如能克服上述存在问题(见摘要)，使之成为名牌产品，其变速箱与后桥成为世界知名品牌汽车的直接供货商，参与世界市场竞争并赢得市场份额，将为我国汽车制造业做出重大贡献。[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-6/2008630102143.jpg[/img] 稀土共渗技术是哈尔滨工业大学20世纪80年代中期重大的科技发明。学者们首先发现能将原子半径比铁大40％的稀土原子渗透人到了钢的表而，同时发现稀土对渗碳、碳氮共渗、渗氮等化学热处理过程有十分明显的催渗作用，可以提高渗速20％～30％。理论研究指出，微量的稀土(数十个ppm)渗人到钢的表层后还能起微合金化作用，它能有效地成为第二相如碳化物、碳氮化合物或氮化物，沉淀析出的核心，进而沉淀析出细小弥散颗粒状碳化物与碳氮化物。这些高度弥散的颗粒必将成为奥氏体向马氏体切变长大的障碍物，迫使马氏体转变为超细化。这种超细马氏体具有很高的强度与韧性，作为基体其上分布细小弥散颗粒状碳化物，这就是稀土共渗后获得的最佳微观组织，这种最佳组织具有更高的接触疲劳与弯曲疲劳强度以及足够高的硬度与耐磨性和抗粘着磨损特性。由上述可见，在齿轮渗碳中正确引入稀土碳共渗技术不仅可提高渗速20％～30％，还能获得其他方法难以得到的最件金相组织，由此带来使用性能的大幅攀升。 由于渗剂中加入稀土既能提高渗速降低能耗，减少变形，又能明显改善组织和提高性能，因此如在齿轮渗碳中引入稀上将使我国化学热处理工艺提高至一个新水平，产品质量上一个新台阶，从而早日完成与国际接轨的目标，参与国际竞争。 一、当前汽车齿轮渗碳存在的问题与差距 1．普遍存在的问题 (1)渗碳速度慢，生产效率低，能耗居高不下。 (2)渗碳温度高，碳势Cp高，导致金相组织差，碳化物、马氏体、残留奥氏体等级别偏高，且级别波动大，稳定性差。 (3)齿轮经热处理后尺寸畸变大，精度等级大幅下降，装配互换性变差，传动欠平稳、噪声大。 (4)性能差 ①表面存在黑色组织与非马氏体组织。②外表层残留奥氏体过多。③外表层硬度偏低，硬度分布曲线表面层低头现象普遍，导致耐磨性大幅下降，④齿轮接触疲劳性与耐磨性不高，导致齿面出现麻点剥落，造成早期疲劳失效损坏，这点在载重车与重型工程车辆中表现尤为突出。 2．与国际接轨配套出口存在差距 前已述及我国生产汽车产量已跃居世界第三，汽车生产基本上为外商垄断，我国汽车工业的出路在于提供大量优质零配件。以齿轮为主的汽车传动系统对汽车来说极为重要，以齿轮为主组成的汽车发动机变速箱总成与前桥和后桥总成若能与世界汽车制造商提供配套，将是我国汽车行业一个重大机遇。为此，齿轮行业尤其是齿轮热处理行业应认清形势，为达到出口水平而做出应有的努力。 总的说来，达到出口配套必须在加工流程中对如下环节加强工艺控制，否则必然产生差距。 (1)热处理前的机加工质量包括：表面粗糙度与尺寸公差，即热处理前后的外观质量与装配精度。 (2)与性能及尺寸变形相关的材料与加工工艺，包括：钢材成分控制与纯净度、淬透性带控制、带状组织控制、锻坯的预先热处理等温正火及组织的均匀性，冷加工应力消除等。 (3)渗碳淬火回火过程齿轮的畸变控制与精度等级控制，装配互换性、传动平稳性与噪声。 (4)工装设备方面，氧化脱碳、工件表面清理、淬火油冷却特性与冷却均匀性(包括工件料筐摆放)等。 (5)金相组织差异：表面硬度与硬度梯度分布，碳化物、马氏体与残留奥氏体级别控制。 (6)性能抽检：①齿轮弯曲疲劳与接触疲劳试验。②变速箱与后桥总成台架寿命试验等。 外商通常对齿轮产品进行如下检验： (1)齿轮外观检查：①商品色泽。②公差尺寸检查。③表面粗糙度。 (2)装配互换性检查：总成传动振动与平稳性榆查，总成传动噪声检查。 (3)热处理质量检查：①表面硬度62～64HRC。②层深检查按550HV评定。③金相组织：一般碳化物、马氏体及残留奥氏体 (4)对加工产品单位质量保证体系考查：①硬件设备：温度自控智能仪表与校正体系；氧探头及其智能仪表控制体系；金相质量检测体系。②软件：质量管理各种文件与措施；工艺管理各种文件齐全。 只有硬件与软件达到要求后才可以进行产品加工，目的在于保证产品质量的稳定性、可靠性与重复性及均一性。 综上所述，我国许多企业经过近10年来的不断改造，有相当部分企业的冷热加工的工装设备已基本上符合国际生产水平的要求，关键问题在于企业领导者与经营管理者的理念：一是受多年来国有企业经营管理理念束缚，重产量轻质量，当产生矛盾时往往质量为产量让路。二是只重视眼前利益，轻视长远利益。三是缺乏市场竞争意识，缺乏优患意识，缺乏创新意识，缺乏企业生产经营的个性与特性的发展战略，没有个性与特性的企业只能随着市场大起大落。因此如何实现思想转轨及经营管理理念转轨，加快企业适应市场特别是汽车市场的全球化的竞争与机遇，在全球“中国造”的大旗下，占领一席之地，有关部门应当认真加以思考。 3．当前重点应急措施采用稀土碳共渗技术 从技术角度而言，优质齿轮的生产是一个系统工程，生产流程各生产环节都存在各式各样的矛盾与问题。实践证明：齿轮质量的焦点集中表现在热处理后。 简言之，?股渗碳淬火后齿轮的精度由热处理前的4～5级精度，处坪后增至7～8级，尺寸与形状畸变急剧增大，齿轮装配的互换性变差，花键孔变形导致齿轮中心距偏移，传动过程产生振动和噪声将不可避免地增大，后果是汽车变速箱装配后肯定达不到标准；而齿轮的内在质量更是决定于齿轮热处理质量，例如行业规定，表面硬度58～62HRC，若表面存在黑色组织与非马氏体组织，势必影响齿面的承载能力、耐磨性及接触疲劳寿命，造成早期疲劳磨损而失效。齿向差的变形造成齿而受力偏载也可造成早期失效损坏。特别典型的载重车后桥终端传动螺旋锥齿传动付，当转弯或道路崎岖不平时，承受巨大冲击及滑动摩擦，极易产生冲击疲劳磨损与粘着磨损，这些问题导致集中暴露在热处理质量上，多年来一直是热处理的老大难问题，成为我国汽车生产质量的拦路虎与瓶颈。 有没有办法解决？有采用稀土碳共渗技术可以收到立竿见影的实效。 稀土化学热处理共渗技术是20世纪80年代中期哈工大在材料科学领域中的一项重大科技发明，首次发现了稀土渗碳过程中的催渗作用与微合金化作用，先后申请相关发明专利8项，并获航天部科技成果一等奖一项“稀土对碳氮共渗过程的活化催渗及其在汽车拖拉机齿轮上的应用”(1986年)；国家发明二等奖“稀土特殊共渗热处理新技术”(1990年)。 本项技术具有如下独特的特性： (1)在渗碳过程中提高渗速15％～30％，下限为严格对比，上限包括工艺参数优化；对氮化及软氮化提高30％～50％。 (2)可降低渗碳温度40～60℃，可在820～900℃温度下进行快速渗碳，完全取代碳氮共渗消除黑色组织及非马氏体组织，使工件变形的畸变大幅下降。 (3)改善组织，提高性能。稀土能与碳一起渗入到钢的表面层起微合金化作厢，稀土能作为碳化物形核核心，使其成为细小弥散颗粒状沉淀析出。它的存在阻碍马氏体切变长大，马氏体残留奥氏体成超细状态，所以稀土渗碳的过共析区的典型组织为：在超细隐晶马氏体与残留奥氏体的基体上分布着不同大小尺寸的细小弥散颗粒状碳化物。这种超细马氏体与残留奥氏体具有高强度、高韧性及高的断裂韧度，高的耐磨性与动态弯曲疲劳与接触疲劳寿命。 (4)提高生产效率及劳动生产率，明显降低能耗，从而降低生产成本。 二、各种催渗剂的简单比较及新技术应用前景 我国存化学热处理技术市场上先后出现过如下一些催渗技术及新技术，可简单分类如下： 1．化学催渗类 (1)四氯化碳及氯离子类、酸性气体类：机理是利用氯离子在气相反应中对工件表面反应，清除表面污物，露出新鲜表面，活化工件表面，促进表面反应能力，对渗C、渗N有明显的催渗作用，作用机理只限炉气与工件界而反应，除对工件表而产生化学反应外，对炉子耐热钢构件有明显腐蚀作用。 (2)BH催渗技术：强化渗碳剂裂化反应，既使煤油也可在860～880℃低温裂解，机理为4价碳离子催渗；即使4价碳原子渗入也不会产生合金化作用。 (3)稀土共渗技术：除催渗节能提高效率外，最大特征与区别是稀土能渗入钢的表面层内起微合金化作用，细化组织与提高性能，这是本技术与其他催渗技术的本质差别。 (4)多元共渗：C、N、B、S、O、RE，尽管各个元素起的作用不同，但是稀土RE起第二相沉淀析出核心，细化第二相使之细小弥散分布，不易团聚长大的特殊作用不可能被取代，因此提高工艺温度，进一步提高渗速及保持高性能的特殊作用十分明显。 2．物理催渗先进技术 诸如离子氮化、离子软氮化、离子渗碳、电场渗碳及真空渗碳等，只是处理特殊零什时使用。对汽车齿轮来说，要求批量大、成本低、质量稳定，特殊方法难以满足。故目前仍然沿用常规设备，如井式渗碳炉、密封箱式渗碳炉及连续式气体渗碳炉，只不过进行了必要技术改造，特别是增加了先进的计算机控制系统．广泛采用国际上通用的氧探头及碳势控制智能仪表及其上位机工业控制计算机及相应的自适应渗碳软件，这些装备国内已能自行制造，性能与国外产品基本相同，价格则低很多。 3．与国际接轨及齿轮产品出口配套的技术措施[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-6/2008630103629.jpg[/img] (1)硬件设备条件 我国热处理专业化水平还很低，企业分散，尚处于转轨阶段，大多数企业热处理设备落后，对于质量控制设备，有的不具备或只有一部分，要彻底改变这种现状只有走专业化道路。目前只能面对这种现实加强设备、工艺及质量管理，力求最好效果。 (2)工艺软件及质量管理 采用我国独创的稀土碳共渗技术，允分发挥其独特的作用，加强工艺管理，可使汽车齿轮的渗碳工艺水平达到新水平，产品质量上一个新台阶，生产条件好的企业达到出口水平完全可能。实践证明，少量企业走在前面已成功向外商汽车企业提供了配套齿轮产品及汽车零配件总成。 三、稀土共渗技术的正确应用 1．稀土渗剂的选择 为了适应当前市场需求，推进先进工艺技术的应用，推荐稀土共渗技术，我们目前与原哈尔滨稀土材料厂的工程技术人员共同组建了哈尔滨意锋稀土应用技术开发公司，业已研制成功并推出有机稀土共渗催渗剂系列产品。它除了效果优良外，还克服了管口堵塞问题，在井式渗碳炉中连续使用50余炉没有发生一次堵塞现象，给用户使用带来方便，满足了市场需求。 2．稀土催渗效果评价 (1)评价内容 催渗含义主要指渗入速度及节电两个方面。 (2)评价方法对渗速而言有如下几种对比方法，即加稀土与不加两种工艺相比：①不同时间取样测层深并做出两条渗碳动力学曲线进行对比。②除去辅助时间之后纯渗碳时间的渗碳速度v为总深度δ除以纯渗碳时间h，即v=δ／h(mm/h)。③加稀土与不加稀土两种工艺随炉淬火试样直接对比。④对周期性炉一个周期所需时间或层深进行对比。⑤对连续炉按推料周期与试块渗层深度进行对比。 3．稀土渗碳工艺的特殊性 欲使稀土渗入钢中起微合金化作用即能成为第二相碳化物形核核心进而沉淀析出细小弥散颗粒状碳化物，阻碍马氏体转变时切变长大而成为超细马氏体，因此，渗碳工艺必须采用高的炉气碳势。只有提供足够多的碳原子即过饱和浓度的碳原子，稀土才能达到形核条件，同时也因此增加基体中的缺陷密度，促进碳原子在固相中的扩散速度，才能获得典型的金相组织。通常920～930℃条件下炉气碳势必须采用Cp=1.2～1.3，甚至1,4。但不能在高温下过早析出碳化物。而较低碳势Cp=1.0～1.1，效果将不明显。 4．稀土渗碳的微观组织评价 由于稀土渗碳工艺要求的特殊性，必须采用较高的Cp进行渗碳，因此渗碳外表面过共析区必须有在常规×500倍的显微镜下可见的细小弥散颗粒状碳化物，或隐形更细小不可见的弥散碳化物，两者的基体都是超细隐晶马氏体与残留奥氏体，这就是稀土渗碳的典型最佳金相组组织。图1是20CrMnTiH钢经900℃×7h稀土渗碳后的典型最佳金相组织图；图2是在相同条件下的金相组织，只是Cp较低，碳化物颗粒很细小而已；图3则为20CrMnTiH钢无碳化物的金相组织。 如果稀土渗碳工艺参数不当，也可能出现原机械部颁发的汽车齿轮渗碳金相检验标准规定的有关碳化物、马氏体及残留奥氏体各种级别的组织。

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