幾種齒圈的熱處理畸變控制方法

哈爾濱匯隆汽車箱橋有限公司 （黑龍江 150088） 金榮植

由于齒圈直徑與齒圈寬度（或稱高度）尺寸相差懸殊，在熱處理過程中，經(jīng)常出現(xiàn)內(nèi)孔圓度、端面平面度及錐度畸變超差問題。齒圈的加工工序復(fù)雜，畸變合格率低，加工余量大，廢次品率高，成本高，而且產(chǎn)品精度低，噪聲大，嚴(yán)重影響其使用壽命。為此，本文總結(jié)了冷加工與熱加工配合，優(yōu)化工藝，改進裝夾（爐）方式，以及采用先進熱處理工藝與裝備等措施。

一、改進與優(yōu)化熱處理工藝

1.采取預(yù)處理工藝減小大型滲碳齒圈畸變

大型齒圈φ2180mm×φ1750mm×550mm，材料17CrNiMo6鋼，熱處理畸變要求嚴(yán)格。但經(jīng)過滲碳淬火后，通常齒頂漲大量4～5mm，有時達(dá)6～7mm。對此，采用以下控制措施。

（1）預(yù)處理工藝制訂 采用調(diào)質(zhì)工藝，即860℃加熱淬火（比最終淬火溫度高20～30℃），并經(jīng)650℃高溫回火。將其內(nèi)孔直徑漲大量控制在8～10mm。經(jīng)過滲碳降溫空冷，然后進行（820±10）℃均溫后，淬入170℃的硝鹽浴中冷卻，再經(jīng)210℃兩次回火，其齒頂圓直徑僅比滲碳淬火前漲大2mm左右，滿足了預(yù)期的漲大量，并且齒圈的圓度、上下錐度等均滿足要求。

（2）工藝要點 嚴(yán)格控制調(diào)質(zhì)時的淬火溫度，如果溫度太低，則不能很好地起到減少漲大畸變的作用；反之，溫度太高，則滲碳淬火后的齒頂圓尺寸可能產(chǎn)生收縮，因此需要進行試驗。

2.改進熱處理工藝減小三輪車從動齒圈熱處理畸變

三輪車變速器從動齒圈（見圖1），材料20CrMnTi鋼，熱處理要求：碳氮共滲0.6～1.0mm，齒面與心部硬度分別為58～64HRC和35～48HRC，螺紋孔與單鏈槽位置度公差為0.05mm。

裝爐前用防滲涂料堵塞10個M8螺紋孔，經(jīng)850～860℃碳氮共滲后，直接淬火、回火。檢驗后發(fā)現(xiàn)，螺紋孔和單鍵槽的位置度超差，防滲涂料不易脫落。其改進工藝及效果如下：

（1）改進工藝 制齒成形→碳氮共滲后緩冷→車（削）滲層、拉（削）鍵槽、鉆孔、攻螺紋→850～860℃淬火→低溫回火→加蓋（保護螺紋孔）拋丸處理→磨（削）輻板→檢查。

（2）改進效果 經(jīng)檢驗，從動齒圈熱處理畸變合格率達(dá)95%以上。

圖1 從動齒圈示意

3.采用熱處理新工藝及新工裝控制大型齒圈熱處理畸變

礦用軋機減速器齒圈，外形尺寸為φ1631mm×φ1364mm×300mm，單件質(zhì)量1434kg，法向模數(shù)20mm，齒數(shù)78，材料為20CrNi2MoA鋼，要求滲碳淬火。

（1）修改后齒圈技術(shù)要求 修改后齒圈的技術(shù)要求見表1；滲碳前調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)硬度217～255HBW；有效硬化層深3.90～5.10mm。

表1 修改后齒圈的技術(shù)要求

（2）新工藝 將鍛后正火改為正火+高溫回火。滲碳后增加球化退火工序，保證滲層碳化物顆粒尺寸≤1μm。其球化退火工藝見圖2。圖2a與圖2b工藝所得結(jié)果基本相同。

圖2 20CrNi2MoA鋼齒輪球化退火工藝

新工藝路線：鍛造→正火+高溫回火→粗車→無損探傷→調(diào)質(zhì)→精車、銑齒→滲碳→球化退火→淬火、回火→拋丸清理→精車內(nèi)孔及兩平面→磨內(nèi)孔及兩平面→磨齒→插鍵槽→無損探傷→產(chǎn)品。

工裝設(shè)計：設(shè)計上下壓蓋板，控制齒圈畸變，具體見圖3。

圖3 齒圈熱處理夾具示意

（3）檢驗結(jié)果 齒圈表面硬度、心部硬度及有效硬化層深度均達(dá)到技術(shù)要求；齒圈表面碳濃度為0.76%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），采用分段球化退火后碳化物顆粒尺寸達(dá)0.5μm；金相組織馬氏體、殘留奧氏體為2級，碳化物為1級，心部鐵素體為2級；力學(xué)性能達(dá)到技術(shù)要求；齒圈畸變檢驗，內(nèi)孔圓度0.90mm，齒頂直徑變化量為3.1～4.0mm，公法線變動量在0.2～0.6mm，均達(dá)到技術(shù)要求。

4.改進熱處理工藝并采取模具矯正方法控制大型超薄齒圈滲碳淬火畸變

大型傳動齒輪箱超薄內(nèi)齒圈，外形尺寸φ1120mm×φ944mm×260mm，材料17CrNiMo6鋼，重量550kg，熱處理技術(shù)要求：滲碳淬火有效硬化層深2.40～2.90mm，齒面與心部硬度分別為58～62HRC和30～38HRC，金相組織符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，晶粒度不大于6級。熱處理后畸變要求：錐度≤1.35mm，圓度≤1.35 mm，公法線變動量≤0.7‰，齒頂圓縮小量≤1.5‰。

（1）原加工路線、工藝及齒圈畸變問題 原加工路線：鍛坯粗車→鉆削→插齒→滲碳淬火→噴丸處理→精車→磨齒→成品。原滲碳工藝路線：預(yù)熱650℃×1h→滲碳（930±10）℃×50h→降溫，出爐前保溫830℃×2h→出爐空冷→高溫回火680℃×4h→淬火加熱（820±10）℃×2.5h→硝鹽等溫淬火（160±10）℃→低溫回火（210±20）℃×10h→出爐空冷。齒圈清洗后涂刷防滲涂料，每爐5件，滲碳?xì)夥詹捎眉状?異丙醇富化氣。經(jīng)檢驗，其他項均符合技術(shù)要求，但齒圈畸變較大。

（2）改進工藝 在齒圈插齒前粗加工后進行高溫正火。為減少殘余應(yīng)力及熱應(yīng)力，降低滲碳溫度，前期增加階梯升溫的階段數(shù)。改進后增加了在400℃和850℃等溫，適當(dāng)降低淬火溫度。經(jīng)檢驗齒圈畸變降低了一個等級，但仍偶有畸變超差的情況。其滲碳工藝見圖4。

圖4 大型齒圈滲碳矯正淬火工藝曲線

滲碳矯正淬火工藝及齒圈淬火冷卻采用模具矯正法。齒圈滲碳矯正淬火工藝曲線見圖4。實行模具矯正淬火，將模具和齒圈一起冷卻，使齒圈在冷卻過程中通過模具得到強制矯正，在隨后的長時間回火處理過程，消除了淬火冷卻時產(chǎn)生的應(yīng)力，穩(wěn)定了齒圈尺寸，防止了畸變的反彈。

5.通過調(diào)整熱處理工藝減小齒圈畸變

TY320、TY220及D65等變速箱中JT001齒圈，外齒直徑318.1mm，內(nèi)齒直徑251.7mm，寬度為51.5mm。材料為42CrMo鋼，調(diào)質(zhì)硬度262～302HBW；滲氮處理后ΔM 要求≤0.10mm。

（1）原熱處理工藝及畸變情況 毛坯正火（880℃×3h）+粗車后調(diào)質(zhì)（鹽浴820℃×0.5h，油淬+回火）+校正+精車后時效處理（300℃×5h）+插齒+離子滲氮（520℃）后隨爐冷卻。經(jīng)檢驗，M值及變動量超差，齒圈畸變合格率僅為70%左右。

（2）改進工藝及效果 將原來先調(diào)質(zhì)后校正再滲氮改為先校正后調(diào)質(zhì)再滲氮，齒圈畸變合格率達(dá)到98%以上，齒圈ΔM值變動量由調(diào)整前的最大0.46mm減小到調(diào)質(zhì)后的0.10mm；時效溫度由原來300℃提高至560℃，此溫度既保證了加工應(yīng)力的充分釋放，又高于滲氮溫度30～50℃，因而使?jié)B氮齒圈的畸變最小，ΔM值最大值由調(diào)整前的0.22mm減小到調(diào)整后的0.08mm。

6.通過工藝流程調(diào)整解決高頻感應(yīng)淬火40Cr鋼齒圈畸變徑向圓跳動超差問題

某齒圈（見圖5）材料為40Cr鋼，技術(shù)要求：調(diào)質(zhì)硬度28～32HRC，齒部高頻感應(yīng)淬火硬度為48～52HRC，齒圈徑向圓跳動＜0.048mm。

（1）高頻淬火工藝及齒圈畸變問題 高頻感應(yīng)淬火工藝電參數(shù)，電流頻率250kHz，陽極及柵極電流分別為7～7.5A和1.4～1.7A，加熱時間30～40s，冷卻水壓力≥0.2MPa。

高頻感應(yīng)淬火時靠近φ30mm孔的部位冷卻速度快，遠(yuǎn)離φ30mm孔的部位冷卻速度慢，正是這種冷卻速度的不均勻性造成齒圈徑向圓跳動超差。

圖5 40Cr鋼齒圈示意

（2）改進工藝流程及效果 改進工藝流程：鍛造→粗車→調(diào)質(zhì)→精車外圓、內(nèi)孔→滾齒、去毛刺→剃齒、去毛刺→清洗→齒部高頻感應(yīng)淬火→精車兩端面空刀→鉆孔、锪孔角→鉆孔、攻螺紋→拉單鍵槽→去毛刺噴砂處理→清洗入庫。改進效果：高頻感應(yīng)淬火后齒圈的徑向圓跳動均在公差要求的范圍內(nèi)。

7.采用碳氮共滲工藝減小內(nèi)齒圈淬火畸變

重載自卸車轉(zhuǎn)向機構(gòu)中內(nèi)齒圈，外形φ444mm×φ372.88mm×140mm，材料20CrMnTi鋼，熱處理技術(shù)要求：表面碳濃度0.8%～1.0%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），共滲層深度1.1～1.5mm，表面與心部硬度分別為58～65HRC和30～45HRC，圓度≤0.5mm。金相組織為馬氏體、殘留奧氏體≤4級，碳滲氮合物≤5級。

（1）內(nèi)齒圈加工流程 下料→鍛造→粗加工→預(yù)備熱處理（正火）→機加工→碳氮共滲→質(zhì)量檢驗→噴砂處理→產(chǎn)品檢驗→入庫。

（2）熱處理碳氮共滲工藝 采用愛協(xié)林密封箱式多用爐進行氣體碳氮共滲，降溫直接淬火（見圖6）。碳氮共滲6h，強滲碳勢0.95%，擴散2h，碳勢0.65%，降溫0.5h出爐快速淬油冷卻。

圖6 內(nèi)齒圈氣體碳氮共滲工藝

（3）二次加熱淬火工藝 碳氮共滲后緩冷，再二次加熱，內(nèi)撐式壓緊淬火，其工藝如圖7所示，淬火加熱830℃×40min。淬火采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～15%PM淬火冷卻介質(zhì)，轉(zhuǎn)移時間20s，冷卻時間10s，出液溫度控制在150～180℃，近似壓淬。使用專用工裝內(nèi)撐內(nèi)孔后回火。

圖7 內(nèi)齒圈二次加熱淬火及回火工藝

（4）工裝及裝爐方式 內(nèi)齒圈的內(nèi)外徑比遠(yuǎn)大于1/2，壁薄，淬火易產(chǎn)生圓度畸變，避免重疊堆放以減少重力影響。齒圈間應(yīng)有合理間距，確保圓周冷卻均勻。

（5）淬火畸變與控制 根據(jù)熱處理漲大量預(yù)留余量；選用二次加熱淬火工藝；采用淬火壓床淬火；淬火后圓度超差件采用專用工裝定型回火。

（6）檢驗結(jié)果 表面硬度60～65HRC，心部硬度38～40HRC，馬氏體、殘留奧氏體1級，碳滲氮合物1級，外徑圓度0.13～0.30mm，均合格。

8.50Mn2鋼齒圈的中頻感應(yīng)淬火

齒圈尺寸為φ322mm×φ281mm×77mm，材料50Mn2鋼，中頻感應(yīng)淬火技術(shù)要求為：表面硬度為50～55HRC，齒根處淬硬層在1～4mm，相當(dāng)于40HRC。齒圈的周節(jié)累計誤差＜0.10mm，齒向誤差＜0.055mm，齒形誤差＜0.035mm。

（1）中頻感應(yīng)淬火機床及感應(yīng)器 中頻淬火機床額定功率不能小于400kW。感應(yīng)器（見圖8）采用14mm×14mm的純銅方管制作，匝數(shù)為5，感應(yīng)器高度為a，齒圈與感應(yīng)器之間的預(yù)留間隙為b。

圖8 齒圈用感應(yīng)器示意

（2）中頻感應(yīng)加熱淬火規(guī)范 齒圈與感應(yīng)器之間的預(yù)留間隙：考慮到導(dǎo)磁體對磁場分布的影響因素，將感應(yīng)器的直徑增大為b+2mm。同時，增加感應(yīng)器的高度為a+3mm。電加熱規(guī)范：最高輸出電壓540V，最高輸出電流430A，頻率8000Hz，齒圈加熱到22s時被加熱區(qū)域已經(jīng)亮紅，完全達(dá)到了淬火所需溫度。加熱方式采用同時加熱淬火方式。常用比功率為0.8～1.5kW/cm2。淬火冷卻介質(zhì)：采用好富頓公司的AQ251型淬火冷卻介質(zhì)，配比濃度控制在9%～13%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。

（3）檢驗結(jié)果 金相組織、尺寸達(dá)到技術(shù)要求。齒根硬化層深2.5～4.0mm，齒向跳動＜0.05mm，齒形跳動＜0.04mm，圓周累計誤差＜0.1mm。

二、采用先進工藝及裝備

1.齒圈模壓式感應(yīng)淬火和回火新技術(shù)

（1）最新感應(yīng)加熱模壓淬火技術(shù) 德國EMA的最新模壓淬火工藝融合了感應(yīng)淬火和壓力淬火工藝的優(yōu)點：熱量在齒輪內(nèi)部直接產(chǎn)生，沒有熱傳導(dǎo)損失，加熱時間短，節(jié)能；加熱與淬火迅速，過程易于控制，重復(fù)性好；易于形成生產(chǎn)線，效率高；沒有污染；熱處理畸變小，齒輪最終尺寸精度高；硬化層分布均勻。該技術(shù)適合于中碳鋼齒輪的直接壓淬，也適合于滲碳后的齒輪壓淬，包括齒輪（圈）、錐齒輪及同步圈等高精度的環(huán)形零件。

圖9 畸變齒圈模壓式感應(yīng)淬火流程

（2）工藝過程 圖9為熱處理畸變齒圈模壓式感應(yīng)淬火流程。即將畸變齒圈固定到非導(dǎo)磁性的定心和夾持裝置上（步驟1，夾持裝置具有堅固的底部壓模和上部壓模）；通過電磁感應(yīng)加熱到約900℃（步驟2，其加熱溫度根據(jù)材料定，可通過紅外測溫儀監(jiān)測與控制）；保溫一定時間后，齒圈達(dá)到相同或均勻的溫度，上下壓模加壓（步驟3）；立即用淬火冷卻介質(zhì)噴淋齒輪（步驟4）；淬火后撤掉壓模裝置，將感應(yīng)器移動到齒圈和校正芯模的組合位置（步驟5）；然后對齒圈進行回火加熱（步驟6）；隨著溫度升高，齒圈發(fā)生微量膨脹，產(chǎn)生很小的縫隙（步驟7）；把齒圈從芯模的另一端拔出（步驟8）。校正芯模（采用不銹鋼）可以有效防止齒圈收縮。

（3）工藝參數(shù)和結(jié)果 由表2可見，齒輪畸變較?。和亩龋?.03mm，圓度＜0.03mm，平面度＜0.05mm。

表2 16MnCrS5鋼齒輪壓淬工藝參數(shù)和檢驗結(jié)果

2.不對稱薄壁內(nèi)齒圈化學(xué)熱處理畸變的控制

薄壁齒圈尺寸φ162mm×φ111.4mm×48mm，材料20CrMnTi鋼。技術(shù)要求：碳氮共滲層深0.6～1.0mm，表面與心部硬度分別為58～64HRC和35～48HRC，內(nèi)孔圓度＜0.10mm。

（1）原設(shè)備、工藝及齒圈畸變問題 原熱處理采用連續(xù)式滲碳爐，碳氮共滲工藝：強滲880℃→擴散860℃→840℃降溫淬火。由于齒圈結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、壁薄且不對稱，碳氮共滲淬火后內(nèi)孔圓度≥0.12mm，畸變超差。

（2）改進后的熱處理設(shè)備及工藝 設(shè)備改用2-1-1多用爐生產(chǎn)線，該設(shè)備溫度和碳勢控制均勻而精確。由于滲層越淺，碳勢越低，畸變越小，使?jié)B層精確控制在0.6～0.7mm，金相組織控制在1～2級。

共滲工藝：強滲860℃→擴散860℃→830℃降溫淬火（淬火采用今禹Y35-Ⅰ型等溫分級淬火油）。經(jīng)檢驗，內(nèi)孔圓度控制在＜0.10mm，合格。

3.采用40Cr鋼高頻感應(yīng)淬火方法取代20CrMnTi滲碳淬火減小內(nèi)齒輪畸變

聯(lián)合收割機內(nèi)齒輪尺寸為φ315mm×φ268.2mm×36mm，材料為20CrMnTi鋼，模數(shù)為4mm，技術(shù)要求為：熱處理后大端面平面度＜0.2mm；內(nèi)孔圓度≤0.3mm；滲碳層深度0.9～1.3mm；齒輪部硬度為59～63HRC。

（1）原工藝過程及齒圈畸變問題 原工藝過程：粗加工→滲碳→精加工→二次加熱淬火。熱處理后內(nèi)孔畸變大，內(nèi)孔圓度在0.35～0.80mm之間，畸變超差。

（2）改進工藝及檢驗結(jié)果 經(jīng)主機廠同意改進齒輪材料，決定采用40Cr鋼，先進行整體調(diào)質(zhì)處理，保證齒輪心部硬度（強度），然后進行齒部的高頻感應(yīng)淬火，以保證畸變不超差。新的技術(shù)要求：齒坯調(diào)質(zhì)硬度269～289HBW；齒輪高頻感應(yīng)加熱淬火后淬硬層1～1.5mm；齒面硬度50～54HRC。新工藝過程：齒坯粗加工→調(diào)質(zhì)→精加工→高頻感應(yīng)淬火。檢驗結(jié)果：通過冷熱加工多次配合試驗，調(diào)整內(nèi)齒輪熱處理前參數(shù)M值，經(jīng)高頻感應(yīng)淬火后達(dá)到技術(shù)要求。采用40Cr鋼進行高頻感應(yīng)淬火代替20CrMnTi滲碳淬火也降低了成本，經(jīng)裝車使用效果良好。

三、畸變齒圈的校正方法

齒圈淬火后形成橢圓形的校正方法如下：

（1）橢圓的熱點校正法 熱點校正法是采用在齒圈外圓凸起部位（橢圓形長軸點）加熱，并立即快冷，通過冷縮作用使凸起部位變小的原理進行校正。熱點校正可采用氧乙炔氣或氧丙烷氣火焰加熱校直。

（2）具體操作 具體是在橢圓長軸外徑對稱部位熱點兩點，而在橢圓短軸方向的內(nèi)徑對稱兩端各熱點一點，熱點后應(yīng)立即快冷（如水冷等）。若橢圓度太大，可先采用加熱反擊法進行粗略校正，再采用熱點校正法來校正，這樣可收到較滿意的效果。最后進行低溫回火170～200℃×1h，并進行復(fù)檢。