案例分享：薄壁齒圈滲碳淬火畸變控制
1. 薄壁齒圈的結(jié)構(gòu)及熱處理要求齒圈（見(jiàn)圖1）設(shè)計(jì)所用材料為20Cr2Ni4A，其主要化學(xué)成分和臨界點(diǎn)見(jiàn)表1，齒圈要求整體滲碳，滲碳層深0.9~1.2mm，表面硬度≥60HRC，內(nèi)花鍵參數(shù)見(jiàn)表2。從齒圈的結(jié)構(gòu)分析，花鍵為內(nèi)花鍵，壁薄，熱處理時(shí)更容易產(chǎn)生畸變，畸變控制難度加大。
圖1 齒圈簡(jiǎn)圖
生產(chǎn)及檢測(cè)設(shè)備主要有：①RJJ-90井式滲碳爐，有效尺寸φ600mm×900mm，最高工作溫度950℃，加熱功率90kW，最大裝爐量500kg。②Aichelin轉(zhuǎn)爐，有效尺寸φ400mm×70mm。表1 20Cr2Ni4A齒輪材料的主要化學(xué)成分與臨界點(diǎn)
表2 花鍵參數(shù)
20Cr2Ni4A鋼合金元素總含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）大于5%，屬高合金滲碳鋼。該鋼種淬透性高，具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，特別是Ni含量較高，使鋼具有良好的強(qiáng)韌性和淬透性。20Cr2Ni4A鋼的合金元素Cr、Ni均能推遲奧氏體轉(zhuǎn)變，因此該鋼過(guò)冷奧氏體在珠光體區(qū)間的穩(wěn)定性很高，即使空冷也發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變。表層滲碳后，由于碳和合金元素的綜合作用，使貝氏體轉(zhuǎn)變曲線大大右移，貝氏體等溫轉(zhuǎn)變圖“鼻尖”的孕育期由滲碳前的十幾秒推遲到二十幾分鐘，可以空淬成馬氏體或貝氏體。該材料在滲碳處理后，表層的碳及其他合金元素大量溶入到奧氏體中，顯著提高了奧氏體的合金化程度，其滲碳層與心部的馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)（Ms）為271℃，而滲碳層的馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)（Ms）降至80~90℃，這樣就大大提高了過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性，經(jīng)滲碳空冷后表層組織為馬氏體及大量殘留奧氏體，從而影響淬火后的硬度。要消除大量殘留奧氏體，不能像一般低合金滲碳鋼那樣采用直接淬火法，經(jīng)二次淬火反而使殘留奧氏體增多導(dǎo)致硬度下降。對(duì)這類高合金滲碳鋼有其獨(dú)特的處理方法，即滲碳后于650℃高溫回火。回火時(shí)，在一定的溫度下，從殘留奧氏體中析出碳化物的過(guò)程是一個(gè)原子擴(kuò)散過(guò)程。溫度越高越有利于擴(kuò)散，析出碳化物增多，使殘留奧氏體的過(guò)飽和度減小，有利于殘留奧氏體轉(zhuǎn)變。但回火溫度也不能太高，因?yàn)楦咛急砻鎸拥膴W氏體，溫度約為700℃，過(guò)高的回火溫度容易引起相變，反而使奧氏體中溶入更多的碳和合金元素，提高了奧氏體的穩(wěn)定性，增加殘留奧氏體量。
熱處理畸變是零件熱處理后其形狀和尺寸發(fā)生變化的一種物理現(xiàn)象。引起熱處理畸變需要具備三個(gè)條件：應(yīng)力、塑性、作用時(shí)間。薄壁齒圈的畸變特征主要體現(xiàn)為錐度、圓度、內(nèi)外徑的漲縮和端面翹曲。（1）粗加工后將零件調(diào)質(zhì)至28~32HRC，這樣既有助于改善可加工性，提高零件表面加工精度，又能最大限度地減少粗加工中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，為后期的滲碳、淬火提供良好的條件，從而控制變形量。（2）齒圈滲碳裝爐時(shí)平裝，減少軸向圓跳動(dòng)。（3）滲碳空冷，高溫回火后測(cè)量齒圈的外徑，圓度大的增加壓力校圓處理，使齒圈的圓度控制在0.2mm以內(nèi)。熱處理生產(chǎn)所用工藝：滲碳→高溫回火→校圓→帶心軸淬火→兩次低溫回火→拋丸。檢查試樣用同爐的φ32mm圓棒試樣。（1）滲碳：930℃強(qiáng)滲期2.5~3h，碳勢(shì)1.18%CP左右，擴(kuò)散期1.5h，碳勢(shì)0.68%CP左右；降溫至800℃后出爐空冷。（2）高溫回火：650℃保溫2h，冷至550℃出爐。（3）對(duì)圓度變形大的齒圈進(jìn)行壓力校圓處理，使變形量控制在0.2mm以內(nèi)。（4）帶心軸淬火：溫度800℃，碳勢(shì)0.85%CP，保溫時(shí)間1.5h，用分級(jí)淬火油，淬火油溫65℃，淬火時(shí)間1min。（5）兩次低溫回火：根據(jù)實(shí)測(cè)硬度值確定為140℃，保溫4h。（1）組織形態(tài)。試樣的顯微金相組織如圖2所示，組織為隱針馬氏體+少量鐵素體+少量殘留奧氏體。
圖2 顯微金相組織
（2）表面硬度。在齒圈的花鍵齒面和端面檢測(cè)硬度在60~61HRC，其中齒面硬度稍高。
圖3 硬度梯度
（4）在四件齒圈的端面分別作標(biāo)記1~4號(hào)，經(jīng)熱處理后測(cè)量圓度和內(nèi)花鍵M值都滿足要求（見(jiàn)表3、表4），其中圓跳動(dòng)在0.08~0.15mm變動(dòng)，M值在0.11~0.17mm。表3 外徑熱處理后數(shù)據(jù) （mm）
表4 花鍵M值熱后數(shù)據(jù)表 （mm）
經(jīng)檢測(cè)，齒圈的各項(xiàng)熱處理技術(shù)要求均達(dá)標(biāo)，畸變也均控制在合理范圍內(nèi)，為以后生產(chǎn)此類薄壁齒圈提供了理論依據(jù)。為了滿足20Cr2Ni4A齒圈的技術(shù)條件，需要對(duì)材料的特性、機(jī)加工工藝流程以及滲碳和淬回火的全過(guò)程進(jìn)行細(xì)致的分析，通過(guò)采取以下針對(duì)性的措施，使齒圈滲碳淬火畸變控制在合格范圍內(nèi)。（1）增加調(diào)質(zhì)處理，改善可加工性，提高零件表面加工精度，消除粗加工中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。（2）齒圈滲碳空冷，高溫回火后在圓度較大的情況下可進(jìn)行校圓處理。（3）對(duì)薄壁內(nèi)花鍵類零件需要設(shè)計(jì)合適的工裝進(jìn)行壓淬處理，以控制內(nèi)花鍵的變形。（4）采取合理的裝爐方式能適當(dāng)減小變形。
作者：唐富生
單位：杭州前進(jìn)齒輪箱集團(tuán)股份有限公司
來(lái)源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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