20CrMnMo凸輪軸齒輪淬火變形的控制

■ 梁楚鵬，陳國輝，余榮杰

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某廠柴油機(jī)凸輪軸齒輪（見圖1）輻板厚23mm，齒頂圓直徑532mm，齒寬126mm，是易變形的薄件。材料20CrMnMo凸輪軸生產(chǎn)工序?yàn)椋哄懺臁嘶稹周嚒鷿L齒→滲碳→車削碳層→淬火→精車→磨齒→無損檢測。技術(shù)要求為：精磨后滲碳層深度1.8～2.0mm，硬度58～62HRC，滾齒公法線留磨余量0.6mm。生產(chǎn)數(shù)批次十余件常出現(xiàn)磨削裂紋和變形超差磨不過的問題。

經(jīng)過跟蹤測量，發(fā)現(xiàn)齒輪滲碳后變形很小，滲碳時采用水平疊放的方式，滲碳后上下端面齒頂圓直徑相差0.1～0.3mm。淬火后變形嚴(yán)重，淬火后圓度變形0.5mm，兩端面齒頂圓直徑相差1.5～2mm，公法線脹大0.5mm，淬火后變形規(guī)律明顯，表現(xiàn)為下端面直徑脹大。個別齒輪磨削后三分之一齒面磨不過。

圖1 工件示意

1.變形分析

淬火時采用井式爐加熱，裝爐方式從經(jīng)濟(jì)性考慮采用分層水平裝料篩，每層隔開10cm左右。在冷卻開始階段，隨著工件浸入油池，齒輪底面先冷卻收縮，在頂面限制下受拉應(yīng)力，由于油冷冷速較慢，底面屈服強(qiáng)度仍較低，在拉應(yīng)力作用下底面發(fā)生塑性變形脹大，頂面收縮。繼續(xù)冷卻時頂面和底面都發(fā)生馬氏體相變，上下兩端面直徑同步脹大，最終表現(xiàn)為上端面直徑幾乎不變，而下端面明顯脹大。

2.磨裂分析

磨削裂紋分布在個別齒的齒溝及齒面，對無裂紋齒及磨裂齒進(jìn)行分別取樣檢測淬硬層硬度梯度，結(jié)果如表1所示，磨裂齒面表面至距離表面0.7mm區(qū)域的硬度低于距離表面0.9～1.7mm區(qū)域，硬度梯度呈由低到高再回落的趨勢；而在無裂紋齒面檢測的硬度梯度則為正常的由高到低趨勢，可見裂紋齒面存在明顯的磨削回火層。

圖2 原工藝齒面淬火組織，3級（500×）

原工藝淬火后經(jīng)200℃二次回火，金相組織如圖2示為細(xì)針馬氏體、約20%殘留奧氏體。雖然淬火組織未超出技術(shù)要求等級，但在磨削時產(chǎn)生的熱量會使組織發(fā)生回火轉(zhuǎn)變，部分殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，表層附近組織比體積的變化導(dǎo)致磨削表面受到的拉應(yīng)力增大，容易產(chǎn)生磨削裂紋。尤其是對于外徑脹大的一端，磨削量更大，磨削回火更明顯，出現(xiàn)磨削裂紋的傾向更大。

3.工藝調(diào)整

為了使兩端面冷卻效果一致，齒輪的裝夾方式改為直立掛裝。同時降低淬火溫度，減少碳化物在奧氏體內(nèi)的溶解，降低奧氏體碳含量，從而減少淬火組織的殘留奧氏體。

圖3 新工藝齒面淬火組織，2級（500×）

表1 磨裂齒面及無裂紋齒硬度梯度

表2 工藝調(diào)整前后數(shù)據(jù)對比

新工藝淬火后經(jīng)200℃二次回火，金相組織如圖3所示為隱晶馬氏體、5%～8%殘留奧氏體。工藝調(diào)整前后數(shù)據(jù)對比如表2所示，原工藝公法線脹大0.5mm左右，新工藝處理后變形明顯改善，脹大了0.3mm左右。新工藝淬火的齒輪雖然硬度略低于原工藝，但仍能滿足技術(shù)要求。采用新工藝之后的3個批次齒輪再沒出現(xiàn)磨裂以及變形超差磨不過的問題。

4.結(jié)語

（1）采用合理的裝夾方式能有效降低薄壁齒輪的變形量，保證磨削量的均勻性，減少磨削過熱的機(jī)會。

（2）降低淬火溫度可有效減少淬火組織的殘留奧氏體含量，降低磨削回火導(dǎo)致磨削裂紋的傾向。

工藝調(diào)整有效地解決了凸輪軸齒輪淬火后變形超差以及出現(xiàn)磨削裂紋的問題。