一种薄壁滑套的热处理变形控制

刘建儒，王战清，马 录

(陕西法士特汽车传动集团公司，陕西 宝鸡 722409)

滑套是保证变速箱更换档位时传输扭矩并变换转速的重要部件，其特点是壁薄、易变形[1]。滑套的服役条件要求其具有较高的心部强韧性和高的表面耐磨性，因而在加工制造过程中，通常采用渗碳淬火的强化手段来获取表面和心部不同的性能要求[2]。由于滑套径向尺寸较大，壁厚相对较薄，在渗碳淬火过程中不可避免地产生较大畸变，给热处理生产带来难度。

滑套热处理变形是一个十分复杂的问题，涉及多种影响因素，比如钢的化学成分和淬透性、零件几何形状、预备热处理后钢的组织、机械加工残余应力、装炉方式、升温速度、淬火温度和淬火介质等[3-4]。除了影响因素较多之外，滑套热处理变形也是一项跨越多学科、涉及多工序、多个生产部门、经济代价较高的复杂工程。

图1为某公司某薄壁滑套示意图，此滑套外花键大径φ91 mm，模数4，齿数22，滑套宽39.7 mm，最薄处壁厚仅为4.7 mm，且内花键缺两齿，为非对称结构。具体的加工路线为：锻造→正火→粗车→拉花键(内花键)→精车→滚齿(外花键)→高温渗碳淬火→低温回火→抛丸→内花键磨棱→终检。

图1 滑套零件示意图Fig.1 Schematic diagram of the sliding sleeve part

热处理技术要求为：1/2花键高处硬化层深为0.84～1.34 mm，花键根部硬化层深≥0.42 mm，表面硬度为58～63 HRC，心部无块状铁素体，渗碳层组织1～5级，晶间氧化≤0.02 mm。由于零件结构为非对称，且为薄壁件，热处理后容易发生椭圆变形。热处理后图纸技术要求：外花键跨球距M=102.05±0.08 mm，椭圆度△M≤0.13。本文对该滑套进行试验，分析淬火油品及搅拌速度对滑套变形的影响。

1 试验准备与过程

1.1 试验准备

滑套材料为某公司某标准中8620RH，标准要求其主要化学成分含量如表1所示，材料的原始组织为F+P。试验使用爱协林VKES4/2多用炉进行渗碳淬火，淬火油槽为7.5 m3，淬火油为好富顿G油(70 ℃)及MT355S热油(110 ℃)，使用VEKTE4/2清洗机进行清洗，在VKHLE4/2低温回火炉中进行回火。

表1 8620RH材料主要化学成分含量(质量分数，%)Table 1 The main chemical composition content of 8620RH material(mass fraction,%)

1.2 试验过程

本文通过调整淬火油搅拌电机的搅拌速度控制淬火油流动状态，研究不同淬火油和搅拌速度对滑套椭圆度的影响。将试验分为三组，每组各20件，考虑到该零件易变形，在装炉时采用了平放的方式，经高温渗碳后进行油淬。按照冷却速度即淬火烈度从高到低的顺序，将试验分为三组：G油+1440 rpm搅拌、MT355S油+1440 rpm搅拌和MT355S油+720 rpm搅拌，清洗后再进行180 ℃×3 h回火处理。渗碳淬火的热处理工艺见图2。

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

不同淬火油和搅拌速度下滑套零件的硬化层深、心部硬度和金相组织检测结果见表2。第一组试验(G油+1440 rpm)的硬化层深最大，心部硬度最高。第三组试验(MT355S+720 rpm)的硬化层深最小，心部硬度最低。由表2可知：随着淬火油由G油改为MT355S热油，搅拌速度逐渐降低，冷却速度逐渐降低，滑套零件的硬化层深和心部硬度也逐渐减小。

图2 滑套的热处理工艺Fig.2 Heat treatment process of the sliding sleeve

表2 三种淬火状态检测结果Table 2 Test results of three quenched

图3为淬火油冷却曲线示意图，淬火油的冷却可分为三个冷却阶段[5]：

第一阶段为蒸汽膜阶段，即沸腾阶段，从淬火温度到A特性温度。在此阶段，工件周围形成蒸汽膜，蒸汽膜辐射和传导热量，冷却速度很低。提高搅拌速度，能够加快蒸汽膜的破坏，使零件尽快进入沸腾阶段。

第二阶段为沸腾阶段，从A特性温度到B对流开始温度。蒸汽膜破裂，淬火油与零件接触。在此阶段冷却效果最好，可以达到最大冷却速度。生产中要求最大冷速大于淬火零件材质获得马氏体的最小临界冷速。有资料表明提高淬火介质流动性可提高淬火介质的最大冷却速度[6-7]。

第三阶段为对流阶段，即无沸腾阶段。从对流开始温度B到冷却结束。此阶段是冷却最慢的阶段，主要依靠液体中热传导与对流热传递。对于厚大零件，由于内部热量不易散出，零件表层冷到马氏体转变温度Ms后，淬火油的冷速减慢，则内层的热量传出速率较慢，内层获得的冷速较小，导致硬化层深较浅。提高搅拌速率可以有效提高淬火油对流热传递，增大零件内层热量的散出，从而降低内应力。

G油+1440 rpm冷却速度最快，心部更容易获得马氏体和高的有效硬化层深。随着冷却速度的降低，硬化层深逐渐减小，心部硬度也逐渐降低。

图3 淬火油冷却曲线示意图[8]Fig.3 Schematic diagram of quenching oil cooling curve[8]

2.2 变形指标

在淬火过程中，滑套的内应力分为热应力和组织应力[9-10]。热应力是滑套由高温到低温，由膨胀状态迅速冷却到冷缩状态时产生的应力。组织应力是奥氏体转变为马氏体引起的比容变化以及组织转变的不等时性产生的应力。这两种内应力叠加大于滑套的弹性极限时，就会产生变形。

通常情况下，渗碳淬火后零件会整体膨胀，出现外圆外扩、内孔内缩现象。但此滑套零件为非对称结构，由于缺齿部位结构缺失，应力分布不均匀，缺齿位置处热处理后尺寸变大，垂直缺齿位置处热处理后尺寸变小。

图4为三种淬火状态下外花键椭圆度分布图。由图4可知，随着淬火速度的降低，椭圆度超差零件的比例随之降低。淬火条件MT355S油+720 rpm下，零件合格率达到100%。

表3为三种淬火状态下外花键跨球距检测结果。由表3可知，三种淬火条件下，外花键跨球距变动量△M差别很大，G油+1440 rpm淬火条件下△M平均值最大，为0.1525，合格率仅为25%。随淬火冷却速度的降低，△M平均值降低。MT355S油+720 rpm淬火条件下△M平均值最小，为0.0905，合格率达到100%。

图4 三种淬火状态下外花键椭圆度分布图Fig.4 The ovality distribution diagram of the external spline in three quenched

表3 三种淬火状态外花键跨球距检测结果Table 3 Test results of external spline spanning ball distance in three quenched

3 结论

1)G油+1440 rpm淬火条件下，冷却速度最快，心部更容易获得马氏体和高的有效硬化层深。随着冷却速度降低，硬化层深逐渐减小，心部硬度也逐渐降低。2)滑套零件热处理后的变形规律：缺齿位置尺寸变大，垂直缺齿位置尺寸变小。随着淬火冷却速度的降低，滑套零件的椭圆变形情况明显改善，合格率从25%提升至100%。3)通过工艺试验，确定了MT355S油+720 rpm的淬火冷却方案，该滑套零件的椭圆变形得到有效控制，满足了产品技术要求。