齿轮轴渗碳直接淬火工艺研究
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一级齿轮轴渗碳直接淬火工艺，既要保证齿轮、花键部位的硬度，又需控制螺纹部位的硬度值及零件的热处理组织。本文主要对齿轮轴渗碳直接淬火后，防渗部位的硬度、渗碳区金相组织及零件整个工艺流程过后的变形量，与渗碳后进行一次加热淬火工艺进行对比分析。可以看出，渗碳直接淬火在保证零件机械性能的前提下，减小了变形量，降低了生产成本。
钢件经渗碳后，为使表面得到高的硬度和耐磨性，需要进行淬火处理获得马氏体组织。通常渗碳后的淬火可采取预冷直接淬火或一次加热淬火。对于本质细晶粒钢，渗碳后仍保持细晶粒组织，应尽可能地采用直接淬火，以节约人力、能源，减小零件变形。
车削加工时如果工件硬度过高，会造成加工困难、刀具磨损严重、加工粗糙度高，影响加工效率。为便于加工，应将工件硬度控制在HRC30左右。只有机械加工与热处理之间合理的配合，才能保证零件的加工质量，降低零件加工的整体成本。
渗碳后进行一次加热淬火的加工流程，为便于螺纹车削加工，又防止螺纹过硬，所以渗碳后去除渗碳层再加工螺纹，然后再进行淬火处理。
渗碳直接淬火工艺取消了一次淬火过程，有利于减小零件变形，缩短生产周期，降低生产成本。
2.1 一级齿轮轴的结构特点与技术要求
以推土机齿轮轴为例，图1为推土机齿轮轴示意图。
图1 推土机齿轮轴示意图
1）齿部 齿部啮合时，齿面承受剧烈的摩擦力与交变接触应力，同时会承受冲击载荷的作用，齿根会承受交变弯曲应力；要求其需具有高的硬度、耐磨性、接触疲劳强度、弯曲疲劳强度。
2）螺纹部 螺纹在工作过程中对抗拉强度有较高的要求，因此需要一定的韧性。
2.2 试验过程中的重点与难点
原加工流程，经过2次淬火，可以充分地细化奥氏体晶粒，使残余奥氏体量适当减少，提高渗碳后的疲劳强度。渗碳直接淬火的工艺流程，相对于原工艺流程，取消了1次淬火过程，晶粒度与残余奥氏体的量肯定会有影响。采用渗碳直接淬火路线的重点就是，在减少了1次淬火过程的前提下，保证机械性能合格。
一级齿轮轴的螺纹部与其他部位性能要求不同，且渗碳直接淬火后还需进行车削加工，因此不允许被渗上碳。渗碳直接淬火路线的难点就是在不影响工作效率的情况下，做好螺纹部位的防渗工作。
2.3 推土机一级齿轮轴加工过程
推土机一级齿轮轴材料为20CrMnTi，其化学成分如表1所示。
其渗碳直接淬火的热处理工艺为：对待车螺纹部位进行防渗工作，渗碳后降温直接进行淬火，然后低温回火，最后进行所需机械加工的到成品。
3.1 端部硬度测试
推土机一级齿轮轴出炉后，对待车螺纹部位进行硬度测试，所得硬度值为HRC30左右。因此，通过良好的防护工作，可有效控制需机械加工部位硬度值，为进一步的加工提供保障。
3.2 推土机一级齿轮轴金相组织检测
采取渗碳直接淬火工艺及1次加热淬火的渗碳区金相组织，分别如图2、图3所示。
图2 直淬渗碳区组织400×
图3 1次加热淬火渗碳区组织400×
检测得出渗碳区晶粒度为9级、残余奥氏体1级，与渗碳后再进行1次加热淬火工艺流程所得渗碳区晶粒度及残余奥氏体含量基本相同。可以看出，对于本质细晶粒钢，渗碳直接淬火对金相组织晶粒度级别及残余奥氏体含量影响不大，因此，渗碳直接淬火所得组织可以满足零件服役所需机械性能。
3.3 机械加工过程
机械加工时，跟踪观察刀具状况良好；车削加工过后，目测表面质量较好，通过螺纹通规与止规检测合格。
3.4 径跳测试
整个加工流程过后，对一级齿轮轴花键部位进行径跳测试，所得零件形变量为0.03mm左右，较渗碳后再进行1次加热淬火的0.06mm左右的形变量，零件变形减少了近50%。因此，减少了1次淬火流程能够有效的控制零件的变形。
通过良好的防渗措施，控制待车削部位硬度值，可保障一级齿轮轴渗碳直接淬火工艺流程的可行性；一级齿轮轴渗碳直接淬火后的金相组织与传统的渗碳后再进行一次加热淬火所得金相组织基本无差别，能够保证齿轮轴在使用中所要求的机械性能；一级齿轮轴通过渗碳直接淬火工艺，减少了一次淬火过程，有效控制了零件变形，且降低了生产成本，可应用于批量生产。
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