薄壁齿轮渗碳淬火变形的控制 / 四六文摘

作者：李小末，朱百智

单位：南京高速齿轮制造有限公司

来源：《金属加工（热加工）》杂志

薄壁齿轮在渗碳淬火过程中，通常会出现平面翘曲、椭圆变形，磨齿时由于齿面余量分配不均，导致齿面黑皮及磨削台阶；造成左右齿面硬化层不均、表面硬度下降，严重时导致齿轮报废。为了解决这一问题，本文设计了水平装炉与悬挂装炉两种方式，下文对渗碳淬火过程及变形数据进行了详述。

1.工艺方法和过程

（1）齿轮参数某齿轮产品参数如表1所示，简图如图1所示。

表1 齿轮参数

Mn	Z	α	β	齿顶圆/mm	齿宽/mm	层深/mm	硬度HRC	齿轮精度/级	材质
4	138	20°	23°4′26″	608	80	0.9～1.2	58～62	6	20CrMnMo

图1 齿轮简图

（2）热处理装炉方式

装炉方式一：水平放置，如图2所示。

图2 水平放置示意

装炉方式二：垂直悬挂放置，如图3、图4所示。

图3 垂直悬挂示意

图4 其他炉次垂直悬挂实物

（3）热处理工艺曲线

如图5所示，设备使用AICHELIN 5/2A 箱式炉。

图5 热处理工艺曲线

3.结果与分析

（1）金相、硬度梯度、表面硬度均合格

金相组织形态按照JB/T6141.3及GB/T3480.5 进行判断如表 2所示。

表2 金相组织

K/级	Ar（%）	M/级	IGO/μm	F/级
2	15～20	2	18	3

（2）硬度梯度

如图6所示，层深DC=1.219mm/HV550。

图6 硬度梯度

（3）变形数据及磨齿情况

齿轮变形数据如表3所示。

表3 水平与悬挂放置渗碳淬火后节圆、端面跳动对比

	件号	位置	0°	90°	180°	270°	总跳动
水平放置	件1	节圆/mm	0.74	0.61	0.61	0.43	0.31
	件1	端面/mm	0	1.15	0.47	1.3	1.3
	件2	节圆/mm	0.86	0.55	0.86	0.92	0.37
	件2	端面/mm	1	1.35	1.82	1.36	0.82
悬挂放置	件1	节圆/mm	0	0.01	0	0.02	0.02
	件1	端面/mm	0	0.03	0.03	0.07	0.07
	件2	节圆/mm	0	-0.01	-0.01	0.05	0.06
	件2	端面/mm	0.01	-0.04	-0.04	0.18	0.22

水平放置零件由于翘曲变形，齿形、齿向、节圆跳动过大，引起磨齿余量分配出现负值，磨削后部分齿面留有黑皮，部分齿面磨削台阶十分明显，最终报废；悬挂放置齿轮变形小，磨齿余量分配均匀，磨削后无黑皮，无台阶。

（4）结果分析

水平放置由于齿轮边缘悬空，渗碳过程轮缘自重引起蠕变，淬火瞬时，触油截面积大，且下端面较上端面先入油；由于瞬时两端面热应力及相变应力不平衡，导致上端面凸起，齿轮翘曲过大；反观悬挂放置，渗碳也存在高温蠕变，但齿轮轮缘不承受较大弯矩，同时淬火时两个端面平行入油，入油截面小，相变应力及热应力平衡对称，齿轮端面跳动及节圆跳动小于水平放置。

4.应用扩展

根据上述齿轮变形的原因分析，对于直径1140mm的齿轮也进行了悬挂装炉，也取得了十分良好的效果，齿轮参数如表4所示，装炉如图7所示，变形数据如表5所示。

表4 齿轮参数

Mn	Z	α	β	齿顶圆/mm	齿宽/mm	层深/mm	硬度HRC	齿轮精度/级	材质
8	137	20°	12°	1140	120	1.6～2.0	58～62	6	20CrMnMO

图7 装炉图片

表5 4件齿轮端面、节圆跳动数据

件号	位置	0°	90°	180°	270°	总变形
件1	节圆/mm	0.53	0.51	0.55	0.5	0.05
件1	端面/mm	0.45	0.3	0.6	0.5	0.3
件2	节圆/mm	1	1	1.07	1	0.07
件2	端面/mm	—	—	—	—	0.4
件3	节圆/mm	0.9	0.92	0.97	0.92	0.07
件3	端面/mm	0.58	0.8	0.7	0.9	0.32
件4	节圆/mm	0.25	0.22	0.23	0.28	0.06
件4	端面/mm	0.7	0.6	0.35	0.4	0.35

5.结语

（1）对于Φ600mm×80mm的薄壁齿轮通过悬挂装炉使得渗碳淬火齿轮节圆跳动从平均0.34mm减小至0.04mm；端面平均跳动从1.06mm减小至0.15mm。

（2）对于Φ1140mm×120mm的薄壁齿轮通过悬挂装炉使得渗碳淬火齿轮节圆跳动控制在0.07mm以内；端面跳动控制在0.40mm以下。

薄壁齿轮渗碳淬火变形的控制

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