大型薄腹板重载齿轮的渗碳淬火及变形控制

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大型薄腹板重载齿轮的渗碳淬火及变形控制

随着国内机械装备市场的迅速发展，产品结构也发生了巨大的变化，大直径、薄腹板类的齿轮在产品中越来越多。由于其结构的特殊性，在热处理过程中极易出现变形的问题。本文针对大直径、薄腹板易变形齿轮的渗碳淬火进行了系列研究，采取了一些有利于减少变形的综合措施，取得了良好的效果。

渗碳过程中高温蠕变导致齿轮下弯，淬火过程中显微组织快速转变，腹板强度难以支撑其冷却过程中的组织应力和热应力，极易造成齿轮变形。试生产过程中由于变形较大，磨齿后关键尺寸出现较大偏差影响其使用，因此将齿轮渗碳淬火后的变形量控制到较低范围，是此类齿轮顺利批量生产的关键。

1.技术要求
图1为某变速箱齿轮结构示意图，材质17CrNiMo6，重量3795 kg。齿面要求渗碳淬火处理，有效硬化层深度2.85～3.25mm，单边余量0.45mm，齿面硬度58～62HRC，心部硬度35～42HRC，金相组织符合机械行业标准JB/T6141.3-1992的要求，晶粒度不低于6.5级。力学性能要求：屈服强度ReL≥795MPa、抗拉强度Rm≥1079MPa、伸长率A≥8%、断面收缩率Z≥35%、冲击吸收功AKV（-40 ℃）≥25 J。

图1 齿轮尺寸结构图
齿轮的渗碳淬火变形主要体现在椭圆度和锥度两个方面。工件淬火后变形量要求为：椭圆度≤0.9 mm、锥度≤0.9 mm。

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2.处理工艺
齿轮生产工艺流程：下料→锻造→锻后退火→粗加工→调质→半精车→滚齿→渗碳淬火及回火→喷丸→精车→磨齿→入库。

在常规热处理工艺的基础上，结合实际生产经验做出适当改进后的适用于大直径、薄腹板齿轮的

渗碳淬火工艺曲线见图2。齿轮加工过程中切削区域产生挤压塑性变形，导致残留应力产生，所以在齿轮渗碳前升温期采取阶梯升温并严格控制升温速度60℃/h，可以减小齿轮各部位由于受热不均匀引起的温差。受热不均匀会影响奥氏体的转变速度，奥氏体转变速度不同必然会引起工件变形。将渗碳温度由常规930℃降低到910℃，且采取脉冲碳势进行渗碳，从而使得工件中的碳浓度从表面到心部缓慢降低。淬火温度由820℃降低到800℃，可以使热应力和组织应力相应的减少，同时提高钢的塑性变形抗力和降低工件的蠕变倾向，可以在一定程度上减小齿轮的畸变程度。淬火介质的温度提高至60～70℃，提前对油槽开启搅拌，工件入油时停止搅拌，30 s后再开启搅拌，可以缩小齿轮与淬火油的温度差，同时增加淬火油的流动性，有利于减小热应力，使工件均匀冷却，进而减小齿轮淬火过程中的畸变。

图2 渗碳淬火工艺
渗碳阶段选用耐热钢底盘及垫块，内轮毂处三点均布垫实，外轮缘截面中心位置八点均布，利用0.2mm垫片进行调整以预留0.8～1mm间隙。起吊过程中轻起轻放，避免轮缘处垫块挪动。淬、回火阶段选用耐热钢工装，将齿轮上下端面进行翻个后内轮毂处三点均布垫实，外轮缘不进行支垫。可以使淬火过程与渗碳过程产生的变形相互抵消一部分，有助于将淬火回火后的变形量控制到较低的范围。

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3.检测结果
按照以上工艺生产后，参照相关标准对随炉试样进行检测，结果如下：有效硬化层深3.21mm（见图3），碳化物1级，马氏体以及残留奥氏体3级，心部组织2级，心部硬度36～39HRC，齿面硬度59～60HRC，力学性能：ReL为1070MPa，Rm为1240MPa，A为11%，Z为65%，AKV（-40℃）为48J、40J、45J、37J，均符合技术要求。

图3 回火后随炉试样有效硬化层硬度分布曲线
第1件齿轮渗碳后锥度0.9mm，椭圆度0.18mm，淬火后的锥度0.1mm，椭圆度0.18mm，均满足技术要求。试生产合格后，又对后期采用同样工艺生产的15件齿轮变形结果进行统计（见图4、图5），可以将最终的椭圆度控制到0.16 ~0.28mm，锥度控制到0.12 ~0.28mm，远远低于技术要求的变形量最大值。


图4 齿轮椭圆度变形量统计图

图5 齿轮锥度变形量统计图

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4.技术难点分析
在淬火过程中组织由珠光体转变为马氏体，由于其比容值的差异，齿轮外径出现为胀大趋势。齿轮在油槽中淬火时，上下端面的冷却效果有差异，所以淬火过程中齿轮会发生锥变现象。前期生产经验表明，齿轮在淬火后通常出现上大下小的变形，即上端胀大量大于下端胀大量，该结构类型的齿轮淬火后单侧锥变量基本在0.7 ~1.0mm。

齿轮渗碳阶段支垫方式一般为两种：第一种为单一的轮毂处支垫；第二种为轮毂处和轮缘处均支垫。采用单一轮毂支垫方式渗碳后的齿轮外径变形通常为上大下小，这是因为此时轮缘悬空，随着温度升高材料的屈服强度迅速降低，腹板处的强度降低，同时外缘在重力作用下由于高温蠕变产生向下的下坠变形，其下坠量主要由齿轮本身结构及渗碳的高温时间决定。采用第二种轮毂处和轮缘处均支垫方式时，由于轮毂和轮缘均有支撑力，轮缘下坠受到阻碍，轮毂、轮缘垫实后齿轮渗碳后锥度变化不明显。

该齿轮腹板薄且较宽，轮缘处受到内部支撑力小，渗碳时在910℃停留时间为48h，前期升温20h，若外缘不进行支垫，则外缘下坠引起的锥变量远远大于淬火的锥变量，错过抵消反变形量最佳时机。若渗碳时轮毂、轮缘均支垫，渗碳后锥度变化不明显，淬火时的锥变量会导致成品的变形量超差无法满足技术要求。综合考虑，需渗碳时采取轮毂支垫、外缘处预留间隙支垫的支垫方式，如此可以在渗碳过程中使齿轮外缘产生可控制的锥变，形成预变形。在淬火时将齿轮上下翻转进行淬火，可以恰巧使两个处理过程中的变形量相互抵消，是控制该种齿轮热处理变形的有效途径。

5.结语
影响大直径、薄腹板齿轮渗碳变形的因素是多方面的，针对影响齿轮渗碳淬火变形的因素，在工艺方面控制升温速度、阶梯型升温、降低渗碳淬火温度、提高淬火介质温度，在工装方面采取轮毂支垫、轮缘预留空隙支垫，可以将椭圆度控制到0.16 ~0.28mm，锥度控制到0.12 ~0.28mm，远远低于技术要求的变形量最大值，极大的提升了大直径、薄腹板类齿轮的热处理质量，降低了此类产品的报废率。