4320H行星齿轮轴渗碳淬火工艺优化

■ 朱百智

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1. 概述

（1）技术要求 某公司承接了出口机车件行星齿轮轴的来图加工业务，材料是4320H，外观尺寸为φ184mm×727mm，模数是11.56。渗碳淬火技术要求如表1、图1所示，其引用了AGMA923标准，与国内外通用的标准ISO6336-5相比，增加了齿根层深要求和非马氏体组织要求，齿根层深与齿面层深比例要求约为0.66（3级齿轮要求），本文以增加齿根渗碳硬化层深为主要目标，对渗碳淬火工艺进行了优化。

（2）齿根渗碳硬化层深影响因素 结合有关文献及笔者的工艺实践认为，齿根渗碳硬化层深的影响因素包括：①曲率半径：齿根曲率半径大于齿面，导致齿根渗碳速度慢于齿面，因此有关标准区别了齿面和齿根渗碳硬化层深要求提法。②渗碳初期，到温不同步：齿根有效尺寸大于齿面，渗碳到温滞后于齿面，齿根实际有效渗碳保温时间短于齿面，也是齿根渗碳层深低于齿面的主因。③淬火加热和冷却环节：淬火保温时间和冷却不充分，也会降低齿根硬化层深。④原材料淬透性：齿根硬化层深与淬透性正相关，即在相同热处理条件下，淬透性增加，齿根硬化层深随之增加。由于条件所限，本文没有对这一影响因素展开研究和改善。

图1 齿面和齿根检测位置示意

2. 工艺方案

行星齿轮轴的渗碳淬火设备为RJ160/550J深井渗碳炉（有效尺寸：φ1600mm×5500mm），装炉方式如图2所示。本文设计了三种工艺方案，分别为常规工艺、淬火优化工艺及预渗+淬火优化工艺，如表2、表3和表4所示。

表1 渗碳淬火技术参数

图2 装炉示意

（1）方案1（常规工艺）从表2可以看出，常规工艺的渗碳过程主要包括均热、强渗、扩散降温和坑冷等过程，淬火油冷过程开动油槽搅拌器。

（2）方案2 （淬火优化）方案2（见表3）在常规工艺的基础上，对淬火环节进行了优化，主要措施包括：淬火加热820℃保温时间由3h延长到4h；以及在油冷过程初期，提高淬火油的流速。

（3）方案3（预渗+淬火优化） 如前所述，基于齿根渗碳到温滞后于齿面，方案3（见表4）在渗碳环节增加了930℃预渗（时间：1h，碳势：0.8%），以缩短二者有效渗碳时间的差距。此外，继续采用与方案2相同的淬火优化措施。

3. 结果与分析

三种不同工艺方案的结果对比如表5所示。

从表5可以看出，三种工艺方案条件下：

（1）表面硬度、心部硬度、齿面硬化层深及金相组织的指标均满足技术要求，且无明显差异。

（2）齿根渗碳硬化层深明显均浅于齿面，说明曲率半径对渗碳硬化层深影响显著。

（3）延长淬火保温时间，提高淬火油的流速，齿根硬化层深由0.6mm增加到0.98mm，增加了约63%，但没有满足技术要求1.27mm。

（4）增加预渗，延长淬火保温时间，提高淬火油的流速，三者同时作用，齿根层深由0.6mm增加到1.56mm，增加了约1.6倍，齿根层硬化深/齿面硬化层深约为75%，达到了AGMA三级齿轮等级。

4. 结语

（1）由于曲率半径的差异，齿根渗碳硬化层深明显均浅于齿面。

（2）增加预渗，延长淬火保温时间，提高淬火油的流速，三者同时作用，改善效果显著：①齿根硬化层深由0.6mm增加到1.56mm，增加了约1.6倍。②齿根硬化层深/齿面硬化层深比值约为75%，满足了AGMA三级齿轮（66%）的要求。

表2 方案1（常规工艺）

表3 方案2（淬火优化）

表4 方案3（预渗、淬火优化）

表5 不同工艺方案的结果对比