常规设备下 大功率齿轮变形的控制措施

常规设备下 大功率齿轮变形的控制措施

陈聪

中车戚墅堰机车有限公司 质量保证部 213011

摘要：在没有使用淬火压床等情况下，仅依靠一些常规热处理设备和简易操作，通过调整工件放置方向，优化热处理工艺，有效的控制了齿轮渗碳淬火变形的问题。

关键词：齿轮；常规设备；变形

1 问题的提出

当前，大功率齿轮已成为汽车与机车行业成套设备的关键部件之一，在传动过程中要承受弯曲、冲击等载荷。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。

我公司热处理车间，主要承担各型内燃机车柴油机新造和修理用的齿轮及其他零配件热处理，由于产品及工艺种类众多（其中部分东风11、东风8型机车三种较大尺寸齿轮见表1，材质均为20CrMnTi），批量较小，故仅配置了常规操作的简单设备（加热炉体及室温条件下的冷却槽）。

表1 齿轮主要尺寸

工件原渗碳淬火工艺为：渗碳930℃×（8～9）h，回火（600～650）℃×2.5h，淬火830℃×（1.5～2）h，回火180℃×2h，使用专用吊具，工件平放，各加热过程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0.40mm，废品高达10％左右。

工件变形的原因主要有：

1. 热塑性变形 由高温加热时的蠕变引起。

2. 相变过程应力 冷却过程中，组织应力和热应力叠加构成变形的主导应力。

3. 附加应力 由于工件表层与心部的成分、组织性能不一而造成的应力。

值得一提的是，为控制变形，国内外同行一般依靠淬火压床或采用热油淬火来解决齿轮渗碳淬火的变形问题，而我公司由于产品种类众多，批量较小，淬火压床结构的特性限制通用性，而尚未购置，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）。如何在现有条件下，解决热处理变形问题，提高成品率，降低质量损失，具有身份十分重要的意义。

2 解决方案

2.1 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，有利于提高渗碳层深度的均匀性和渗层组织的一致性，进而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。

2.2 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0.5，因此蠕变引起的工件变形不可忽视。这种变形的特征为：工件的周边在加热过程中相对于中心部位下垂，其应变-时间关系见图1。

图1 工件蠕变曲线

图中的曲线2为典型的蠕变曲线，OA为加载瞬时的弹性变形，AB为减速蠕变，BC为恒速蠕变，CD为加速蠕变，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。

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，故而对淬火变形具有一定的“导向”作用，使某些方向的凸（凹）变形更加剧烈。

由于工件在渗碳→正火→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ε累计值为最大；正火、淬火相对应于减速阶段，ε累积值小于渗碳阶段，而ε的增值速度却较高。由上述可知虽然三阶段的蠕变量呈递减趋势，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。

根据上述分析可知，工件在炉中随机摆放与变形有较大关系，因此通过调整工件的放置方向，来防止变形。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。

2.3 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。

2.4 工艺参数

经上述三项试验，即锻造毛坯正火+调整工件摆放位置+渗碳后正火，从检测结果来看表2，齿轮外缘平面度从滚齿后测出0.02mm，经过渗碳后增大到0.10mm，到淬火后变小到0.02mm，内缘平面度及内孔椭圆度也明显变小。最后磨齿后的公法线长度为121.232mm，公法线变形量≤0.12mm，效果显著，得到明显改善。

表2 齿轮在不同工序形位精度检测结果

同样我们对工艺参数进行了优化，在不影响渗碳效果的前提下，将渗碳温度由930℃降至920℃，以减少正向蠕变量，试验结果得出公法线变形量控制在了≤0.05mm；又在相变充分的条件下，将淬火温度由830℃降至820℃，并采用静油淬火，以减少淬火烈度，来控制淬火变形量,进一步得到验证，通过渗碳淬火温度的调整，采用了如下工艺措施:齿轮锻造毛坯正火(940～950)℃×2.5h→工件正向摆放渗碳920℃×(8～9h)→反向摆放正火880℃×(1.5～2h)→反向摆放、静油淬火820℃×1.5h→回火180℃×2h，这三种齿轮一般公法线变形量缩小到≤0.01mm，几乎达到了采用淬火压床的效果。

从目前的三种齿轮及推广到多种齿轮的统计结果来看,由于尺寸变形而造成的废品率由原来的10%下降到目前的1%以下,有效地提高了产品的制作精度。

3 结论

(1) 通过对齿轮毛坯正火和渗碳后正火，可大大改善渗碳齿轮的变形量。

(2) 通过降低渗碳温度和淬火温度，并改进不同工序的装炉方式，可进一步降低渗碳齿轮的变形量。

(3) 实践证明,在常规设备设施和简易操作条件下,按照改进后的工艺可以有效地控制工件的变形。

参考文献：

[1] 化学热处理.中国机械工程学会热处理学会编.机械工业出版社,1988.2

[2] 汽车齿轮锻造毛坯的等温退火.陈善述译.国外金属热处理学,1996.第1期

作者简介：陈聪（1979-)，男，江苏常州，金属热处理高级技师，主要从事热处理生产和质量检查。