连铸坯形对变速箱零部件热变形的影响

汤文馨，范王展，桂伟民，张晓菊

(陕西法士特汽车传动集团有限责任公司，陕西 西安 710119)

汽车制造已经逐步成为我国国民经济中带动整个经济增长和结构升级的支柱产业。随着科技与时代的进步，目前汽车传动系统趋于轻量化、精密化和高性能化。除了机械加工，热处理变形也是影响变速箱零部件精密性的主要因素之一，热处理变形量较大或热变形规律不稳定都可能导致零件报废[1-2]。因此，改善零部件热处理变形是提高产品装配精度、降低变速器运行噪声、延长产品服役寿命的有效方法之一。

从理论上讲，由于相变的存在，热处理变形不可避免，只能尽可能减小热变形或实现对热变形的有效控制[3]。热处理变形是一个影响因素众多的复杂过程，在实际工况中，工件的结构形状、原材料质量、热处理前的加工状态、工件自重以及热处理时工件的支承或夹持等因素都对热变形有影响[4]。目前，绝大多数的齿轮钢均采用连铸生产，再热轧成棒材。不同的连铸生产线形成的坯形不同，而不同坯形具有不同的材料偏析情况，对工件热处理变形的影响也不同[5]。因此，研究不同连铸坯形钢材对齿轮热处理变形的影响，对产品的选材设计、精度提高、减损降本具有指导意义。本文选取自主开发的一种典型齿轮件进行热变形试验，对比分析圆形和方形连铸坯对变速箱零部件的热变形影响。

1 实验方法

本文选用的试验钢种为抚顺特殊钢厂和湖北新冶钢厂提供的8620RH钢材，该材料采用电炉熔炼→炉外精炼→真空脱气→连铸→热轧成材，经不同坯形的连铸生产线形成不同连铸坯后热轧成圆钢棒材，其中抚顺特殊钢厂的连铸坯形为方坯，湖北新冶钢厂的连铸坯形为圆坯。表1为试验钢的主要化学成分。由于淬透性对产品的热变形影响较大[6]，为控制变量，选取的两种钢材淬透性相近，以消除淬透性对热变形的影响，钢材淬透性见图1。

表1 试验钢的主要化学成分(质量分数，%)Table 1 Main chemical composition of the experimentalsteel (mass fraction，%)

图1 试验钢的淬透性Fig.1 Hardenability of the experimental steel

为研究钢材连铸坯形对零件热变形的影响，将不同坯形的轧制钢材加工成齿轮零件进行变形验证，在相同的热处理工艺下进行渗碳淬火并保证试验件装炉位置一致。热处理前后对试验件每隔120°测量其关键尺寸，测量点如图2所示。同时，为研究材料偏析情况，在未经热处理的试验件上每隔120°切取一个试样，在试样横截面由齿顶向齿内按平均间距检测试样的材质、显微组织，取样检测位置如图3所示。采用PDA-8000型光电直读光谱仪检测试样的化学成分。试样经金相抛光后，用4%硝酸酒精腐蚀，在DMI 5000金相显微镜下观察其显微组织。

图2 试验件尺寸测量点示意图Fig.2 Schematic diagram of size measuring points for test sample

图3 试验件取样检测位置示意图Fig.3 Schematic diagram of sampling location for test sample

2 试验结果及分析

不同坯形钢材制造的齿轮热处理变形数据见表2及图4。

表2 不同坯形钢材制造的齿轮热处理变形数据Table 2 Data of heat treatment deformation of the gearwith different continuous casting billet

(a)方坯；(b)圆坯图4 不同坯形试样的热处理变形(a)circular billet；(b)round billetFig.4 Heat treatment deformation of samples with different continuous casting billet

由表2和图4可知，两种坯形钢材制造的齿轮经渗碳淬火后内径均呈缩小趋势，方坯制造的齿轮内径平均缩减量大于圆坯，且方坯齿轮内径椭圆度大于圆坯。椭圆度越小，零件变形的均匀性越好，均匀的变形形式有利于齿轮制造企业预测、控制并修正，有利于提高齿轮精度。由此可见，该试验中，圆坯轧制钢材制造的齿轮热处理变形均匀性比方坯的好，热变形趋势更稳定。有研究表明，在热处理过程中，由于温度或者相变不均匀产生的热应力和组织应力导致的变形是钢材热处理变形的根本原因[7-8]。在本研究中，由于热处理条件相同，因此相变不均匀是导致本实验中试验件发生热变形的根本原因，而相变不均匀与试样上存在的材料成分偏析、组织不均匀等因素有关[9-10]。为了深入研究出现上述热变形结果的原因，对试验件渗碳淬火前的材料化学成分及显微组织进行分析。

图5为不同坯形钢材制造的齿轮试样渗碳淬火前的化学成分偏析情况，偏差值越大，偏析越严重。可以看到，等圆周半径上，方坯试样的C含量偏差均大于圆坯，表明方坯试样的碳偏析较圆坯严重；主要合金元素Cr、Ni、Mo含量的偏差值整体上方坯均大于圆坯，方坯试样的合金元素偏析较圆坯严重。因此，圆坯轧制钢材制造的齿轮横截面化学成分偏析程度较低，成分均匀性优于方坯。

(a)C；(b)Cr；(c)Ni；(d)Mo图5 不同坯形的齿轮渗碳淬火前化学成分偏析情况(每两柱为一组，左为方坯，右为圆坯)Fig.5 Segregation of chemical composition of gears with different continuous casting billet before carburizing quenching (each two columns is one group,left is square billet,right is round billet)

对于不同连铸坯形钢材制造的齿轮，渗碳淬火前在齿轮横截面由齿顶向齿内截取3个试样，进行金相显微组织观察，如图6所示。由图可以看出，两种坯形的试样沿齿顶向齿内均呈现一定程度的带状组织形貌，且带状组织程度无明显差异。还可以发现，两种坯形的试样均为铁素体和珠光体的混合组织，但珠光体含量存在一定差异。方坯试样的珠光体含量较圆坯试样多，图(d1)、(e1)、(f1)中的珠光体含量分别为32%、40%、32.8%，偏差值为4.4；图(d2)、(e2)、(f2)中的珠光体含量分别为30.5%、31%、29.7%，偏差值为0.66，远小于方坯试样。从图6可以看出，方坯试样横截面上的组织分布均匀性比圆坯差[11]。珠光体团的出现说明局部碳偏高，这种现象与上述分析的方坯试样C含量偏析较明显相一致。因此，本实验中方坯的成分偏析与组织不均匀导致方坯制造的齿轮热变形稳定性较差。

(a1)(d1)方坯,齿顶；(b1)(e1)方坯,齿中；(c1)(f1)方坯，齿内；(a2)(d2)圆坯,齿顶；(b2)(e2)圆坯,齿中；(c2)(f2)圆坯，齿内图6 不同坯形的齿轮渗碳淬火前的显微组织(a1)(d1)square billet, tooth tip；(b1)(e1)square billet, intermediate gear；(c1)(f1)square billet，internal gear；(a2)(d2)round billet,tooth tip；(b2)(e2),round billet齿中；(c2)(f2)round billet，internal gearFig.6 Microstructure of gear with different continuous casting billet before carburizing quenching

3 结论

1)连铸坯形对齿轮钢的热处理变形有一定影响，在淬透性相近和热处理工艺相同的情况下，连铸圆坯轧制钢材制造的齿轮热处理变形较方坯均匀。

2)连铸方坯轧制钢材制造的齿轮热变形均匀性较差，主要是横截面化学成分偏析明显且组织不均匀导致的。