1E0778材料行星齒輪熱處理工藝研究

崔 鼎，楊 揚(yáng)，廖 成

(西安法士特汽車傳動有限公司，陜西 西安 710119)

行星齒輪在傳遞動力時(shí)可進(jìn)行功率分流，且輸入軸和輸出軸處在同一水平線上，因此行星齒輪傳動被廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械傳動系統(tǒng)中的減速器、增速器和變速裝置。本文研究了一種重型挖掘機(jī)減速器中的行星齒輪，材料為1E0778。由于1E0778低碳合金鋼不含合金元素Ni，因此該材料的齒輪在滲碳、淬火過程中形成的晶間氧化物和表層貝氏體比SAE8620H材料及20CrMnTiH材料的齒輪要嚴(yán)重的多，從而容易導(dǎo)致滲碳齒輪的早期磨損[1]。本文對1E0778低碳滲碳齒輪鋼的熱處理工藝進(jìn)行了研究，不僅滿足圖紙要求，而且利用冷加工滾齒、剃齒工藝代替滾齒、磨齒工藝，降低了行星輪的生產(chǎn)成本。

1 原材料及熱處理技術(shù)要求

1.1 齒輪外形尺寸

齒輪的外形和尺寸如圖l所示。各參數(shù)分別為：齒數(shù)z=23，模數(shù)m=5.08，壓力角d=20°，齒輪精度等級為9級。其工藝路線為：下料→鍛造→正火→精粗車→滾齒→剃齒→熱處理→磨內(nèi)孔→清洗→涂油包裝。

圖1 行星齒輪簡圖Fig.1 The sketch of planetary gear

1.2 材料成分、淬透性及熱處理要求

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4336采用化學(xué)法測得1E0778材料的主要化學(xué)成分見表1。表2為根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求所檢測的此批材料的淬透性。熱處理要求：滲碳淬火，節(jié)圓處硬化層深1.2～1.9 mm，表面硬度最小59 HRC，組織不大于4級，節(jié)圓處表層貝氏體1級，齒根處表層貝氏體不大于7級，心部硬度最小30 HRC，在層深2.8 mm處最小35 HRC。內(nèi)孔層深最小1.05 mm，在層深1.95 mm處最小30 HRC。

表1 1E0778材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 1E0778材料的淬透性

國外對行星齒輪技術(shù)條件的要求比我國更細(xì)化，如我國對齒根的晶間氧化物(IGO)的深度有一定要求；而國外工程機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)除此要求外，對不同深度的晶間氧化物進(jìn)行等級劃分，而且要求對齒根和節(jié)圓處表層貝氏體進(jìn)行評級，評級依據(jù)表層貝氏體連成片的趨勢，而非貝氏體的深度。這種貝氏體在滲碳淬火件表層中表現(xiàn)為連續(xù)或不連續(xù)的網(wǎng)狀或塊狀的黑色組織，已被公認(rèn)是由于晶界內(nèi)氧化與合金元素貧化綜合作用的結(jié)果，也被稱為非馬氏體組織，一旦形成此類組織，會降低零件的表面硬度、耐磨性以及疲勞極限[2]。

另外，我國對齒輪的節(jié)圓和齒根圓角處有層深要求，但對齒底的層深并沒有要求；而國外工程機(jī)械對齒底和齒根層深要求一樣均為不低于節(jié)圓處下限的60%。

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)備采用1.5 t AICHELIN箱式多用爐生產(chǎn)線，由滲碳淬火爐、清洗機(jī)、回火爐組成。滲碳爐工藝由程序自動控制，爐溫均勻性≤10 ℃，碳勢控制精度為±0.05%；滲碳爐的熱處理氣氛采用氮甲醇作為載氣，丙酮為富化氣。

采用Tukon-2100B型維式顯微硬度計(jì)測量滲碳淬火后的硬度曲線和有效硬化層深；采用GX71型金相顯微鏡進(jìn)行金相檢驗(yàn)；采用HR-150A洛氏硬度計(jì)測量熱處理后零件的表面硬度及心部硬度；采用鋼箔尺寸30 mm×12.5 mm ×0.02 mm；采用德國MESA定碳儀測量爐內(nèi)碳勢。

滲碳工藝如圖2所示，采用了強(qiáng)滲和擴(kuò)散兩個(gè)階段的滲碳方式，熱處理總時(shí)間為9 h。其中強(qiáng)滲階段碳勢為1.15%，滲碳時(shí)間為7 h；高溫?cái)U(kuò)散階段碳勢為0.90%，時(shí)間為2 h；淬火前850 ℃保溫1 h，碳勢0.80%。淬火油分別為好富頓K2000淬火油和好富頓G油。K2000淬火油和G油都是快速光亮淬火油，其中K2000淬火油是好富頓油品種冷速最快的淬火油[3]。

圖2 熱處理工藝曲線Fig.2 Heat treatment process curve

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

1E0778材料行星齒輪滲碳后采用好富頓G油和K2000淬火油淬火，分別為快速攪拌850 r/min和慢速攪拌750 r/min。零件檢測結(jié)果見表3。

表3 不同淬火油零件檢測結(jié)果

節(jié)圓、齒根處晶間氧化物和貝氏體結(jié)果如圖3和圖4所示。從圖中可以看出，在相同滲碳工藝下，采用K2000淬火油淬火的零件節(jié)圓和齒根處的表層貝氏體明顯少于G油，但晶間氧化物的深度差別不大。

(a)節(jié)圓處表層貝氏體；(b)節(jié)圓處晶間氧化物；(c)齒根處表層貝氏體；(d)齒根處晶間氧化物圖3 G淬火油淬火后零件金相組織(a)surface bainite at the pitch circle;(b)IGO at the pitch circle;(c)surface bainite at the root; (d)IGO at the rootFig.3 Microstructure of parts with G quenching oil

(a)節(jié)圓處表層貝氏體；(b)節(jié)圓處晶間氧化物；(c)齒根處表層貝氏體；(d)齒根處晶間氧化物圖4 K2000淬火油淬火后零件金相組織(a)surface bainite at the pitch circle;(b)IGO at the pitch circle;(c)surface bainite at the root; (d)IGO at the rootFig.4 Microstructure of parts with K2000 quenching oil

使用IVF冷卻曲線測定儀測得G淬火油和K2000淬火油的冷卻特性曲線如圖5所示。從圖5中可以看出，在蒸汽膜階段兩種淬火油的冷速基本重合，這是因?yàn)楣ぜ車纬梢粚诱羝?，主要是通過輻射傳熱，穿過蒸汽膜來完成，傳熱速度慢。從特性溫度開始，熱傳遞速度逐步增大，此階段主要依靠核/泡的形成及破裂而傳熱，并且與熱工件直接接觸，冷速達(dá)到最大。最大冷速對應(yīng)溫度以下為非馬組織轉(zhuǎn)變區(qū)，此時(shí)K2000淬火油的冷速明顯大于G油，有效抑制了非馬氏體的產(chǎn)生[4]。冷速大相對于使過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線右移，從而抑制了貝氏體組織的產(chǎn)生。而晶間氧化物是在整個(gè)滲碳過程中產(chǎn)生的，所以使用不同淬火油對1E0778材料晶間氧化物長度差別不大。由于節(jié)圓處的氣氛循環(huán)優(yōu)于齒根處，所以此材料節(jié)圓處晶間氧化物長度比齒根處大。但是表層的貝氏體組織和淬火時(shí)冷速有很大關(guān)系。滲碳后施行劇烈的淬火冷卻可有效減少非馬氏體組織，在不導(dǎo)致開裂和產(chǎn)生嚴(yán)重畸變的前提下，盡量采取冷卻快的淬火介質(zhì)對減少非馬氏體組織有利[5]。節(jié)圓處的冷卻狀態(tài)比齒根好，所以節(jié)圓表層貝氏體趨勢明顯好于齒根處。

圖5 淬火油冷卻特性曲線Fig.5 Quenching oil characteristic curve

4 結(jié)論

本文對1E0778材料行星齒輪的熱處理工藝進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，在相同滲碳工藝下，采用好富頓K2000淬火油解決了表層貝氏體的問題，各項(xiàng)熱處理指標(biāo)滿足圖紙要求。避免了增加熱后磨齒工序，降低了齒輪的生產(chǎn)成本。