9310鋼大直徑薄腹板齒輪熱處理變形控制研究

吳平

摘 要：通過優化9310鋼的滲碳工藝，分析影響大直徑薄腹板齒輪熱處理變形的因素，實現了熱處理工藝參數的固化。結果表明：采用循環脈沖真空滲碳技術實現了0.5-0.6mm淺滲碳層深度的精確控制，大直徑薄腹板齒輪需設計專用淬火模具配合淬火壓床控制腹板變形，可控制淬火后腹板跳動≤0.08mm，設計與內花鍵模數匹配的淬火心模控制內花鍵淬火變形，熱后內花鍵尺寸公差控制在0.05mm范圍內。

關鍵詞：9310鋼;齒輪;真空滲碳;淬火模具

中圖分類號：TG161 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）06-0098-02

0 引言

航空齒輪作為航空發動機的關鍵零部件，可靠、準確地齒輪傳動是保證發動機壽命的必要條件。目前齒輪的制造誤差如滲層深度超差、內花鍵精度達不到設計要求、薄腹板零件熱處理變形不合格等因素制約著齒輪的壽命，因此，優化工藝方法，控制齒輪的滲層深度及熱處理變形是提高航空發動機產品性能的必要手段[1]。

9310鋼屬于低碳合金鋼，是航空工業中常用的滲碳齒輪鋼。該材料淬透性較差，但滲碳層擴散速度極快，滲層深度不易控制。現有一種航空齒輪，結構為薄腹板且含內花鍵，在產品加工的過程中，滲層深度和熱處理變形不符合技術要求。因此，本文主要對9310鋼薄腹板且含內齒的零件進行工藝研究，通過對比分析，得出最優的工藝參數，為同類型零件的熱處理加工提供技術參考。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

某型號9310鋼制齒輪零件，零件滲碳淬火結構如圖1所示。采用零件切取齒形試樣，用于滲碳參數確認。

1.2 試驗方法

（1）將齒形試樣分別采用真空滲碳技術進行滲碳處理，實現滲碳層深度0.5-0.6mm的精確控制。

（2）齒輪零件滲碳淬火驗證，采用確定的滲碳試驗參數進行滲碳處理，結合優化設計的淬火模具，調整淬火參數，控制內花鍵和腹板的變形，確定合理的工藝參數，零件圖形如圖1所示。

真空滲碳的主要參數如下：

滲碳溫度：880℃-920℃;滲碳氣氛為乙炔和氮氣。

淬火方式主要如下：

通過壓床進行淬火，設計淬火模具，內花鍵的淬火變形采用淬火心模進行控制，腹板變形通過壓力點匹配的上下模具進行控制。

2 試驗結果與分析

2.1 真空滲碳技術分析

常規的滲碳方式為可控氣氛滲碳，主要是由載氣添加富化氣（甲醇+丙烷等）在高溫下產生滲碳氣氛，零件加熱到奧氏體化溫度并置于富碳氣氛中時表面吸收碳，并按化學勢梯度向內擴散來創建一個富碳表面和隨低碳鋼心部遞減的碳濃度分布。真空滲碳技術是近年新興的滲碳技術，采用循環脈沖方式，獲得表面滲碳的效果。相比于可控氣氛滲碳，真空滲碳最大的優點是綠色環保、自動化程度高，控制精度更好。因此，針對該零件的的滲碳工藝優先選取真空滲碳技術。

9310鋼齒形試樣采用真空滲碳方式進行滲碳后的檢測結果如表1所示，可以看出，滲碳參數經多次驗證后，滲碳深度基本一致，工藝參數重復性好。滲碳層和非滲碳層的顯微組織如圖2所示，滲層組織含大量的粒狀碳化物，非滲層組織主要由板條馬氏體組成，含少量的碳化物，符合HB5492的顯微組織要求。

2.2 熱處理變形控制分析

本文針對的為含內花鍵薄腹板的齒輪零件，技術要求齒部和內花鍵滲碳，滲層深度為0.5-0.6mm。滲碳層硬度≥58HRC，非滲碳層硬度33-43HRC，該零件腹板薄約為10mm，直徑約為Φ200，是典型的大腹板零件，滲碳淬火后需保證內花鍵熱后尺寸在0.06mm公差范圍內，同時齒端面跳動≤0.10mm。

淬火變形主要是由于熱應力和組織應力產生，因此為實現變形的精確控制，本文主要從兩個方面進行優化。

2.2.1 滲碳工藝

齒輪滲碳淬火過程中，由于齒輪裝爐方式不當、滲碳溫度過高以及升溫速率過快等原因引起的變形，在淬火過程中不但難以修復并有增大的趨勢[2]。因此對裝爐方式進行優化，制作專用的滲碳墊，支撐腹板裝爐，避免腹板因受熱向下彎曲變形。優化滲碳參數，采用階段式升溫預熱的方式，使零件各部位受熱均勻，避免因組織轉變不及時造成的變形。

2.2.2 淬火工藝

淬火過程作為最終的熱處理工序，是零件整個熱加工過程中產生變形最大的環節，也是形成最終性能的環節，因此采用以下方式進行變形控制：（1）淬火溫度越高，零件在冷卻過程中產生的組織應力就越大，變形越難控制。因此，在選擇淬火溫度時，應在保證組織奧氏體化的同時，盡量選擇較低的淬火溫度，減少組織轉變產生的變形，同時也可以有效控制滲碳層碳原子向非滲碳層的擴散，有助于實現滲碳深度的精確控制。（2）腹板變形控制采用壓床淬火，零件腹板直徑大且薄，需通過壓力點對應的上模與下模控制齒端面的變形，調整壓力使之變形控制在合理的范圍內。（3）內花鍵精度控制一般采用預留變形量和花鍵心模來控制變形，因預留變形量方式，常常與零件淬火狀態有關，自由淬火時變形量存在一定波動，難以實現精確控制[3]。而采用花鍵心模淬火，是將設計好的花鍵心模套進零件內花鍵處，通過調節心模尺寸來控制內花鍵淬火變形，實現內花鍵變形的精確控制，根據該設計理念，該零件需設計淬火心模控制內花鍵變形。

2.3 滲碳淬火工藝優化分析

為實現滲層深度和淬火變形的精確控制，零件滲碳及淬火的參數均需進行優化，通過第2節分析可知，滲碳裝爐方式、升溫速率、淬火方式均與變形存在著密切的關系，因此按照零件的技術要求，確定了熱處理主要參數，如表2所示。

零件按表2參數滲碳淬火后，滲碳層金相組織、滲層深度、表面硬度等檢測結果如表3所示，可以看出，真空滲碳可精確控制滲碳深度在0.10mm的范圍內。

淬火變形控制采用壓床配合花鍵心模進行，模具示意圖如圖3所示。可以看出，壓床淬火時，內花鍵套花鍵心模以控制內花鍵淬火變形;控制腹板變形的模具分為上模和下模，其中上模包括內環模具和漲環模具，內環模具作用于腹板外端靠近外齒區域，漲環模具作用于內側端面，所述的上模模具均設置了與接觸面相匹配的模壓面;下模分為底模和支撐環，底模支撐腹板外端靠近外齒區域，支撐環支撐桿部軸肩區域，所述的下模模具均設置了與接觸面相匹配的支撐面且下模與上模壓力點對應。壓床淬火模具整體設計合理，易變形位置均設置了控制方案，冷卻油流通順暢保證各部位冷卻均勻。零件經淬火后，內花鍵的變形控制在0.05mm內，腹板齒端面跳動在0.08mm內，符合技術要求。為同結構零件的淬火變形控制提供了技術參考。

3 結語

本文主要對9310鋼大直徑薄腹板零件的滲碳淬火工藝進行優化研究，采用先進的真空滲碳技術，分析淬火變形控制的影響因素，通過試驗確定了合理的熱處理參數，得出以下結論：（1）通過采用真空滲碳技術，實現了9310鋼0.5mm-0.60mm滲層深度的精確控制;（2）通過分析零件整體淬火變形趨勢，設計了淬火心模及整體淬火模具結構，使得淬火冷卻油路合理分配，保證各位置冷卻均勻，確保內花鍵及腹板變形均勻，實現了內花鍵和腹板變形的精確控制。

參考文獻

[1] 李茂山，吳光英.金屬熱處理的現狀及發展趨勢[J].國外金屬熱處理，1998（1）：5-7.

[2] 韓丕偉.內花鍵齒輪熱處理變形控制[J].現代零部件，2013（3）：66-68.

[3] 陳葵，黃星星，劉堅，等.帶內齒和內花鍵的汽車齒輪熱處理變形控制方法[J].汽車齒輪，2012（4）：1-6.