大型薄輻板重載齒輪的滲碳淬火及變形控制

太原重工股份有限公司 （山西 030024） 姚亞俊 陸建修 魏 鋒 楊永鋒

隨著國內(nèi)機(jī)械裝備市場(chǎng)的迅速發(fā)展，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)也發(fā)生了巨大的變化，大直徑、薄輻板類的齒輪在產(chǎn)品中越來越多。由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，在熱處理過程中極易出現(xiàn)變形的問題。本文針對(duì)大直徑、薄輻板易變形齒輪的滲碳淬火進(jìn)行了系列研究，采取了一些有利于減少變形的綜合措施，取得了良好的效果。

滲碳過程中高溫蠕變導(dǎo)致齒輪下彎，淬火過程中顯微組織快速轉(zhuǎn)變，輻板強(qiáng)度難以支撐其冷卻過程中的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力，極易造成齒輪變形。試生產(chǎn)過程中由于變形較大，磨齒后關(guān)鍵尺寸出現(xiàn)較大偏差而影響其使用，因此將齒輪滲碳淬火后的變形量控制在較小范圍，是此類齒輪順利批量生產(chǎn)的關(guān)鍵。

1.技術(shù)要求

圖1為某變速箱齒輪結(jié)構(gòu)示意，材質(zhì)17CrNiMo6，重量3795kg。齒面要求滲碳淬火處理，有效硬化層深度2.85～3.25mm，單邊余量0.45mm，齒面硬度58～62HRC，心部硬度35～42HRC，金相組織符合機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T6141.3－1992的要求，晶粒度不低于6.5級(jí)。力學(xué)性能要求：屈服強(qiáng)度ReL≥795MPa、抗拉強(qiáng)度Rm≥1079MPa、伸長率A≥8%、斷面收縮率Z≥35%、沖擊吸收功KV2（－40 ℃）≥25 J。

圖1 齒輪尺寸結(jié)構(gòu)圖

齒輪滲碳淬火變形主要體現(xiàn)在圓度和錐度兩個(gè)方面。工件淬火后變形量要求為：圓度≤0.9 mm、錐度≤0.9mm。

2.熱處理工藝

齒輪生產(chǎn)工藝流程：下料→鍛造→鍛后退火→粗加工→調(diào)質(zhì)→半精車→滾齒→滲碳淬火＋回火→噴丸→精車→磨齒→入庫。

在常規(guī)熱處理工藝的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)做出適當(dāng)改進(jìn)后適用于大直徑、薄輻板齒輪的滲碳淬火工藝曲線見圖2。齒輪加工過程中切削區(qū)域產(chǎn)生擠壓塑性變形，導(dǎo)致殘留應(yīng)力產(chǎn)生，所以在齒輪滲碳前升溫期采取階梯升溫并嚴(yán)格控制升溫速度60℃/h，可以減小齒輪各部位由于受熱不均勻引起的溫差。受熱不均勻會(huì)影響奧氏體的轉(zhuǎn)變速度，奧氏體轉(zhuǎn)變速度不同必然會(huì)引起工件變形。將滲碳溫度由常規(guī)930℃降低到910℃，且采取脈沖碳勢(shì)進(jìn)行滲碳，從而使得工件中的碳濃度從表面到心部緩慢降低。淬火溫度由820℃降低到800℃，可以使熱應(yīng)力和組織應(yīng)力相應(yīng)減小，同時(shí)提高鋼的塑性變形抗力和降低工件的蠕變傾向，在一定程度上可減小齒輪的畸變程度。淬火冷卻介質(zhì)的溫度提高至60～70℃，提前對(duì)油槽開起攪拌，工件入油時(shí)停止攪拌，30s后再開起攪拌，可以縮小齒輪與淬火油的溫度差，同時(shí)增加淬火油的流動(dòng)性，有利于減小熱應(yīng)力，使工件均勻冷卻，進(jìn)而減小齒輪淬火過程中的畸變。

滲碳階段選用耐熱鋼底盤及墊塊，內(nèi)輪轂處三點(diǎn)均布?jí)|實(shí)，外輪緣截面中心位置八點(diǎn)均布，利用0.2mm墊片進(jìn)行調(diào)整以預(yù)留0.8～1mm間隙。起吊過程中輕起輕放，避免輪緣處墊塊挪動(dòng)。淬火、回火階段選用耐熱鋼工裝，將齒輪上下端面進(jìn)行翻轉(zhuǎn)后內(nèi)輪轂處三點(diǎn)均布?jí)|實(shí)，外輪緣不進(jìn)行支墊。可以使淬火過程與滲碳過程產(chǎn)生的變形相互抵消一部分，有助于將淬火、回火后的變形量控制在較小范圍。

圖2 滲碳淬火＋回火工藝

3.檢測(cè)結(jié)果

按以上工藝生產(chǎn)后，參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)隨爐試樣進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如下：有效硬化層深3.21mm（見圖3），碳化物1級(jí)，馬氏體及殘留奧氏體3級(jí)，心部組織2級(jí)，心部硬度36～39HRC，齒面硬度59～60HRC，力學(xué)性能：ReL為1070MPa，Rm為1240MPa，A為11%，Z為65%，KV2（－40℃）為48J、40J、45J、37J，均符合技術(shù)要求。

圖3 回火后隨爐試樣有效硬化層硬度分布曲線

第1件齒輪滲碳后錐度0.9mm、圓度0.18mm，淬火后的錐度0.1mm、圓度0.18mm，均滿足技術(shù)要求。試生產(chǎn)合格后，又對(duì)后期采用同樣工藝生產(chǎn)的15件齒輪變形結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（見圖4、圖5），可以將最終的圓度控制在0.16 ～0.28mm，錐度控制在0.12～0.28mm，遠(yuǎn)低于技術(shù)要求的變形量最大值。

4.技術(shù)難點(diǎn)分析

在淬火過程中組織由珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，由于其比容值的差異，齒輪外徑出現(xiàn)為脹大趨勢(shì)。齒輪在油槽中淬火時(shí)，上下端面的冷卻效果有差異，因此淬火過程中齒輪會(huì)發(fā)生錐變現(xiàn)象。前期生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，齒輪在淬火后通常出現(xiàn)上大下小的變形，即上端脹大量大于下端脹大量，該結(jié)構(gòu)類型的齒輪淬火后單側(cè)錐變量基本在0.7 ～1.0mm。

圖4 齒輪圓度變形量統(tǒng)計(jì)

圖5 齒輪錐度變形量統(tǒng)計(jì)

齒輪滲碳階段支墊方式一般為兩種：第一種為單一的輪轂處支墊；第二種為輪轂處和輪緣處均支墊。采用單一輪轂支墊方式滲碳后的齒輪外徑變形通常為上大下小，這是因?yàn)榇藭r(shí)輪緣懸空，隨著溫度升高，材料的屈服強(qiáng)度迅速降低，輻板處的強(qiáng)度降低，同時(shí)外緣在重力作用下由于高溫蠕變產(chǎn)生向下的下墜變形，其下墜量主要由齒輪本身結(jié)構(gòu)及滲碳的高溫時(shí)間決定。采用第二種輪轂處和輪緣處均支墊方式時(shí)，由于輪轂和輪緣均有支撐力，輪緣下墜受到阻礙，輪轂、輪緣墊實(shí)后齒輪滲碳后錐度變化不明顯。

該齒輪輻板薄且較寬，輪緣處受到內(nèi)部支撐力小，滲碳時(shí)在910℃停留時(shí)間為48h，前期升溫20h，若外緣不進(jìn)行支墊，則外緣下墜引起的錐變量遠(yuǎn)大于淬火的錐變量，錯(cuò)過抵消反變形量最佳時(shí)機(jī)。若滲碳時(shí)輪轂、輪緣均支墊，滲碳后錐度變化不明顯，淬火時(shí)的錐變量會(huì)導(dǎo)致成品的變形量超差，無法滿足技術(shù)要求。綜合考慮，需滲碳時(shí)采取輪轂支墊、外緣處預(yù)留間隙支墊的方式，如此可在滲碳過程中使齒輪外緣產(chǎn)生可控制的錐變，形成預(yù)變形。在淬火時(shí)將齒輪上下翻轉(zhuǎn)進(jìn)行淬火，可使兩個(gè)處理過程中的變形量相互抵消，是控制該種齒輪熱處理變形的有效途徑。

5.結(jié)語

影響大直徑、薄輻板齒輪滲碳變形的因素是多方面的，針對(duì)影響齒輪滲碳淬火變形的因素，在工藝方面可采取控制升溫速度，階梯型升溫，降低滲碳淬火溫度，以及提高淬火介質(zhì)溫度等措施。在工裝方面采取輪轂支墊、輪緣預(yù)留空隙支墊等方法，可以將控制圓度0.16～0.28mm，錐度0.12～0.28mm。遠(yuǎn)低于技術(shù)要求的變形量最大值，極大地提升了大直徑、薄輻板類齒輪的熱處理質(zhì)量，降低了此類產(chǎn)品的報(bào)廢率。