18CrNiMo7-6鋼重載內齒輪滲碳淬火工藝

劉進德， 米 佩， 馬春亮

(寧夏天地奔牛實業集團有限公司， 寧夏 石嘴山 753001)

18CrNiMo7-6鋼因具有高的抗彎強度、接觸疲勞強度、高的硬度和耐磨性，同時心部具有高的硬度和韌性等優點，目前被大量應用于重載齒輪的設計中[1]。因18CrNiMo7-6鋼的淬透性較高，在滲碳淬火后會產生很嚴重的畸變[2]，需要在后續的加工中通過增大磨削量來修正畸變，從而造成生產成本增加[3]。減速器重載內齒輪，在使用過程中需要承受高強度的交變載荷和沖擊載荷，為滿足使用要求，材料選擇18CrNiMo7-6鋼，熱處理要求進行滲碳淬火處理。重載內齒輪在結構上屬于薄壁零件，再加上18CrNiMo7-6鋼滲碳淬火后畸變大，在實際生產中，容易出現磨齒后公法線尺寸不符合圖紙要求，造成工件報廢。為解決重載內齒輪畸變超差問題，對影響內齒輪畸變的因素及控制方法進行了研究，通過滲碳前增加去應力退火工序，增加滲碳時控速升溫及階段保溫，降低滲碳溫度及冷卻強度等方式，減小了重載內齒輪滲碳淬火后的畸變，保證了內齒輪的產品質量。

1 試驗材料及方法

1.1 內齒輪技術要求及成分

圖1為內齒輪結構示意圖，材料為18CrNiMo7-6鋼，輪齒模數為m=7 mm，齒數Z=103，齒形角為20°，要求采用滲碳淬火，滲層深度為1.4～1.8 mm，齒部硬度58～62 HRC，滲碳淬火后組織符合JB/T 6141.3—1992《重載齒輪滲碳金相檢驗》要求。

圖1 內齒輪結構簡圖Fig.1 Schematic diagram of the internal gear

本文中化學成分分析采用GB/T 223《鋼鐵及合金化學分析方法》，硬度檢測采用TH301洛氏硬度計，加載載荷為98 N，加載時間為15 s，采用DMI3000M光學顯微鏡分析顯微組織，組織評級執行JB/T 6141.3—1992。

內齒輪用18CrNiMo7-6鋼的化學成分為0.17C、0.81Mn、0.21Si、0.15S、0.15P、1.71Cr、1.67Ni、0.28Mo。

1.2 影響滲碳淬火畸變的因素及改進方法

1) 加工殘余應力的影響。內齒輪在滲碳前，齒部采用插齒成形技術，齒部、外圓及內孔經插齒后，存在較大的加工殘余應力，為減少畸變，可在內齒輪成形后進行一次或多次去應力退火工序，從而減小滲碳前內齒輪的加工殘余應力，降低畸變的概率[4]。試驗中，在滲碳前增加去應力退火工序，一般去應力退火溫度選擇500～550 ℃[5]，為了避免退火時產生的氧化皮影響后續滲碳效果，試驗中去應力退火溫度設定為500 ℃，具體工藝流程見圖2。

圖2 去應力退火工藝曲線Fig.2 Stress relief annealing process curve

2) 內應力的影響。在內齒輪滲碳淬火過程中，由于內齒輪徑寬比較大，工件的抗畸變能力差。工件的畸變均由淬火時工件內部產生的內應力所造成，內應力又分為熱應力與組織應力。可以通過降低加熱速度，縮小工件內外溫差的方法來減小熱應力的產生，同時為了降低組織應力，可采用降低淬火冷卻強度的方法來減少畸變[6]。試驗中，為減小熱應力，采用控速升溫階段保溫工藝方法，工件在加熱過程中控制升溫速度為200 ℃/h，升溫至800 ℃保溫1 h后再加熱至滲碳溫度。另外，為了降低淬火冷卻強度，在冷卻過程中，提高淬火油的溫度至70 ℃(常規工藝油溫為60 ℃)，縮小工件與淬火油的溫度差，同時增加淬火油的流動性，有利于減小熱應力，使工件均勻冷卻，進而減小內齒輪淬火過程中的畸變[7]。在冷卻時，精確計算冷卻時間，確保工件齒部淬火后返熱溫度控制在100～120 ℃。

18CrNiMo7-6鋼滲碳淬火工藝有滲碳直接淬火和滲碳+高溫回火+淬火兩種工藝方法[8]，理論上，滲碳直接淬火工藝畸變相對小，且生產周期短，效率高，在生產中通常采用滲碳直接淬火的工藝方法。滲碳溫度設置一般在920～1050 ℃之間均可[9]，但降低滲碳溫度有利于減小工件的熱應力，而降低滲碳溫度，同時也加長了滲碳的時間，時間越長畸變也越大，考慮到設備能力及工藝條件，試驗選擇滲碳溫度為930 ℃。在淬火溫度的選擇上，為減少畸變，淬火溫度由840 ℃降低到800 ℃，可以在一定程度上減小由于熱應力引起的內齒輪畸變[10]，滲碳淬火工藝改進前后的曲線見圖3。

圖3 改進前(a)、后(b)滲碳淬火工藝曲線Fig.3 Carburizing and quenching process curves before(a) and after(b) improvement

3) 工件形狀對畸變的影響。內齒輪只要求對齒部進行滲碳淬火處理，考慮到工件的結構特點(端面部位有22個螺紋孔)，畸變無法保證內齒輪上螺紋孔及其余尺寸的精度要求，在工藝流程上，滲碳前只有內孔齒部位加工至圖紙尺寸，齒部位留一定的加工余量用于后續磨齒，其余端面及外圓刷防滲碳涂料，便于后續加工。

1.3 試驗方法

試驗中滲碳淬火工序采用可控氣氛箱式多用爐，去應力退火工序采用箱式電阻爐。共試驗3種方案，方案1為改進前工藝，滲碳淬火工藝曲線見圖3(a)，試樣標記為1號；方案2為改進后工藝，滲碳淬火工藝曲線見圖3(b)，試樣標記為2號；方案3采用去應力退火工藝+ 改進后滲碳淬火工藝，去應力退火工藝見圖2，試樣標記為3號；3種方案中，設定的滲層均為2.1 mm。

為對比處理前后畸變情況，對3種方案處理后的內齒輪跨棒距尺寸進行檢測，對1、2、3號內齒輪試驗件進行滲碳淬火前、滲碳淬火后跨棒距尺寸檢測，其中3號試樣增加了去應力退火后的跨棒距尺寸檢測。為確保磨齒后內齒輪最終尺寸、表面硬度及滲層深度滿足技術要求，在試驗過程中，需對隨爐試塊顯微組織、有效硬化層硬度梯度進行檢測。根據內齒輪跨棒距尺寸的變化、顯微組織及有效硬化層深度結果，對比分析3種工藝對內齒輪畸變的影響。

2 試驗結果與分析

2.1 顯微組織分析

對1、2、3號隨爐試塊采用體積分數為4%的硝酸酒精溶液腐蝕后進行顯微組織分析，結果見表1，顯微組織見圖4。從結果來看，顯微組織區別不大，均滿足JB/T 6141.3—1992要求。

表1 不同試樣的顯微組織檢驗結果

2.2 顯微硬度梯度分析

圖5為1、2、3號隨爐試塊的顯微硬度梯度結果，1號試塊滲層深度為2.0 mm，距表面0.4 mm處硬度為661 HV10，滲碳后實際滲層滿足技術要求；2號試塊滲層深度為2.2～2.4 mm，距表面0.4 mm處硬度為668 HV10；3號試塊滲層深度為2.2 mm，距表面0.4 mm處硬度為672 HV10，在后續磨齒過程中，表面單側磨削量不超過0.4 mm時，工件齒面硬度能夠達到技術要求58 HRC。對比1號和2號試塊滲層深度，說明滲碳淬火工藝改進后工件實際滲層深度高于理論滲層深度，主要原因是在800 ℃均溫期間，爐內已經開始進行滲碳處理，所以滲層深度相對較深，對比2號和3號試塊滲層深度，說明增加去應力退火后，工件齒部產生較薄氧化皮，在后續滲碳過程中，有可能影響滲碳速度和深度。

圖4 不同試樣的顯微組織(a～c)表層;(d～f)心部;(a,d)1號;(b,e)2號;(c,f)3號Fig.4 Microstructure of different specimens(a-c) surface layer; (d-f) core; (a,d) No.1; (b,e) No.2; (c,f) No.3

圖5 試塊顯微硬度梯度測定結果Fig.5 Results of microhardness gradient test of the specimens

2.3 畸變分析

對1、2、3號試驗工件進行畸變檢測，各抽檢4組跨棒距數據，其中去應力退火畸變=滲碳前尺寸-去應力退火后尺寸，滲碳后畸變=滲碳前尺寸-滲碳后尺寸，跨棒距磨削量=(711.65-滲碳后跨棒距尺寸)，檢測結果見表2。

表2 采用不同工藝處理后內齒輪畸變數據

1號試驗工件采用常規滲碳淬火工藝，齒部跨棒距尺寸畸變最大，且畸變無規律，工件呈橢圓狀，在實際磨削至圖紙尺寸后，單側磨削量最大為0.55 mm，結合前文試塊顯微硬度梯度結果，齒部磨削至0.55 mm后齒部表面硬度可能低于技術要求58 HRC。

2號試驗工件采用改進后滲碳淬火工藝，但未進行去應力退火，畸變趨勢為內孔縮小，畸變量在 0.62～0.73 mm之間，齒部磨削至圖紙尺寸后，單側的磨削量為0.4 mm，磨齒后工件表面硬度及淬硬層深度均滿足技術要求。對照1號和2號工件的畸變數據，說明通過增加階段升溫、降低淬火溫度及減少冷卻強度能夠減少工件的畸變，且畸變規律明顯，便于后續預留加工余量。

3號試驗工件畸變最小，去應力退火后，畸變趨勢為整體內孔縮小，畸變量在0.09～0.24 mm之間，滲碳處理后畸變的趨勢還是內孔縮小，最終畸變量在0.30～0.47 mm之間，齒部磨削至圖紙尺寸后，單側的磨削量為0.36 mm，磨齒后工件表面硬度及淬硬層深度均滿足要求。對照2號和3號工件的畸變數據，說明增加去應力退火工序，有利于減少在后續滲碳淬火過程中的畸變。

2.4 效率分析

對3種工藝方法所使用的工藝時間進行統計，1號工藝時間最短，為23 h，主要是滲碳時間，2號工藝時間為30 h，比1號工藝多7 h，增加時間主要為800 ℃控溫升溫多4 h，降溫階段多3 h，總共多7 h；3號試驗件工藝時間最長，為45 h，其中去應力退火時間為15 h，滲碳時間同2號工藝。對比3種工藝，在兼顧產品質量和效率的情況下，建議采用2號工藝。

3 結論

1) 內齒輪滲碳前增加去應力退火工序，能夠有利于減少后續滲碳時工件的畸變，且不論是去應力退火后還是滲碳淬火后，內齒輪的畸變規律均為內孔縮小，畸變規律穩定，有利于滲碳前齒部加工余量的確定。

2) 內齒輪通過控制升溫速度、增加階段升保溫、降低滲碳淬火溫度及降低冷卻強度等方式，能夠有效地減小內齒輪滲碳后齒部畸變，保證內齒輪的產品質量。