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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(yīng)加熱設(shè)備 點(diǎn)擊：1560 喜歡：0
隨著國內(nèi)鐵路的大發(fā)展，機(jī)車齒輪的產(chǎn)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(qiáng)度的觀點(diǎn)，滲碳具有最好的綜合力學(xué)性能，因此機(jī)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(fù)雜，齒輪容易產(chǎn)生變形，不僅會使后續(xù)磨削量增加，生產(chǎn)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(yè)，減少齒輪滲碳淬火畸變一直是一項(xiàng)擺在熱處理工作者面前的重要課題。
本文針對某型號機(jī)車從動齒輪在實(shí)際生產(chǎn)過程中熱處理變形大的問題，進(jìn)行了分析，提出了改善措施，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。
1.齒輪相關(guān)參數(shù)和熱處理工藝
某型機(jī)車從動齒輪結(jié)構(gòu)如圖1所示，齒輪重量350kg，材料為18CrNiMo7-6。采用愛協(xié)林井式滲碳爐生產(chǎn)線進(jìn)行滲碳淬火，淬火介質(zhì)采用快速淬火油。
熱處理技術(shù)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(jié)構(gòu)示意
齒輪的制造工藝流程：齒坯鍛造→預(yù)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(jīng)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(tài)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(fā)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(chǎn)生的蠕變所致。所謂蠕變就是在高溫及數(shù)值不變的應(yīng)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(tài)下強(qiáng)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(qiáng)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(yán)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(yīng)力，而熱邊受壓應(yīng)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(fā)生收縮現(xiàn)象，此時應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，先冷邊為壓應(yīng)力，后冷邊為拉應(yīng)力。冷卻后期，由于處于較低的溫度，不能產(chǎn)生明顯的塑性拉長，不能抵消原先被壓縮的數(shù)量值，先冷邊都不能發(fā)生明顯的塑性增長和縮短，因此工件冷卻的最終結(jié)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(jié)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(qiáng)度，減小因自重而產(chǎn)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(yīng)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(jù)測量結(jié)果，及時調(diào)整熱處理工藝和裝爐方式。
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