哈爾濱匯隆汽車箱橋有限公司 （黑龍江 150088） 金榮植

由于齒圈直徑與齒圈寬度（或稱高度）尺寸相差懸殊，在熱處理過程中，經(jīng)常出現(xiàn)內(nèi)孔圓度、端面平面度及錐度畸變超差問題。齒圈的加工工序復(fù)雜，畸變合格率低，加工余量大，廢次品率高，成本高，而且產(chǎn)品精度低，噪聲大，嚴(yán)重影響其使用壽命。為此，本文總結(jié)了冷加工與熱加工配合，優(yōu)化工藝，改進(jìn)裝夾（爐）方式，以及采用先進(jìn)熱處理工藝與裝備等措施。

一、改進(jìn)與優(yōu)化熱處理工藝

1.采取預(yù)處理工藝減小大型滲碳齒圈畸變

大型齒圈φ2180mm×φ1750mm×550mm，材料17CrNiMo6鋼，熱處理畸變要求嚴(yán)格。但經(jīng)過滲碳淬火后，通常齒頂漲大量4～5mm，有時(shí)達(dá)6～7mm。對(duì)此，采用以下控制措施。

（1）預(yù)處理工藝制訂 采用調(diào)質(zhì)工藝，即860℃加熱淬火（比最終淬火溫度高20～30℃），并經(jīng)650℃高溫回火。將其內(nèi)孔直徑漲大量控制在8～10mm。經(jīng)過滲碳降溫空冷，然后進(jìn)行（820±10）℃均溫后，淬入170℃的硝鹽浴中冷卻，再經(jīng)210℃兩次回火，其齒頂圓直徑僅比滲碳淬火前漲大2mm左右，滿足了預(yù)期的漲大量，并且齒圈的圓度、上下錐度等均滿足要求。

（2）工藝要點(diǎn) 嚴(yán)格控制調(diào)質(zhì)時(shí)的淬火溫度，如果溫度太低，則不能很好地起到減少漲大畸變的作用；反之，溫度太高，則滲碳淬火后的齒頂圓尺寸可能產(chǎn)生收縮，因此需要進(jìn)行試驗(yàn)。

2.改進(jìn)熱處理工藝減小三輪車從動(dòng)齒圈熱處理畸變

三輪車變速器從動(dòng)齒圈（見圖1），材料20CrMnTi鋼，熱處理要求：碳氮共滲0.6～1.0mm，齒面與心部硬度分別為58～64HRC和35～48HRC，螺紋孔與單鏈槽位置度公差為0.05mm。

裝爐前用防滲涂料堵塞10個(gè)M8螺紋孔，經(jīng)850～860℃碳氮共滲后，直接淬火、回火。檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，螺紋孔和單鍵槽的位置度超差，防滲涂料不易脫落。其改進(jìn)工藝及效果如下：

（1）改進(jìn)工藝 制齒成形→碳氮共滲后緩冷→車（削）滲層、拉（削）鍵槽、鉆孔、攻螺紋→850～860℃淬火→低溫回火→加蓋（保護(hù)螺紋孔）拋丸處理→磨（削）輻板→檢查。

（2）改進(jìn)效果 經(jīng)檢驗(yàn)，從動(dòng)齒圈熱處理畸變合格率達(dá)95%以上。

圖1 從動(dòng)齒圈示意

3.采用熱處理新工藝及新工裝控制大型齒圈熱處理畸變

礦用軋機(jī)減速器齒圈，外形尺寸為φ1631mm×φ1364mm×300mm，單件質(zhì)量1434kg，法向模數(shù)20mm，齒數(shù)78，材料為20CrNi2MoA鋼，要求滲碳淬火。

（1）修改后齒圈技術(shù)要求 修改后齒圈的技術(shù)要求見表1；滲碳前調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)硬度217～255HBW；有效硬化層深3.90～5.10mm。

表1 修改后齒圈的技術(shù)要求

（2）新工藝 將鍛后正火改為正火+高溫回火。滲碳后增加球化退火工序，保證滲層碳化物顆粒尺寸≤1μm。其球化退火工藝見圖2。圖2a與圖2b工藝所得結(jié)果基本相同。

圖2 20CrNi2MoA鋼齒輪球化退火工藝

新工藝路線：鍛造→正火+高溫回火→粗車→無損探傷→調(diào)質(zhì)→精車、銑齒→滲碳→球化退火→淬火、回火→拋丸清理→精車內(nèi)孔及兩平面→磨內(nèi)孔及兩平面→磨齒→插鍵槽→無損探傷→產(chǎn)品。

工裝設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)上下壓蓋板，控制齒圈畸變，具體見圖3。

圖3 齒圈熱處理夾具示意

（3）檢驗(yàn)結(jié)果 齒圈表面硬度、心部硬度及有效硬化層深度均達(dá)到技術(shù)要求；齒圈表面碳濃度為0.76%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），采用分段球化退火后碳化物顆粒尺寸達(dá)0.5μm；金相組織馬氏體、殘留奧氏體為2級(jí)，碳化物為1級(jí)，心部鐵素體為2級(jí)；力學(xué)性能達(dá)到技術(shù)要求；齒圈畸變檢驗(yàn)，內(nèi)孔圓度0.90mm，齒頂直徑變化量為3.1～4.0mm，公法線變動(dòng)量在0.2～0.6mm，均達(dá)到技術(shù)要求。

4.改進(jìn)熱處理工藝并采取模具矯正方法控制大型超薄齒圈滲碳淬火畸變

大型傳動(dòng)齒輪箱超薄內(nèi)齒圈，外形尺寸φ1120mm×φ944mm×260mm，材料17CrNiMo6鋼，重量550kg，熱處理技術(shù)要求：滲碳淬火有效硬化層深2.40～2.90mm，齒面與心部硬度分別為58～62HRC和30～38HRC，金相組織符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，晶粒度不大于6級(jí)。熱處理后畸變要求：錐度≤1.35mm，圓度≤1.35 mm，公法線變動(dòng)量≤0.7‰，齒頂圓縮小量≤1.5‰。

（1）原加工路線、工藝及齒圈畸變問題 原加工路線：鍛坯粗車→鉆削→插齒→滲碳淬火→噴丸處理→精車→磨齒→成品。原滲碳工藝路線：預(yù)熱650℃×1h→滲碳（930±10）℃×50h→降溫，出爐前保溫830℃×2h→出爐空冷→高溫回火680℃×4h→淬火加熱（820±10）℃×2.5h→硝鹽等溫淬火（160±10）℃→低溫回火（210±20）℃×10h→出爐空冷。齒圈清洗后涂刷防滲涂料，每爐5件，滲碳?xì)夥詹捎眉状?異丙醇富化氣。經(jīng)檢驗(yàn)，其他項(xiàng)均符合技術(shù)要求，但齒圈畸變較大。

（2）改進(jìn)工藝 在齒圈插齒前粗加工后進(jìn)行高溫正火。為減少殘余應(yīng)力及熱應(yīng)力，降低滲碳溫度，前期增加階梯升溫的階段數(shù)。改進(jìn)后增加了在400℃和850℃等溫，適當(dāng)降低淬火溫度。經(jīng)檢驗(yàn)齒圈畸變降低了一個(gè)等級(jí)，但仍偶有畸變超差的情況。其滲碳工藝見圖4。

圖4 大型齒圈滲碳矯正淬火工藝曲線

滲碳矯正淬火工藝及齒圈淬火冷卻采用模具矯正法。齒圈滲碳矯正淬火工藝曲線見圖4。實(shí)行模具矯正淬火，將模具和齒圈一起冷卻，使齒圈在冷卻過程中通過模具得到強(qiáng)制矯正，在隨后的長(zhǎng)時(shí)間回火處理過程，消除了淬火冷卻時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力，穩(wěn)定了齒圈尺寸，防止了畸變的反彈。

5.通過調(diào)整熱處理工藝減小齒圈畸變

TY320、TY220及D65等變速箱中JT001齒圈，外齒直徑318.1mm，內(nèi)齒直徑251.7mm，寬度為51.5mm。材料為42CrMo鋼，調(diào)質(zhì)硬度262～302HBW；滲氮處理后ΔM 要求≤0.10mm。

（1）原熱處理工藝及畸變情況 毛坯正火（880℃×3h）+粗車后調(diào)質(zhì)（鹽浴820℃×0.5h，油淬+回火）+校正+精車后時(shí)效處理（300℃×5h）+插齒+離子滲氮（520℃）后隨爐冷卻。經(jīng)檢驗(yàn)，M值及變動(dòng)量超差，齒圈畸變合格率僅為70%左右。

（2）改進(jìn)工藝及效果 將原來先調(diào)質(zhì)后校正再滲氮改為先校正后調(diào)質(zhì)再滲氮，齒圈畸變合格率達(dá)到98%以上，齒圈ΔM值變動(dòng)量由調(diào)整前的最大0.46mm減小到調(diào)質(zhì)后的0.10mm；時(shí)效溫度由原來300℃提高至560℃，此溫度既保證了加工應(yīng)力的充分釋放，又高于滲氮溫度30～50℃，因而使?jié)B氮齒圈的畸變最小，ΔM值最大值由調(diào)整前的0.22mm減小到調(diào)整后的0.08mm。

6.通過工藝流程調(diào)整解決高頻感應(yīng)淬火40Cr鋼齒圈畸變徑向圓跳動(dòng)超差問題

某齒圈（見圖5）材料為40Cr鋼，技術(shù)要求：調(diào)質(zhì)硬度28～32HRC，齒部高頻感應(yīng)淬火硬度為48～52HRC，齒圈徑向圓跳動(dòng)＜0.048mm。

（1）高頻淬火工藝及齒圈畸變問題 高頻感應(yīng)淬火工藝電參數(shù)，電流頻率250kHz，陽極及柵極電流分別為7～7.5A和1.4～1.7A，加熱時(shí)間30～40s，冷卻水壓力≥0.2MPa。

高頻感應(yīng)淬火時(shí)靠近φ30mm孔的部位冷卻速度快，遠(yuǎn)離φ30mm孔的部位冷卻速度慢，正是這種冷卻速度的不均勻性造成齒圈徑向圓跳動(dòng)超差。

圖5 40Cr鋼齒圈示意

（2）改進(jìn)工藝流程及效果 改進(jìn)工藝流程：鍛造→粗車→調(diào)質(zhì)→精車外圓、內(nèi)孔→滾齒、去毛刺→剃齒、去毛刺→清洗→齒部高頻感應(yīng)淬火→精車兩端面空刀→鉆孔、锪孔角→鉆孔、攻螺紋→拉單鍵槽→去毛刺噴砂處理→清洗入庫。改進(jìn)效果：高頻感應(yīng)淬火后齒圈的徑向圓跳動(dòng)均在公差要求的范圍內(nèi)。

7.采用碳氮共滲工藝減小內(nèi)齒圈淬火畸變

重載自卸車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中內(nèi)齒圈，外形φ444mm×φ372.88mm×140mm，材料20CrMnTi鋼，熱處理技術(shù)要求：表面碳濃度0.8%～1.0%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），共滲層深度1.1～1.5mm，表面與心部硬度分別為58～65HRC和30～45HRC，圓度≤0.5mm。金相組織為馬氏體、殘留奧氏體≤4級(jí)，碳滲氮合物≤5級(jí)。

（1）內(nèi)齒圈加工流程 下料→鍛造→粗加工→預(yù)備熱處理（正火）→機(jī)加工→碳氮共滲→質(zhì)量檢驗(yàn)→噴砂處理→產(chǎn)品檢驗(yàn)→入庫。

（2）熱處理碳氮共滲工藝 采用愛協(xié)林密封箱式多用爐進(jìn)行氣體碳氮共滲，降溫直接淬火（見圖6）。碳氮共滲6h，強(qiáng)滲碳勢(shì)0.95%，擴(kuò)散2h，碳勢(shì)0.65%，降溫0.5h出爐快速淬油冷卻。

圖6 內(nèi)齒圈氣體碳氮共滲工藝

（3）二次加熱淬火工藝 碳氮共滲后緩冷，再二次加熱，內(nèi)撐式壓緊淬火，其工藝如圖7所示，淬火加熱830℃×40min。淬火采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～15%PM淬火冷卻介質(zhì)，轉(zhuǎn)移時(shí)間20s，冷卻時(shí)間10s，出液溫度控制在150～180℃，近似壓淬。使用專用工裝內(nèi)撐內(nèi)孔后回火。

圖7 內(nèi)齒圈二次加熱淬火及回火工藝

（4）工裝及裝爐方式 內(nèi)齒圈的內(nèi)外徑比遠(yuǎn)大于1/2，壁薄，淬火易產(chǎn)生圓度畸變，避免重疊堆放以減少重力影響。齒圈間應(yīng)有合理間距，確保圓周冷卻均勻。

（5）淬火畸變與控制 根據(jù)熱處理漲大量預(yù)留余量；選用二次加熱淬火工藝；采用淬火壓床淬火；淬火后圓度超差件采用專用工裝定型回火。

（6）檢驗(yàn)結(jié)果 表面硬度60～65HRC，心部硬度38～40HRC，馬氏體、殘留奧氏體1級(jí)，碳滲氮合物1級(jí)，外徑圓度0.13～0.30mm，均合格。

8.50Mn2鋼齒圈的中頻感應(yīng)淬火

齒圈尺寸為φ322mm×φ281mm×77mm，材料50Mn2鋼，中頻感應(yīng)淬火技術(shù)要求為：表面硬度為50～55HRC，齒根處淬硬層在1～4mm，相當(dāng)于40HRC。齒圈的周節(jié)累計(jì)誤差＜0.10mm，齒向誤差＜0.055mm，齒形誤差＜0.035mm。

（1）中頻感應(yīng)淬火機(jī)床及感應(yīng)器 中頻淬火機(jī)床額定功率不能小于400kW。感應(yīng)器（見圖8）采用14mm×14mm的純銅方管制作，匝數(shù)為5，感應(yīng)器高度為a，齒圈與感應(yīng)器之間的預(yù)留間隙為b。

圖8 齒圈用感應(yīng)器示意

（2）中頻感應(yīng)加熱淬火規(guī)范 齒圈與感應(yīng)器之間的預(yù)留間隙：考慮到導(dǎo)磁體對(duì)磁場(chǎng)分布的影響因素，將感應(yīng)器的直徑增大為b+2mm。同時(shí)，增加感應(yīng)器的高度為a+3mm。電加熱規(guī)范：最高輸出電壓540V，最高輸出電流430A，頻率8000Hz，齒圈加熱到22s時(shí)被加熱區(qū)域已經(jīng)亮紅，完全達(dá)到了淬火所需溫度。加熱方式采用同時(shí)加熱淬火方式。常用比功率為0.8～1.5kW/cm2。淬火冷卻介質(zhì)：采用好富頓公司的AQ251型淬火冷卻介質(zhì)，配比濃度控制在9%～13%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。

（3）檢驗(yàn)結(jié)果 金相組織、尺寸達(dá)到技術(shù)要求。齒根硬化層深2.5～4.0mm，齒向跳動(dòng)＜0.05mm，齒形跳動(dòng)＜0.04mm，圓周累計(jì)誤差＜0.1mm。

二、采用先進(jìn)工藝及裝備

1.齒圈模壓式感應(yīng)淬火和回火新技術(shù)

（1）最新感應(yīng)加熱模壓淬火技術(shù) 德國(guó)EMA的最新模壓淬火工藝融合了感應(yīng)淬火和壓力淬火工藝的優(yōu)點(diǎn)：熱量在齒輪內(nèi)部直接產(chǎn)生，沒有熱傳導(dǎo)損失，加熱時(shí)間短，節(jié)能；加熱與淬火迅速，過程易于控制，重復(fù)性好；易于形成生產(chǎn)線，效率高；沒有污染；熱處理畸變小，齒輪最終尺寸精度高；硬化層分布均勻。該技術(shù)適合于中碳鋼齒輪的直接壓淬，也適合于滲碳后的齒輪壓淬，包括齒輪（圈）、錐齒輪及同步圈等高精度的環(huán)形零件。

圖9 畸變齒圈模壓式感應(yīng)淬火流程

（2）工藝過程 圖9為熱處理畸變齒圈模壓式感應(yīng)淬火流程。即將畸變齒圈固定到非導(dǎo)磁性的定心和夾持裝置上（步驟1，夾持裝置具有堅(jiān)固的底部壓模和上部壓模）；通過電磁感應(yīng)加熱到約900℃（步驟2，其加熱溫度根據(jù)材料定，可通過紅外測(cè)溫儀監(jiān)測(cè)與控制）；保溫一定時(shí)間后，齒圈達(dá)到相同或均勻的溫度，上下壓模加壓（步驟3）；立即用淬火冷卻介質(zhì)噴淋齒輪（步驟4）；淬火后撤掉壓模裝置，將感應(yīng)器移動(dòng)到齒圈和校正芯模的組合位置（步驟5）；然后對(duì)齒圈進(jìn)行回火加熱（步驟6）；隨著溫度升高，齒圈發(fā)生微量膨脹，產(chǎn)生很小的縫隙（步驟7）；把齒圈從芯模的另一端拔出（步驟8）。校正芯模（采用不銹鋼）可以有效防止齒圈收縮。

（3）工藝參數(shù)和結(jié)果 由表2可見，齒輪畸變較小：同心度＜0.03mm，圓度＜0.03mm，平面度＜0.05mm。

表2 16MnCrS5鋼齒輪壓淬工藝參數(shù)和檢驗(yàn)結(jié)果

2.不對(duì)稱薄壁內(nèi)齒圈化學(xué)熱處理畸變的控制

薄壁齒圈尺寸φ162mm×φ111.4mm×48mm，材料20CrMnTi鋼。技術(shù)要求：碳氮共滲層深0.6～1.0mm，表面與心部硬度分別為58～64HRC和35～48HRC，內(nèi)孔圓度＜0.10mm。

（1）原設(shè)備、工藝及齒圈畸變問題 原熱處理采用連續(xù)式滲碳爐，碳氮共滲工藝：強(qiáng)滲880℃→擴(kuò)散860℃→840℃降溫淬火。由于齒圈結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、壁薄且不對(duì)稱，碳氮共滲淬火后內(nèi)孔圓度≥0.12mm，畸變超差。

（2）改進(jìn)后的熱處理設(shè)備及工藝 設(shè)備改用2-1-1多用爐生產(chǎn)線，該設(shè)備溫度和碳勢(shì)控制均勻而精確。由于滲層越淺，碳勢(shì)越低，畸變?cè)叫?，使?jié)B層精確控制在0.6～0.7mm，金相組織控制在1～2級(jí)。

共滲工藝：強(qiáng)滲860℃→擴(kuò)散860℃→830℃降溫淬火（淬火采用今禹Y35-Ⅰ型等溫分級(jí)淬火油）。經(jīng)檢驗(yàn)，內(nèi)孔圓度控制在＜0.10mm，合格。

3.采用40Cr鋼高頻感應(yīng)淬火方法取代20CrMnTi滲碳淬火減小內(nèi)齒輪畸變

聯(lián)合收割機(jī)內(nèi)齒輪尺寸為φ315mm×φ268.2mm×36mm，材料為20CrMnTi鋼，模數(shù)為4mm，技術(shù)要求為：熱處理后大端面平面度＜0.2mm；內(nèi)孔圓度≤0.3mm；滲碳層深度0.9～1.3mm；齒輪部硬度為59～63HRC。

（1）原工藝過程及齒圈畸變問題 原工藝過程：粗加工→滲碳→精加工→二次加熱淬火。熱處理后內(nèi)孔畸變大，內(nèi)孔圓度在0.35～0.80mm之間，畸變超差。

（2）改進(jìn)工藝及檢驗(yàn)結(jié)果 經(jīng)主機(jī)廠同意改進(jìn)齒輪材料，決定采用40Cr鋼，先進(jìn)行整體調(diào)質(zhì)處理，保證齒輪心部硬度（強(qiáng)度），然后進(jìn)行齒部的高頻感應(yīng)淬火，以保證畸變不超差。新的技術(shù)要求：齒坯調(diào)質(zhì)硬度269～289HBW；齒輪高頻感應(yīng)加熱淬火后淬硬層1～1.5mm；齒面硬度50～54HRC。新工藝過程：齒坯粗加工→調(diào)質(zhì)→精加工→高頻感應(yīng)淬火。檢驗(yàn)結(jié)果：通過冷熱加工多次配合試驗(yàn)，調(diào)整內(nèi)齒輪熱處理前參數(shù)M值，經(jīng)高頻感應(yīng)淬火后達(dá)到技術(shù)要求。采用40Cr鋼進(jìn)行高頻感應(yīng)淬火代替20CrMnTi滲碳淬火也降低了成本，經(jīng)裝車使用效果良好。

三、畸變齒圈的校正方法

齒圈淬火后形成橢圓形的校正方法如下：

（1）橢圓的熱點(diǎn)校正法 熱點(diǎn)校正法是采用在齒圈外圓凸起部位（橢圓形長(zhǎng)軸點(diǎn)）加熱，并立即快冷，通過冷縮作用使凸起部位變小的原理進(jìn)行校正。熱點(diǎn)校正可采用氧乙炔氣或氧丙烷氣火焰加熱校直。

（2）具體操作 具體是在橢圓長(zhǎng)軸外徑對(duì)稱部位熱點(diǎn)兩點(diǎn)，而在橢圓短軸方向的內(nèi)徑對(duì)稱兩端各熱點(diǎn)一點(diǎn)，熱點(diǎn)后應(yīng)立即快冷（如水冷等）。若橢圓度太大，可先采用加熱反擊法進(jìn)行粗略校正，再采用熱點(diǎn)校正法來校正，這樣可收到較滿意的效果。最后進(jìn)行低溫回火170～200℃×1h，并進(jìn)行復(fù)檢。