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    减小薄壁类齿轮淬火变形的一种措施

    目录:感应淬火发布时间:2020-07-27 发布来源:龙八国际(龙八国际官方网站)

    薄壁类零件淬火变形是热处理生产过程中的一大难题。对16Cr3NiWMoVNbE材料高精度齿轮两次渗碳后淬火过程中,通过采用撑规淬火的方法,有效解决了零件淬火变形问题,得到了较好的效果。

     

    16Cr3NiWMoVNbE是一种多元素复合合金化的结构钢,是我国近年来研制出的新型航空发动机齿轮材料。16Cr3NiWMoVNbE钢是为航空发动机齿轮部件制作而开发、研究的钢种。其强度高、塑韧性良好,并具有较高的热强性、淬透性、渗碳性和热加工性,从而具有良好的综合使用性能和加工性能,完全满足了航空事业对高性能材料的要求。

    我公司为某科研所协作的主动锥齿轮,属薄壁类齿轮零件,热处理生产的最大难点是:零件热处理渗碳后,在最终淬火过程中极易因为内孔花键变形超差而造成废品。主动锥齿轮零件形状及尺寸。

    齿轮淬火

    1. 主动锥齿轮最终热处理要求

    (1)渗碳层要求 齿轮轮齿渗碳层深度0.8~1.0mm,渗碳后变形要求磨光档跳动≤0.04mm,内孔圆度≤0.04mm;花键渗碳层深度0.15~0.35mm,渗碳后变形要求磨光档跳动≤0.04mm,内孔圆度≤0.04mm,花键精度:M值=90.78+0.103+0m m,M值变动量≤0.04mm。

    (2)硬度要求 渗碳+高回后硬度≤35HRC;淬火后渗碳表面硬度60~65HRC,非渗碳区硬度35~45HRC。

    (3)热处理后最终变形要求 磨光档跳动≤0.05mm,内孔圆度≤0.05mm。花键精度:M值=90.78+0.103+0m m,M值变动量≤0.04mm。

     

    2. 主动锥齿轮加工路线

    毛坯正火+高温回火→毛坯粗加工→调质处理→半精加工→去应力退火→精加工→齿轮轮齿渗碳+高温回火→精加工→花键渗碳+高温回火→精加工→淬火+冷处理+低回+喷砂→精磨→低温去应力回火→精磨。

    3. 主动锥齿轮热处理各工序目的及工艺

    (1)正火+高温回火处理 锻造毛坯消除锻造应力、均匀组织、细化晶粒,降低硬度以便于切削加工。

    正火:零件加热到940℃,保温5h出炉空冷至室温。

    高温回火:零件加热到680℃,保温5h随炉缓冷至500℃以下出炉空冷。

    (2)调质处理 进一步均匀组织、细化晶粒,为零件的进一步热处理进行组织准备,减小零件渗碳、淬火后的变形。

    淬火:将零件加热到920℃保温40min出炉油冷,油温50~60℃。

    高温回火:零件加热到680℃,保温3h随炉缓冷至350℃以下出炉空冷。

    (3)去应力退火 消除零件在加工过程中由于切削等机械加工造成的应力,进一步减小零件渗碳、淬火后的变形。将零件加热到650℃,保温5h随炉缓冷至200℃以下出炉空冷。

    (4)渗碳处理 为保证齿轮接触表面有足够的强度和硬度,同时零件心部由足够的塑形和韧性。

    该齿轮轮齿由于有二次渗碳,故第一次渗碳层深度设定为0.8~0.95mm,在多用炉910℃渗碳。

    真空炉进行高温回火:零件加热到680℃,保温5h随炉缓冷至200℃以下出炉空冷,渗碳高温回火后硬度≤35HRC。

    (5)二次渗碳 由于零件的特殊要求,齿部一次渗碳后,对后续加工的内花键进行的渗碳处理。

    花键渗碳层深度0.1 5~0.35mm,在多用炉910℃渗碳。

    高温回火:零件加热到680℃,保温5h随炉缓冷至200℃以下出炉空冷,渗碳高温回火后硬度≤35HRC。

    (6)淬火处理 齿轮类零件的最终热处理,通过淬火处理使得齿轮表面得到高硬度、高强度和高的耐磨性。

    先将零件加热到550℃,保温30min进行预热,然后再继续加热到920℃保温40min出炉油冷,油温60~70℃。

    (7)冷处理 是零件淬火处理的延伸过程,通过冷处理使零件内部残留奥氏体进一步转变成马氏体组织,从而保证零件内部组织的均匀性,并对稳定零件尺寸有极大的帮助。

    将零件在冰冷机中冷到-80~-75℃,保温1.5h出炉空冷。

    (8)低温回火 减小或消除淬火钢件中的内应力,保持淬火工件高的硬度和耐磨性,降低淬火残留应力和脆性。将零件加热到250℃,保温5h出炉空冷。

    4. 热处理变形原因及解决措施

    (1)变形情况 主动锥齿轮经过热处理各工序后,发现第一次渗碳和第二次渗碳时用专用工装装炉渗碳后,热处理变形不大,变形量在要求范围内。主要变形产生在渗碳后的淬火工序,淬火后变形量超差。

    (2)检测 零件渗碳淬火后(再经过清洗、冷处理、回火、喷砂等热处理工序后)检测记录见表1。从表1得到渗碳淬火后变形量数据如下:

    磨光档跳动0.05~0.10mm,内孔圆度≤0.10~0.15mm。

    花键精度:M值=90.63~90.79mm,M值变动量0.10~0.15mm。

    变形规律是内孔花键不均匀的缩孔(≤0.15mm),并且内孔花键呈现0.08~0.12mm锥度。

    (3)变形原因分析 16Cr3NiWMoVNbE钢主动锥齿轮,因材料本身的要求渗碳后的淬火温度较高900~920℃,淬火时热应力较大,再加上是薄壁类零件,内孔花键壁薄(≤5mm)且结构复杂不对称,易造成淬火变形超差。

    (4)针对变形问题解决措施 渗碳后淬火时内孔花键加撑规油冷,可以解决变形问题。内孔花键撑规形状及尺寸见图2,盐浴炉淬火专用工装形状及尺寸见图3。

     

    5. 主动锥齿轮内孔花键加撑规淬火后的变形

    先将主动锥齿轮零件放在淬火专用工装上,在预热炉内,加热到550℃,保温30min预热,然后再放入盐浴炉继续加热到920℃(因为零件在保温出炉后油冷前内孔花键要放入内孔花键撑规,所以加热温度选取上限920℃),保温40min出炉,快速放入内孔花键撑规后油冷(好富顿G油)30min,淬火前油温60~70℃。

    零件加撑规淬火后(再经过清洗、冷处理、回火、喷砂等热处理工序后)检测记录见表2。

    从检测记录表2数据可以看出,主动锥齿轮经过加撑规淬火后,淬火变形超差问题得到了解决。变形量符合零件最终变形要求(磨光档跳动≤0.05mm,内孔圆度≤0.05mm。花键精度:M值=90.78+0.103+0m m,M值变动量≤0.04mm。)

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