大直徑薄壁型齒圈滲碳公法線尺寸變化規律摸索

■胡東輝

因生產需要，我公司熱處理廠逐漸引進了能處理大直徑齒圈的熱處理滲碳設備。由于此類零件大多屬于關鍵件，尺寸等要求比較嚴格，因而熱處理的滲碳淬硬過程中，對零件尺寸變化的控制至關重要。與此同時，此類型零件往往滲層較深，在零件形狀“單薄”條件下，非常容易造成零件變形嚴重。為服務生產，更好地滿足滲碳后零件尺寸要求，故對該類型零件滲碳后公法線變形進行工藝摸索。

1. 熱處理工藝及零件數據

采用4種不同直徑的齒圈零件，經過不同的滲碳淬硬工藝，對比熱處理前后齒輪的公法線變動，從而測出零件的大致尺寸變化。

（1）試驗工藝與設備由于零件較大， 采用φ2500mm×2000mm愛協林井式滲碳爐，平裝零件，墊平，除齒部外其余均勻涂防滲劑，并采用圖1所示的熱處理工藝。

（2）數據分析 圖2～圖5為參與試驗的零件，表1為相應零件的具體數據和采用的工藝。對4種不同的零件，通過進行滲碳淬硬，測量熱處理后的公法線尺寸，對比熱處理前的公法線尺寸，具體數據如表2所示。

圖1 熱處理工藝曲線

圖2 齒圈1

圖3 齒圈2

圖4 齒圈3

圖5 齒圈4

根據W熱后–W滾齒=熱處理后公法線的漲量，計算出各齒圈的尺寸變化（見表3和圖6），可以發現此類型零件變形量基本在0.5mm以上，甚至個別超過0.8mm。對于個別零件因壁厚更薄，如圖4所示齒圈，公法線變動在0.46～0.72mm之間，使整個零件的公法線變化很大。

井式滲氮爐生產線

圖6 各齒圈公法線漲量

2. 變形原因分析

零件雖然采用兩種熱處理工藝，但零件變形趨勢一致，均漲大了0.5～0.8mm。

零件經過熱處理后，產生熱應力和組織應力，并且熱應力和組織應力都會使淬火的工件形狀發生變化（形狀畸變）。在熱應力方面，零件雖然縮小，但同時在冷卻過程中，零件發生組織轉變，即奧氏體向馬氏體轉變過程后，比體積變大（馬氏體的比體積比奧氏體大），從而使零件直徑尺寸增大。

在熱應力中，由于表層和心部冷卻速度不一致而形成溫差。表面驟冷時，體積收縮較小；當表面冷卻后，心部只發生冷卻，體積卻不能自由進行，從而使零件經熱脹冷縮后，體積增大。這種體積增大現象受冷卻速度、材料化學成分和熱處理工藝等影響，當冷卻速度增大，零件碳含量和合金成分越高時，體積變化越明顯。

另外，受到其他因素影響，局部受力不均，造成翹曲，在同一齒形成錐度，導致整個零件的平面發生翹曲。

表1 各齒圈的各種參數和工藝方案

表2 各齒圈的滲碳淬硬后公法線數據 （mm）

表3 各齒圈的公法線漲量 （mm）

3. 結語

（1）熱處理的熱應力和組織應力無法避免，但是可以合理利用存在的變形，在冷加工滾齒時，適當減少磨量，以彌補熱處理漲量。

（2）此類型零件的公法線漲量一般在0.5～0.8mm。