大直径重载齿轮渗碳淬火变形的有效控制

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【摘要】通过控制齿轮渗碳淬火变形的主要因素，在简单设备与简易操作条件下，通过控制工件放置方向，有

现这些高精度硬齿面齿轮国产化制造水平的提升，通过

开展科研与制造技术攻关，现已具备设计制造的高速齿轮的能力，其最大功率为4 0 k,高圆周速度为 4O0 W16 s 5 m/,齿轮制造精度为4级；重载齿轮最大功率~5

效控制了齿轮渗碳淬火变形的缺陷。

l

、

问题的提出

达6 0 k,最大传递转矩达 2 0 k m,圆周速度达 00W 0 0 N

齿轮在传动过程中要承受弯曲、冲击等载荷。齿轮产品的质量和性能，除依赖于合理而先进的设计方法外，主要决定于齿轮制造水平的高低。根据齿轮的工作条件不同，一般应满足下列几个基本要求：

3~5m s 0 0/,齿轮精度达5级。~6 大功率齿轮的高速与重载、特别是大直径辐板结构渗碳淬火生产的批量化，对制造精度提出更高的要求。一般为控制变形，常采用淬火压床、热油淬火或等温淬火等方法。然而，配置淬火压床需有一定的设备

()轮齿表面层要有足够的硬度和耐磨性。 1( )对于承受交变载荷和冲击载荷的齿轮，基体 2要有足够的抗弯强度与韧性。

成本和设备制作周期，且由于结构的限制而通用性有限，难以适用于多种尺寸规格和不同结构的产品；热

油淬火或等温淬火也有一定的设备要求及相应的工艺操作方法。

()良好的工艺性，易于切削加工且热处理性能 3好。 经实际使用分析，高速与重载齿轮已成为汽车与机车行业成套设备的关键部件，其绝大部分采用硬齿面齿轮，齿轮的圆周速度最高可达10 s 5 m/,传动功率最高

我公司热处理车间，由于产品及工艺种类众多(中部分东风 1、东风8其 1型机车3种较大尺寸齿轮种类见附表，材质均为2 Cr T ),仅配置了常规热处理 0 Mn i

操作所需的简单设备 (热炉体及室温条件下的冷却加槽 )。

达4 0k,齿轮精度等级5 6,最高为4。为实 0O0 W~级级

齿轮主要尺寸工件齿轮A齿轮B

模数m6 6

分度圆直径dmm/32 7 34 5

齿顶圆直径d/ . mm34 8 36 6

幅板厚度cm/2 0 2 0

齿

宽bmm/6 6 6 0

d/￣ mm9 0 9 0

齿轮c

6

36 0

32 4 2_ 4

2 0

5 5

15 0

高达 1%左右。 0

二工艺及变形机理分析工件原渗碳淬火工艺为：渗碳90×(~ ), 3￣ 8 9 h回火 C(0 60~6 0 5 )℃×25,淬火8 0× ( . )h .h 3℃ 1 5~2,回火 10C×2。使用专用吊具，工件平放，各加热过程 ￣ 8 h

工件变形的原因主要有： ()热塑性变形由 1高温加热时的蠕变引起。 ()相变过程应力冷却过程中， 2 组织应力和热应力叠加构成变形的主导应力。 ()附加应力 3 由于工件表层与心部的成分、组织性能不一而造成的应力。

均在井式渗碳炉中进行。长期以来，由于工件的渗碳淬

火变形较大，致使其公法线变形量达0 0 m,废品率 .r 4a

_囝型笪垫堕丝www m e awo kt 9 0 c m . tl ri q1 5 . o￣

参工加磊热工

Ra&p tI壅壁 er Ali皇里 sc pc eh io a三、工艺改进1锻造毛坯正火 .此工序增加于工件粗车之后。这种预备热处理可根据上述分析可知，工件在炉中摆放方式与变形有较大关系，因此为保证工件的摆放位置，我们采用了 如下方法：以工件同侧的钢印为标志，有钢印面为正面，无钢印面为反面。渗碳时，工件正面向上摆放，其后的正火及淬火工序均为反向摆放。

得到均匀等轴晶粒的铁素体和珠光体组织，促进同批毛坯中不同部位组织均匀一致。这不但保证工件具有良好的切削性能，更重要的是，由于减少了后道热处理工序易产生的组织应力和附加应力，而有利于减少渗碳淬火易产生的不规则变形。

3渗碳后正火 .除上述蠕变作用外，正火还消除表层的网状碳化物并使碳继续扩散，从而使渗碳层的碳浓度曲线更趋向 平缓。这样不仅有效地提高了工件强度，还减少了附加

2装炉方式 .由于工件各热处理工序中温度与材质的熔点之比均大于0,因此蠕变引起的工件变形不可忽视。这种 . 5变形的特征为：工件的周边在加热过程中相对于中心部位下垂，其应变一时间关系见附图。

应力，减少了表层至心部马氏体转变的不同时性，从而使组织应力及高、低碳马氏体的相变产生的体积效应均有所减少，有利于减

小变形量。

4工艺参数 .在不影响渗碳效果的前提下，将渗碳温度由9 0C 3￣

图中的曲线2为典型的蠕变曲线， A O为加载瞬时的弹性变形，AB为减速蠕变，BC为恒速蠕变，C D为加

降至9 0,以减少正向蠕变量；在相变充分的条件 2℃下，将淬火温度由80降至80 3￣ C 2￣ C,并采用静油淬火， 以减少淬火烈度，进一步控制淬火变形量。 值得一提的是，国内外同行一般依靠淬火压床和采用热油淬火来解决齿轮渗碳淬火的变形问题，而我车间直至目前尚未有控制变形的设备，淬火介质则为在环境温度下使用的机油与柴油的混合油 (淬冷过程中不进行额外控温 )。有时在设备条件不允许时，渗碳工序会在缺乏碳势控制的设备内完成。但实践表明：在工件的结构及预留磨量合理的情况下，采用上述工艺仍可以有效控

速蠕变，其终结为断裂；曲线 1表现出低温应力下减速和恒速蠕变阶段的延长；曲线3表现出高温高应力下恒速阶段的缩短以至消失。

工件蠕变曲线

制尺寸的稳定性。上述分析还可以解释这一现象：由于以 往各加热阶段工件摆放方向随机，故而尺寸超差的废品 率一般保持在一定的比例内 (即以一定的概率出现 )。

蠕变使工件在直径方向上产生缩短，齿面形成锥度，造成局部公法线变小，数次加热后若发生同向蠕变，这种变形程度就更大；若工件蠕变后淬火，则蠕变量与变形量叠加。而在圆盘状工件淬火时，由于不同的主导应力使平面产生了凸或凹的变形趋向，故而对淬火

四、结语通过上述的分析和试验，我们采用了如下工艺措施：齿轮锻造毛坯正火 (4~90 90 5￣ 2 h C× . ) 5件正向

变形具有一定的“向”作用，使某些方向的凸 ( 导凹)变形更加剧烈。

摆放渗碳 ( 0× - h一反向摆放正火 (8￣ 1~ 9￣ 8 9) 2C 80 C× . 5 2) h一静油淬火 (2￣ 1 h一回火 (8￣ 2 )。 80 C×. ) 5 10 C× h 实践证明，在简单设备设施和简易操作条件下，该工艺可以有效地控制工件的变形。以齿轮A为例，一般公法线变形量≤00 mm,几乎达到了采用淬火压床 . 1的效果。从目前的3种齿轮及推广到多种齿轮的统计结

由于工件在渗碳一正火一淬火的加热过程中均服从上述蠕变规律，且三

者温度和时间均呈递减趋势。由 此可对照附图不同温度、时间的曲线特性，即渗碳阶段可产生一部分恒速蠕变，则累计值为最大；正火、淬火相对应于减速阶段， E累积值小于渗碳阶段，而 E的增值速度却较高。由上述可知虽然三阶段的蠕变量呈递

果来看，由于尺寸变形而造成的废品率由原来的 1%下 0降到目的l前%以下，有效地提高了产品的制作精度。MW (0 0 3 6 2 10 0 )

减趋势，但是淬火和正火过程的反向蠕变可最大程度地抵消渗碳过程的正向蠕变。

参磊

旺—

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