本文针对某汽车变速器输入轴，在VKES5/Ⅰ可控气氛多用炉渗碳淬火过程中出现的表面硬度不均问题进行了分析，找出了问题产生的原因，并改进了渗碳淬火生产工艺。结果表明，采用改进后工艺方法处理的输入轴，其渗碳淬火和回火后质量都满足设计图样要求，达到了大批量生产的需求。

问题的提出

某车型变速器输入轴（见图1）的材料为20CrMo钢，设计要求零件表面硬度为82±2HRA，心部硬度为30～45HRC，有效硬化层深0.5～0.7mm，金相组织检验按HB 5492-1991《航空钢制件渗碳、碳氮共渗金相组织检验标准》进行，零件加工工艺路线为锻造→等温正火→粗、精机加工→渗碳淬火、回火→清理抛丸→校直工序→热后精磨轴径→直接装机使用。在可控气氛多用炉中对输入轴进行渗碳淬火和回火后检验发现，沿φ43mm圆周表面硬度不均，软的区域硬度为75～78HRA，经检测有效硬化层深度约为0.321mm；检测硬度软的部位，有效硬化层深度浅不合格，由此造成的返工率达15%～25%。因此，控制输入轴渗碳淬火和回火后的表面硬度，降低返工率，是保证产品顺利进入大批量生产的关键。

原热处理工艺

输入轴零件采用VKES5/Ⅰ可控气氛多用炉加热渗碳淬火和低温回火，工艺曲线如图2所示。渗碳温度为（900±10）℃，淬火介质为好富顿MT355分级淬火油。零件采用垂直摆放方式装炉。针对输入轴结构特点，设计部门规定在φ43mm圆周上检测表面硬度。由表1可见，输入轴在φ43mm周径沿圆周表面测定的6点，硬度软硬不均，不合格，有效硬化层深度也不合格。

存在问题原因分析

由图1可知，输入轴为长轴工件，但轴的中间部位较粗，渗碳淬火和回火后表面硬度不合格原因为：工件在渗碳淬火前不可避免地与空气、切削液和清洗剂等物质接触，一定程度上会使工件表面被钝化，形成一层“钝化膜”，该钝化膜的存在会影响碳在工件表面的吸附；碳的渗入深度决定了硬化层深度的深浅，根据输入轴的结构特点及硬度、有效硬化层深度不合格分析，渗碳温度相对偏低和碳势给定相对低是影响有效硬化层深度的关键因素；淬火温度低，溶入奥氏体含碳量不高，因而回火后马氏体含碳量低，导致工件表面硬度不足，工件表面硬度容易出现软带。

图2  原渗碳淬火回火工艺曲线  

改进措施及效果

为了消除输入轴因表面硬度不合格返工的问题，我们经多次工艺试验后采取以下改进措施。

1.增加预氧化工序

在渗碳淬火前增加一道预氧化工序，将工件加热至（400±10）℃，保温40～60min或空气冷却。在无气氛保护条件下，使工件表面残油被清除的同时，被空气氧化生成一层薄的氧化膜：Fe＋O2→Fe3O4。在渗碳时气氛中的碳优先将氧化膜还原成新生态的铁：Fe3O4＋CO→Fe＋CO2。新生态的铁具有很强的表面活性，可以促使碳在工件表面的吸附，实现崔渗。

2.提高渗碳温度

通常渗碳温度为880～930℃，温度提高可使碳在钢中的扩散速度加快，有利于碳的吸收和扩散。渗碳温度提高可以增加碳在奥氏体中的溶解能力。为保证工件渗碳淬火后有效硬化层深度偏中线且深度均匀，我们提高了渗碳温度，试验选定为900℃，碳势设定由原1.05%C提高至1.08%C。

3.调整淬火温度

淬火温度是兼顾硬化层和心部组织与性能的一个重要因素，淬火温度过高虽有利于心部硬度指标，但有效硬化层出现粗大的马氏体组织和残余奥氏体量大，不易达到设计要求，也不利于畸变量的控制，为兼顾工件的性能要求将原淬火温度由840℃调整至830℃，碳势设定按原设定值给定0.85%C。

图3为改进后的渗碳工艺曲线，表2为采用改进后工艺生产的输入轴实测数据。由表2可以看出，采用改进后的工艺，输入轴渗碳淬火以及回火后工件表面硬度和有效硬化层深度全部达到了设计要求。

结语

变速器输入轴经采用改进后的工艺，渗碳淬火和回火后，质量都满足设计要求，同时，工件表面硬度和有效硬化层深度得到了有效控制。采用改进工艺参数连续生产86396件，产品合格率为100%，保证了输入轴渗碳淬火和回火的一次交检合格率，取得了良好的经济效益和社会效益。按年产50万件计算，每年可节省各种费用约48万元。