齿轮渗碳淬火变形控制.docx

齿轮渗碳淬火变形控制张艳红(宝钢集团苏冶重工有限公司, 江苏 苏州 215151)摘要: 介绍了渗碳淬火热处理工艺对齿轮变形的影响、减小齿轮渗碳淬火变形的控制措施和苏冶重工齿轮渗碳淬火变形控制实例。关键词: 渗碳淬火; 变形控制; 冷、热工艺配合; 装炉方式中图分类号: T G156. 8+ 1的不均匀胀缩而形成椭圆。引言114端面挠曲在硬齿面齿轮的制造中, 渗碳淬火是主要的热处理工艺方式, 但齿轮经渗碳淬火后易产生变形。影 响齿轮渗碳淬火变形的因素有很多, 主要包括齿轮的结构设计、原材料质量、锻造质量、毛坯的预备热处理、机械加工 ( 包括冷热工艺配合) 及渗碳淬火工 艺等。 各因素间相互影响, 难以控制, 变形控制已经 成为国内外齿轮制造中的技术难点之一。 但齿轮变形趋势方面也存在着一定的规律, 所以在控制变形 的措施上也是有许多共性的。 宝钢集团苏冶重工有 限公司 (以下简称“苏冶重工”) 采用多种方法减小变形, 或根据变形规律采取反制措施控制齿轮的渗碳 淬火变形。齿轮放置不平或等高垫圈变形而未垫平, 易导致端面挠曲变形。115螺旋角变形斜齿轮左右齿面和齿宽方向的冷却不均匀性导致了螺旋角变大,“左旋向左、右旋向右”是斜齿轮渗 碳淬火后齿向变形的规律。2 减小齿轮渗碳淬火变形的控制措施211齿坯粗车后预备热处理工艺的控制齿坯粗车后要经过预备热处理, 通常采用的是正火处理, 通常被视为是一种不重要的辅助工序。但 齿坯经正火处理后内应力消除不彻底, 易出现硬度和组织不均匀, 会给渗碳淬火后的变形带来很大影响。 为此, 齿坯重叠装炉时, 上下左右每件之间要用 等高块隔开并保持一定间距, 加热后在空气中均匀 冷却。正火后还需高温回火, 以达到消除内应力和使硬度、组织均匀的目的。1 渗碳淬火热处理工艺对齿轮变形的影响111锥度因为工件的自重和长时间高温状态下的加热,导致齿轮渗碳后出现齿顶圆上端小、下端大的锥度。112公法线和齿顶圆胀大212齿轮渗碳淬火变形的控制齿轮渗碳淬火除齿部外都免渗碳, 采用涂料保护。渗碳淬火后因渗碳层组织的转变、比容增大造成 了齿轮公法线和齿顶圆胀大。21211改进装炉方法根据齿轮变形趋势制定装炉方法。(1) 对盘形圆柱齿轮可重叠装炉, 上、下齿轮之 间用等高垫圈均布分隔, 等高垫圈支承点位置分布合理, 每叠等高垫圈支承点应在同一垂直线上。( 2) 对直径小于 350 mm 的锥齿轮或薄盘类齿113椭圆度因材质不均匀、加热和冷却不当, 造成热处理时收稿日期: 2012203225作者简介: 张艳红 (19742) , 女, 工程师。 电话: (0512) 66164327, E 2m a il: yanho ng. zh ang b ssmm p. com现 代冶 金第 40 卷18轮采用悬挂装炉, 其齿轮变形要比平放装炉小得多。(3) 对齿轮轴可利用轴颈台阶放置于轴套上, 应 尽量使齿轮轴处于垂直状态。( 4) 等高垫圈与齿轮或吊具不平之处用薄铁片 垫平, 不宜采用斜楔和标准垫片。(5) 重叠装炉齿轮上下左右间距50 mm , 以保 证渗碳时气流和温度均匀、淬火冷却时淬火介质流动畅通、冷却均匀。(6) 齿圈可以 多 个 重 叠 装 炉, 中 间 用 等 高 块 隔 开。 淬火单件装炉, 如装二件要分二层单独装夹, 不 能重叠装炉。212. 2 大型齿轮 ( 包括焊接齿轮) 或齿圈加热和冷却速度控制大型齿轮 (包括焊接齿轮) 或齿圈要控制加热和 冷 却 速 度, 加 热 时 采 用 分 段 升 温 ( 650 , 820 C 二段) , 保温后再升温至 920 C , 渗碳结束后降温至 860C , 然后风冷至 450 C 出炉空冷, 这样可以减小因快 速加热或快速冷却引起的热应力增大, 从而减小变形。21213淬火冷却控制 淬火槽的冷却搅拌泵须运行正常, 且产品入油前后始终搅拌, 保证冷却油有序滚动。促使齿轮或齿 圈圆周均匀冷却, 减小淬火变形。21214渗碳层深度和渗碳层碳浓度的控制 渗碳层深度和渗碳层碳浓度会对渗层组织的膨胀系数产生影响, 渗碳后若表面形成不良碳化物分 布, 将增加齿形、齿向及花键孔变形。 因此必须控制 渗碳时的碳势, 以防止表面碳浓度过高。渗碳层深度越厚、变形越大, 因此应使渗碳层深度控制在技术要 求的合理范围内。311齿圈齿 圈 模 数 14, 工 件 尺 寸 5 1 949 mm 5 1 600mm 260 mm , 材料为 20C rM nM o , 数量 2 件。 渗碳 时 2 件重叠装炉, 中间用等高垫圈隔开, 单件加热淬火。 热前齿顶圆减小 2 mm , 公法线比成品大 0129 mm , 螺旋角热前减小 130”。渗碳淬火结果: 采用优化工艺 后, 齿 顶 圆 椭 圆度、端面跳动、公法线椭圆度的效果均达到预定的技 术要求。312中间轴中间轴模数 8, 工件尺寸 5 187 mm L 525 mm ,轴颈放余量 112 114 mm , 材料 17C r2N i2M o , 数量40 件, 试验不同装炉方式对齿轴弯曲和公法线变形 影响。 装炉方式如图 1, 2 所示。图 1 齿端朝下装炉方式213反制措施21311齿顶圆和公法线胀大齿 顶 圆 根 据 齿 轮 厚 度 和 直 径 大 小, 预 留 3 4 mm 胀量, 公法线根据模数和直径大小预留合适胀量。21312螺旋角变形 根据斜齿轮渗碳淬火后“左旋向左, 右旋向右”齿向的变形规律, 热前适当地减小角度。图 2 齿端朝下装炉方式苏冶重工齿轮渗碳淬火变形控制实例3渗碳淬火结果: 本次试验齿轴在渗碳淬火时采用齿端朝下或齿端朝上两种方式装炉变形相差不 大, 都在变形允许范围内, 如果装炉时齿端上下错 开, 可增加装炉量。苏冶重工齿轮类产品结构为多品种、小批量, 因此本文只对部分重点产品及部分稍有批量生产的产 品进行分析。 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第 4 期张艳红: 齿轮渗碳淬火变形控制19若采用图 5 所示装炉方式, 同时在小端面和齿端上用等高垫圈分隔方式装炉, 既考虑到外侧又考 虑到中心, 因此受力均匀, 对减小锥度有利。 热处理后淬火变形符合预定的技术要求。313斜齿轮斜齿轮模数 8, 工件尺寸 5 445 mm 80 mm , 材料 17C r2N i2M o , 数量 40 件。试验不同装炉方式对齿 轮齿顶圆上、下锥度变形的影响, 该变形导致齿轮端面的挠曲变形不同, 加工后出现黑皮。装炉方式如图3 5 所示。314内外齿齿轮内齿轮模数8、外齿轮模数10, 材料20C r2N i2M o ,工件尺寸5 84619 mm 5 60115 mm 160 mm , 整个 齿轮呈齿圈形状, 因此变形很难控制。尤其是齿顶圆、内孔的胀大、椭圆度和平面偏摆都严重影响齿面磨削 余量, 为此需采取多种措施来控制变形。(1) 预备热处理用调质工艺代替正火工艺, 以减 小变形。(2) 冷热工艺配合, 预留合适的加工余量。 外齿轮公法线预留 014 mm 、内齿轮公法线预留 112 mm ,因热处理后内外圆都胀大, 外齿轮胀大增加公法线 余量、内齿轮胀大减少公法线余量, 因此内齿轮公法线余量要大一些。(3) 内外齿分别进行粗滚齿和粗插齿后, 增加了 去应力工序, 有利于减少变形。( 4) 热处理渗碳装炉采用工字型夹具 6 点均匀 支撑, 单件装炉, 减少了变形。渗碳淬火结果: 内外齿齿轮的平面偏摆0140mm , 公法线胀大 0126 0141 mm , 内孔胀大 01791113 mm 、椭圆度 0134 mm , 齿顶圆胀大 0172 1115 mm 、椭圆度0143 mm , 由此可见, 内孔和外圆胀大量和方向基本一致, 内外齿齿轮的变形得到了有效控制。图 3 在辐板用等高垫图分隔图 4 在小端面用等高垫图分隔图 5 在小端面和齿端面用等高垫图分隔渗碳淬火结果: 用图 3, 4 两种装炉方式, 只有 1件齿轮锥度 在 011 mm 内, 这说明齿端两平面变形 较大, 从锥形趋势来看与装炉方式完全吻合。当在幅板上用等高垫圈分隔时, 受力点在外侧, 所以中心由 于自重下沉, 锥度为上小下大; 而当在小端面上用等 高垫圈分隔时, 受力点在中间, 所以外侧由于自重下 沉, 锥度为上大下小。 从两种装炉方式还可以看出, 在下面用等高垫圈分隔时, 外侧受等高垫圈位置影 响冷却不太均匀, 所以椭圆度大。结束语4不同结构产品