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對20Cr2Ni4、20CrNi2Mo、18CrNiMo7-6 3種滲碳鋼成分及淬透性進行了測試及試驗比較，隨后對這3種滲碳鋼制作的大型盤齒輪從原材料、設(shè)計、鍛造預(yù)備熱處理、去應(yīng)力退火、滲碳工藝等進行了優(yōu)化控制，對不同材料的重載齒輪滲碳淬火前后尺寸精度進行了檢測對比分析。結(jié)果表明:3種滲碳鋼淬透性均較高，從高到低順序為20Cr2Ni4、18CrNiMo7-6、20CrNi2Mo;3種滲碳鋼制造的重載齒輪滲碳淬火后最大變形量為0.182~0.219 mm，齒輪熱處理后精度等級為10~11級;試驗結(jié)果說明了3種滲碳鋼制作的不同材料的同一結(jié)構(gòu)尺寸的大型重載盤齒輪滲碳淬火畸變區(qū)別不大，齒輪畸變控制均取得了理想的效果。
齒輪滲碳可得到高的表面硬度、韌性、良好的心部組織以及有利的殘余壓應(yīng)力，具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，已成為齒輪的主流熱處理工藝。機車用重載齒輪大都要求承載能力大、使用壽命長、可靠性高等，因而大都采用滲碳淬火處理。但是由于重載齒輪滲層要求深，滲碳淬火工藝周期長，幾何尺寸較大等造成熱處理畸變較大、較難控制等一系列問題。文獻指出，熱處理畸變會使齒輪零件前期加工獲得的精度受到嚴重損失，這些損失有時甚至通過復(fù)雜、先進的精密加工(磨齒、校直等)也難以恢復(fù)。對于滲碳淬火的大型齒輪，其較大熱處理畸變使磨削量增加、成本提高，據(jù)文獻，消耗在校直工序和特殊工裝的成本往往達到熱處理成本的20%～25%。德國工業(yè)聯(lián)合會(VDMA)的調(diào)查，僅1995年，在德國的動力傳動制造領(lǐng)域，由于消除畸變而增加的成本就高達815億歐元。另一方面，齒輪畸變大也帶來了硬化層的均勻性變差，降低承載能力，最終使齒輪壽命大大下降。因此研究機車常用齒輪畸變成因及影響因素，并提出減小畸變的措施便成為提高產(chǎn)品質(zhì)量、延長使用壽命及提高經(jīng)濟效益的重要課題。
1、重載大齒輪基本參數(shù)及技術(shù)要求
齒輪直徑大于1m，徑寬比(齒頂圓直徑數(shù)值/齒寬高度數(shù)值)至少7以上，滲碳淬火有效硬化層深1.6～2.2 mm，心部硬度30～45HＲC，顯微組織檢測參照TB/T 2254—1991《機車牽引用滲碳硬齒輪金相檢驗標準》，具體要求為內(nèi)氧化1～4級，碳化物1～5級，馬氏體1～4級，殘留奧氏體1～4級，芯部組織2～6級。滲碳淬火后磨削量不超過0.35mm，齒輪熱處理后精度不低于12級。
2、試驗設(shè)備及試驗方法
3種材料淬透性試驗根據(jù)GB/T 225—2006《鋼淬透性的末端淬火試驗方法》進行端淬試驗，端淬試驗熱處理規(guī)范為920℃×0.5h水冷，滲碳淬火試驗在WBES-120型的井式爐內(nèi)進行，端淬硬度檢測在型號HR-150A，載荷為150kg的洛氏硬度計上逐一檢測，齒輪滲碳淬火前、后的精度檢測在格林貝格齒輪精度檢測儀上進行，對齒形誤差、齒向誤差及精度等級進行檢測，對滲碳淬火后變形趨勢進行分析。隨爐金相試樣規(guī)格為Φ30mm×60 mm。
試驗用鋼的化學(xué)成分見表1，齒輪結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。
表1試驗鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)
圖1三種滲碳鋼盤齒輪結(jié)構(gòu)簡圖
3、重載齒輪基本參數(shù)及工藝路線
重載齒輪結(jié)構(gòu)尺寸及主要參數(shù):直徑Φ1080mm，高度140mm，齒輪模數(shù)9，壓力角25°。重載齒輪加工技術(shù)路線:下料-鍛造-粗車-高溫正火+高溫回火-半精車-去應(yīng)力退火-齒輪精加工-滲碳淬火-回火-清洗-檢測分析。齒輪滲碳時，強滲階段時間9h，碳勢為1.2%，擴散階段時間7h，碳勢為0.7%。圖2是重載盤形齒輪具體的滲碳淬火工藝，齒輪的回火工藝是160℃×6h。
圖2重載盤形齒輪滲碳淬火工藝
4、優(yōu)化控制和減少重載齒輪熱處理畸變的工藝技術(shù)
齒輪熱處理畸變主要由齒輪在機加工時產(chǎn)生的殘余應(yīng)力、熱處理過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力以及齒輪自重變形等共同作用產(chǎn)生。影響齒輪滲碳淬火變形的因素很多，包括齒輪的幾何形狀、原材料及冶金質(zhì)量、鍛造和機加工的殘余應(yīng)力、熱處理工藝和裝爐方式等。
優(yōu)化齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計：齒輪的結(jié)構(gòu)(形狀、尺寸)是影響畸變大小的主要因素之一。文獻指出畸變量與齒輪的模數(shù)有關(guān)，而截面尺寸和幾何形狀的變化對畸變量的影響也很大。文獻指出橫截面厚度相差越大的端面畸變量越大。齒輪零件的幾何形狀對某些特定的熱后畸變會產(chǎn)生決定性的影響。斷面尺寸是否均勻?qū)ΨQ以及內(nèi)孔與外徑之間的尺寸比例都對應(yīng)力的性質(zhì)、大小及分布產(chǎn)生影響。一般來說，形狀簡單、對稱性強、直徑不大和各部分厚薄較均勻的齒輪熱處理畸變較小;反之，形狀復(fù)雜、不對稱、外徑大和厚薄相差大的齒輪熱處理畸變就較大。試驗齒輪采用上下均勻，結(jié)構(gòu)簡單的結(jié)構(gòu)設(shè)計，這樣整體上會應(yīng)力分布均衡，有利于畸變控制。
嚴格控制原材料質(zhì)量：齒輪原材料的純凈性、均勻性、淬透性三者是影響滲碳淬火齒輪畸變的主要材料因素。純凈性是指鋼的成分符合標準或設(shè)計要求時，鋼中雜質(zhì)含量的多少。均勻性包括成分、組織和缺陷分布的均勻性?；瘜W(xué)成分分布不均便產(chǎn)生偏析，滲碳淬火后偏析部分的組織和應(yīng)力與別處不一樣，這樣產(chǎn)生額外的畸變就不可避免。帶狀組織也是組織不均勻的一種表現(xiàn)，常常引起畸變增大。材料的淬透性包括兩個方面:一是淬透性的高低，二是淬透性值分布帶的寬窄。因此要減小齒輪熱處理畸變波動，必須控制原材料淬透性帶寬，使每批進廠鋼材的淬透性盡可能接近。文獻認為淬透性是解決齒輪畸變問題的關(guān)鍵。
實際試驗按軌道交通齒輪原材料采購技術(shù)條件企業(yè)標準嚴格控制原材料質(zhì)量，帶狀組織不超過2級，淬透性帶不超過6HRC，氧含量控制在1.5×10-5以內(nèi)，氫含量控制在1×10-6以內(nèi)，保證了原材料的純凈度及均勻度。這對重載大齒輪的熱處理畸變控制從原材料上進行了最大限度保障。
優(yōu)化加熱升溫過程：當(dāng)齒輪內(nèi)部存在較大的機加工殘余應(yīng)力時，升溫速度對變形影響更大。齒輪快速加熱會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，與齒輪內(nèi)部殘余應(yīng)力和相變組織應(yīng)力相互作用，如應(yīng)力方向一致，產(chǎn)生迭加或合成的應(yīng)力很容易使零件在高溫狀態(tài)下產(chǎn)生變形。試驗過程采用逐步緩慢加熱升溫，并在650℃及850℃保溫2h再直接加熱升溫到920℃進行滲碳，有利于重載大齒輪加熱過程溫度均勻性，減少了急劇加熱升溫產(chǎn)生的熱應(yīng)力，有利于減少熱應(yīng)力帶來的變形。
優(yōu)化滲碳工藝：由于滲碳齒輪的表面碳濃度和滲層深度會對滲層組織的膨脹系數(shù)產(chǎn)生影響，滲碳后若表面形成不良碳化物分布，將增加齒形、齒向及花鍵孔的畸變，因此必須控制滲碳時碳勢，以防止表面碳濃度過高。滲碳層深度越厚，淬火組織應(yīng)力越大使畸變加大，因此將滲碳層深度控制在技術(shù)要求的合理范圍是必要的，而且也是可能的。此外，氣體滲碳時，為了防止表面過渡滲碳，在滲碳后期安排適當(dāng)?shù)臄U散階段，是比較好的熱處理工藝操作。通過優(yōu)化滲碳工藝，在保證滲碳層深度前提下采用較短工藝時間，并使用較低的碳勢，保證了齒輪表面碳濃度較低，實際控制在0.7%，一方面可極大減少滲碳淬火后殘留奧氏體含量，有利于齒輪后續(xù)加工過程組織穩(wěn)定性，從而有助于控制和減少齒輪的畸變。
優(yōu)化淬火冷卻，采用合理的淬火冷卻介質(zhì)：試驗采用硝鹽分級淬火，主要考慮到硝鹽在高溫區(qū)冷卻速度快，低溫區(qū)冷卻速度慢。試驗用0.6%含水量硝鹽，保證硝鹽淬火烈度不會太大，不會造成齒輪極大的淬火內(nèi)應(yīng)力。齒輪在滲碳后直接采用硝鹽進行分級淬火時，心部先發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，形成低碳馬氏體組織，在隨后的繼續(xù)冷卻過程中，齒輪表面的高碳層再進行轉(zhuǎn)變形成高碳馬氏體。
優(yōu)化工裝及裝爐：齒輪滲碳時的裝爐方式對畸變也會產(chǎn)生很大的影響，文獻認為在滲碳淬火時，薄盤類齒輪采用懸掛裝爐比平放裝爐畸變要小得多。而文獻認為平放裝爐變形小且穩(wěn)定性好。事實上裝爐方式要根據(jù)實際情況而定。試驗用工裝采用優(yōu)質(zhì)耐熱鋼制作，裝夾齒輪的底盤表面進行精加工，墊塊采用與齒輪同材料，墊塊高度控制在(170.00±0.02)mm，大齒輪采用平放裝爐方式保證了齒輪上下受力一致及上下裝夾均勻和平穩(wěn)性，有助于在隨后加熱過程受熱均勻，在淬火冷卻過程中冷卻均勻和一致，這樣有助于控制和減少齒輪熱處理畸變。
優(yōu)化機加工，進行齒輪去應(yīng)力退火處理減少齒輪內(nèi)部應(yīng)力：齒輪在加工過程中，由于機加工進給量、齒輪各部位加工余量及加工差異，可導(dǎo)致齒輪各部位應(yīng)力性質(zhì)不同和應(yīng)力分布不均衡，致使零件在淬火時發(fā)生畸變。試驗中合理地安排機加工工序，控制齒輪加工量盡量均勻一致，在齒輪半精加工后進行一道去應(yīng)力回火工序，磨齒后再進行一次低溫回火，盡可能消除和減少齒輪內(nèi)部應(yīng)力，有助于控制和減少齒輪后續(xù)畸變。
5、試驗結(jié)果及分析
淬透性結(jié)果：3種材料的端淬曲線如圖3所示，可以看出:3種材料都具有較高的淬透性，但還有較大差別，淬透性從高到低順序依次為20Cr2Ni4鋼、18CrNiMo7-6鋼和20CrNi2Mo鋼。
圖3 3種滲碳鋼的淬透性曲線
滲碳淬火后顯微組織結(jié)果：3種滲碳鋼齒輪隨爐金相試樣滲碳淬火后的顯微組織及硬化層深度檢測結(jié)果見表2和圖4，均符合技術(shù)要求。
表2 3種滲碳鋼齒輪滲碳淬火金相檢驗結(jié)果
圖4 3種滲碳鋼滲碳淬火后的表面組織
3種滲碳鋼齒輪滲碳淬火變形試驗結(jié)果：表3是20Cr2Ni4、20CrNi2Mo、18CrNiMo7-6 3種材料的盤齒輪在熱處理前后的檢測結(jié)果，從表3里可看出齒輪熱處理后最大單邊磨量控制在0.09～0.110mm，兩邊總磨量控制在0.182～0.219 mm，小于技術(shù)要求的0.35mm的磨量，熱處理后齒輪精度等級為10～11級，小于12級，有效控制了滲碳淬火畸變。
表3 3種材料滲碳淬火盤齒輪熱處理前后結(jié)果
注:試驗齒輪參數(shù):m是齒輪模數(shù)，F(xiàn)α是齒輪壓力角，B是齒寬，Z是齒數(shù)，D是齒頂圓直徑，徑寬比是齒輪的齒頂圓與齒寬數(shù)值之比。L表示左齒面，Ｒ表示右齒面。
結(jié)論
1)從淬透性曲線可得出，3種材料都具有較高的淬透性，從高到低順序依次為20Cr2Ni4、18CrNiMo7-6、20CrNi2Mo。
2)3種材料的重載盤形齒輪滲碳淬火后的硬化層深度、心部硬度及顯微組織均滿足技術(shù)要求。
3)3種材料的盤形齒輪滲碳淬火后磨削量控制在0.182～0.219mm，熱處理后精度等級控制在10～11級。符合齒輪滲碳淬火后磨削量不超過0.35mm，齒輪熱處理后精度不低于12級的要求。3種滲碳鋼制作的大型盤齒輪整體變形都較小，差異不大，說明了不同材料的同一結(jié)構(gòu)尺寸的大型重載盤齒輪滲碳淬火畸變區(qū)別不大，且均取得了理想的效果。
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來源：金屬熱處理
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