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大型渗碳齿圈淬火畸变及控制

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人气:-发表时间:2019-01-17 09:37【

大型齿圈结构特点在于其壁薄、径长比(外径/ 齿宽)大,其渗碳淬火畸变大、不规则且难以控制,较大畸变量直接影响产品质量和后序的加工效率,导致后序加工余量不均匀,影响齿面有效硬化层深和齿面硬度,从而降低齿圈的强度、承载能力和疲劳强度,最终降低齿圈的使用寿命。

1零件概况

以某大型薄壁齿圈,材质为20CrMnMo,螺旋角7°右旋,齿面要求硬度58~62 HRC,心部要求硬度30~42 HRC,工艺有效硬化层深3.3~3.8 mm,椭圆度要求< 3 mm,成品示意简图见图1。图1所示齿圈,渗碳后直径缩小1~3mm,采用硝盐淬火后直径涨大5~7mm,即涨大0.18%一0.25%D。对于齿圈而言,畸变分两种类型:一种为规律性的整体涨大缩小量,一般通过对齿顶圆及滚齿留磨量控制来保证成品齿部精度;二种为无规律性畸变,即椭圆 、翘曲、锥度等,该类畸变影响因素较多,材料均匀性锻造、机加工残余应力、结构、装架方式、渗碳淬火工艺等均会导致畸变。若残余机加工应力未彻底消除,后续热处理中齿圈将发生与残余应力成正比的畸变。齿圈径长比越大,渗碳收缩量越大,淬火涨大量越大;齿宽越大,产生锥度越大;当结构对称且简单、径长比小,壁厚/齿宽值大时,渗碳淬火畸变较小。

齿圈渗碳

2畸变控制

2.1机加工设计

该齿圈工艺路线:锻造一锻后正、回火一粗车一调质预处理一半精车一人工时效一滚齿一渗碳淬火、回火一抛丸一精车一人工时效一精车一磨齿一成品。

考虑淬火将导致外圆涨大以及螺旋角变大,因此工艺设计通过减小半精车齿顶圆以及滚齿螺旋角来保证硝盐淬火后齿圈齿顶圆、公法线及齿形齿向符合图纸要求。样本齿圈成品内孔有凸台,其结构不对称、厚薄悬殊大等对热处理畸变有负面影响,因此机加工设计将内孔台阶留至精车加工,如图2所示。

齿圈渗碳

2.2预处理

预处理若采用正火加高温回火,热处理后组织为珠光体加铁素体,甚至产生非平衡组织贝氏体,由于空气冷却不均匀,正火组织均匀性较差。由于油介质冷却均匀性及速度均优于空气,调质将获得均匀的回火索氏体组织,可以改善或消除锻造产生的原始组织不均匀性,使齿圈力学性能均匀性提高。锻后正火热处理可以改善锻造组织,细化品粒,调质预处理将均匀组织、减小后续热处理畸变,两者结合对于改善渗碳淬火组织及畸变十分有效。

齿圈渗碳

2.3渗碳装炉

渗碳齿圈叠加,相当于增加齿宽,使径长比减小,有利于减小翘曲、椭圆畸变,其装炉方式如图3 所示。渗碳后冷却时,叠加齿圈上下端面冷却相对较快,其收缩量相对较大,产生腰鼓形特征。由于降温至650 °C之前在炉内冷却,冷却均匀,齿圈在刚性较差的高温区产生的椭圆、翘曲畸变较小,所以仅产生腰鼓形特性,如图4所示。

齿圈渗碳

2.4渗碳工艺

工艺路线采用重新加热淬火,重新加热可防止20CrMnMo长时间渗碳产生的晶粒粗化问题,同时可通过对渗碳后畸变测量、校正以及组织检测来调整淬火工艺。渗碳升温越快,产生热应力越大,与残余机加工应力叠加,将产生较大畸变,因此必须阶梯升温。渗碳必须低温出炉,若760°C出炉,渗层将产生不均匀相变将在次表面产生淬火马氏体组织,比容增大,表面受拉应力,尤其在冬日,20CrMnMo钢工件置人缓冷坑时,产生裂纹几率大增,而且淬火马氏体组织将使渗碳畸变增加。渗碳后期650°C保温将使表面获得均匀的共析组织,消除应力,为淬火做准备。

齿圈渗碳

2.5渗碳后校正

对于硝盐介质而言,渗碳畸变量与淬火畸变量间存在一定比例关系,一般淬火椭圆畸变量在渗碳畸变基础上增加30%一50%,一定意义上控制渗碳畸变即可有效控制淬火后畸变,因此控制渗碳畸变或者说控制淬火前畸变成为关键节点。若渗碳后检测发现椭圆大则需进行校正。校正采用千斤顶对整体加热齿圈椭圆短轴热顶,若齿圈加热温度低,如 280°C,此时齿圈强度高,且低温时弹性区大,发生塑性变形难度大,随着温度升高,弹性区将减小,校正难度降低;若加热温度太高则操作困难,实践证明加热至550°C校正效果较好,弹性区大幅降低,低应力即可产生塑性变形。实践证明渗碳后校正加去应力处理,淬火后畸变不会反弹,通过渗碳后校正有效解决淬火畸变累积问题。

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