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從動齒輪滲碳淬火錐度變形的改善
2019-02-27 00:00:00 來源：感應加熱設備 點擊：1717 喜歡：0
隨著國內鐵路的大發展，機車齒輪的產品也越來越多。在硬齒面齒輪的制造中，滲碳淬火作為重要的一種齒面硬化工藝方式，從強度的觀點，滲碳具有最好的綜合力學性能，因此機車齒輪目前仍普遍采用滲碳淬火作為齒面硬化方式。但由于滲碳淬火齒輪硬化工序復雜，齒輪容易產生變形，不僅會使后續磨削量增加，生產成本提高，且影響齒輪的制造精度，降低承載能力，最終影響齒輪的使用壽命。因此，在齒輪行業，減少齒輪滲碳淬火畸變一直是一項擺在熱處理工作者面前的重要課題。
本文針對某型號機車從動齒輪在實際生產過程中熱處理變形大的問題，進行了分析，提出了改善措施，并進行了試驗驗證。
1.齒輪相關參數和熱處理工藝
某型機車從動齒輪結構如圖1所示，齒輪重量350kg，材料為18CrNiMo7-6。采用愛協林井式滲碳爐生產線進行滲碳淬火，淬火介質采用快速淬火油。
熱處理技術要求：有效硬化層深度1.6~2.2mm，磨齒時單邊留磨量0.35~0.45mm。金相組織符合ISO 6336-5 MQ級以上要求。
圖1 齒輪結構示意
齒輪的制造工藝流程：齒坯鍛造→預備熱處理→半精車→滾齒→滲碳淬火→噴丸→精車→磨齒→磁粉探傷。
試制時，齒輪的熱處理工藝路線：經920℃滲碳，降溫至860℃出爐緩冷，640℃高溫回火，重新加熱淬火，兩次低溫回火。滲碳、淬火時裝夾狀態如圖2所示。
圖2 滲碳淬火裝夾示意
2.熱處理變形及分析
滲碳淬火后齒輪變形量如表1所示。由表1可看出，齒輪發生了較大的錐度變形，如圖3所示。熱處理后公法線沿齒高方向相差較大。磨齒后，造成齒面有效硬化層深度不均勻。
圖3 熱處理后齒輪畸變趨勢（虛線部分）
表1 齒輪滲碳、淬火后變形量
滲碳后的錐度變形是由齒輪長時間在高溫下保溫因自重產生的蠕變所致。所謂蠕變就是在高溫及數值不變的應力作用下，隨著時間而不斷增加著材料的變形過程。鋼在高溫狀態下強度很低。該齒輪屬于薄腹板從動齒輪，腹板厚最小處僅25mm。由于輪齒部位缺乏足夠的支撐，在高溫下，齒輪腹板處強度大幅度下降，不能抵御自重力作用，在長時間滲碳過程中，齒輪蠕變引起嚴重的錐度變形。
零件淬火時，齒寬部位受到不均勻冷卻，先冷卻的那半邊收縮，在熱邊的受制下冷邊受拉應力，而熱邊受壓應力。由于熱邊在高溫下的塑性較好而被壓縮。在冷卻到一定程度后，熱邊開始冷卻，也要發生收縮現象，此時應力狀態發生變化，先冷邊為壓應力，后冷邊為拉應力。冷卻后期，由于處于較低的溫度，不能產生明顯的塑性拉長，不能抵消原先被壓縮的數量值，先冷邊都不能發生明顯的塑性增長和縮短，因此工件冷卻的最終結果是先冷邊縮小，后冷邊脹大。
3.改善措施
滲碳時，解決該問題的方案就是在輪齒部位增加楔形墊塊支撐。
淬火裝夾時，將齒輪朝上方向與滲碳方向反向，使得淬火保溫時，能反向校正部分滲碳時由于自重引起的錐度變形。改善后，齒輪的裝夾示意如圖4、圖5所示。
圖4 齒輪滲碳裝夾示意 圖5齒輪淬火裝夾示意
淬火加熱時，將兩個齒輪輪齒部位的間隔由原來的50mm增加到100mm，以改善入油淬火時淬火油流動情況，使齒輪各處冷卻均勻，各處漲量趨于一致。
改善后，熱處理變形情況如表2所示。由表2可以看出，滲碳后，齒輪上下錐度變形變化不大。但淬火后，齒輪上下錐度變形量平均值減小0.296mm，變形量減小64%。
表2 改善后齒輪滲碳淬火變形量
4.結語
（1）齒輪裝夾時，在齒部位使用平整的楔形墊塊支撐，可保證薄腹板整體式從動齒輪輪輞部位在滲碳過程中的強度，減小因自重而產生的變形。
（2）淬火時，齒輪裝夾與滲碳時反向，可有效改善滲碳時的錐度變形。
（3）淬火時，齒輪的上下間距應符合工藝要求，保證淬火時齒輪冷卻均勻。
（4）滲碳、淬火后要及時測量變形情況，并根據測量結果，及時調整熱處理工藝和裝爐方式。
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