張榮扣，李衛(wèi)民，龔仁春，于榮波

（1.國匯機械制造泰州有限公司；2.泰州職業(yè)技術(shù)學院；3.江蘇飛船股份有限公司，江蘇 泰州 225300）

1 問題的提出

齒輪的熱處理變形主要是由熱處理應力造成的。凡是牽涉到熱處理過程，都可能造成齒輪的變形，其中最終熱處理對齒輪變形的影響最大。20CrMnTiH鋼螺傘齒輪對熱處理質(zhì)量和尺寸要求很高，針對螺傘齒輪呈變形超差問題，為了能從根本上找到原因，對模數(shù)為3.6583的螺傘齒輪的生產(chǎn)全過程進行了跟蹤，因主動齒的齒數(shù)為8，齒數(shù)較少，且在配對時以被動齒為主，所以重點針對被動齒的生產(chǎn)工藝（被動齒的生產(chǎn)工藝為：下料—鍛造—調(diào)質(zhì)—機加工—碳氮共滲—清洗—回火—噴丸—磨內(nèi)孔—配對研磨—入庫），從原材料著手，進行分析，找出可能引起變形的因素以及解決的方法。

2 生產(chǎn)工藝分析

2.1 原材料

原材料成分為C 0.214,Si 0.244,Mn 0.932,P 0.018,S 0.018,Cr 1.114,Ti 0.05。該成分與國標規(guī)定的成分相比較，符合要求。說明螺傘齒輪原材料沒有問題，可以排除成分方面的問題。圖1所示為20CrMnTiH螺傘齒輪原材料等軸晶粒帶狀組織圖。采用鋸床下料，尺寸為?70×106，共跟蹤630只。放大100倍后檢測，發(fā)現(xiàn)了等軸晶粒帶狀組織，晶粒大小分布均勻[1]。

圖1 等軸晶粒帶狀組織100×

2.2 鍛造工序

毛坯采用煤爐加熱鍛造，現(xiàn)場隨機抽樣八只，用誤差為±15℃的光電測溫儀測量始鍛溫度，在630只中隨機抽了兩只，一只始鍛溫度為1280℃（圖2所示為1280℃鍛件金相組織），另一只始鍛溫度為1180℃（圖3所示為1180℃鍛件金相組織）。鋼的顯微組織（100×）檢驗：基體組織為F+P呈網(wǎng)狀分布，晶粒大小分布不均勻。

圖2 1280℃鍛件金相組織400×

圖3 1180℃鍛件金相組織400×

2.3 預先熱處理

預先熱處理采用兩種工藝的預先熱處理，一部分進行調(diào)質(zhì)處理，另一部分進行正火處理，比較兩種預先熱處理工藝的作用以及對最終熱處理的影響。

（1）調(diào)質(zhì)。加熱設(shè)備：RJJ-75-9T井式爐；裝爐方式：采用圓形料筐整齊堆放，每筐（6×13只）80只左右；32℃水淬:830±5℃加熱，保溫3h；高溫回火：720±5℃加熱，保溫3h，660±5℃出爐冷卻。圖4所示為調(diào)質(zhì)處理后的回火索氏體組織[2]。

圖4 回火索氏體 400×

（2）正火。加熱設(shè)備：65KW臺車爐RF3-65-10；加熱溫度：920℃；保溫時間：3個小時；裝爐量及方式：整齊堆放共135只；冷卻方式：散開空冷（有部分堆在一起）。圖5所示為正火處理后的鐵素體+珠光體組織，組織分別比較均勻。

圖5 組織為分布較均勻的鐵素體+珠光體400×

兩種預先熱處理工藝都能細化晶粒，改善切削加工性。但正火與調(diào)質(zhì)相比，大大降低了成本，只是對場地有較高的要求，要求有足夠大的場地，便于散開空冷，這樣才能冷卻均勻，達到一定的冷速要求。

2.4 最終熱處理

加熱設(shè)備：Lsx-15連續(xù)爐。

圖6 最終熱處理工藝

工藝參數(shù)：脫脂溫度484℃，透燒溫度840℃，高溫均熱860℃，滲碳880℃，碳勢1.18～1.20。擴散870℃，碳勢0.95。低溫均熱800℃，碳勢0.85。每節(jié)拍均為25分鐘。淬火油溫60℃，時間5分鐘。清洗液溫度75℃，時間5分鐘?；鼗饻囟?90℃，時間25分鐘。

裝爐方式：長方體料筐，每筐分為兩排，每排放21只，一只料筐放42只，兩只料筐疊起來放。

淬火后檢查平面度結(jié)果：在標準平面上，把齒面放到平面上，用塞尺去測，若0.08mm的塞尺塞不過則為合格，若能通過，而0.1mm的不能通過則為待用，若0.1mm的能通過，則需上淬火壓床重新淬火。正火的齒坯共135只，不合格5只，合格率為96.3%。調(diào)質(zhì)的齒坯共168只，不合格3只，合格率為98.2%。

金相檢驗：隨爐放進了四個試樣，兩個為經(jīng)過正火處理的，另兩個為調(diào)質(zhì)處理的，且放在相鄰的料筐里，第一只料筐里放置了一只正火的樣和一只調(diào)質(zhì)的樣，第二只料筐里放了另外的兩個樣。主要是比較不同料筐的熱處理工藝參數(shù)是否一致，以及不同的預先熱處理工藝對最終熱處理組織的影響[3]。

經(jīng)比較，調(diào)質(zhì)相鄰兩只料筐的樣品的滲層深度和組織都滿足檢驗要求。但正火處理的樣品有一只料筐中出現(xiàn)了先共析鐵素體，有可能是在兩相區(qū)冷速過慢。

3 螺傘齒輪生產(chǎn)工藝改進

3.1 鍛造溫度的控制

鍛造溫度的高低對齒輪生產(chǎn)影響不大，但是溫度過高會產(chǎn)生過熱、過燒組織。對最終熱處理和產(chǎn)品的質(zhì)量都會產(chǎn)生較大的影響。建議鍛造的始鍛溫度為1150℃～1120℃。

3.2 預先熱處理

建議采用正火處理，工藝為臺車爐加熱溫度為930℃，保溫三個小時，然后出爐空冷，要求出爐時分散均勻，當冷速還不到要求時，可以用排風加快冷卻，從而達到硬度的要求。

采用正火處理主要是從經(jīng)濟上考慮，采用正火工藝可以降低成本，提高效益。還有正火處理后的組織比調(diào)質(zhì)的要粗一些，在高溫條件下，晶粒大時，塑性較差，反而有利于提高高溫時的屈服強度，抵抗變形的能力得到了提高。這樣在加熱時可以減小熱應力，使變形降低。經(jīng)過前期的試驗，預先熱處理為正火的齒輪的接觸區(qū)的合格率為100%[4]。

3.3 中間熱處理

由于機加工過程產(chǎn)生了一定的應力，在最終熱處理釋放出來，從而導致了變形的產(chǎn)生，為此建議采用一道去應力退火工藝。

3.4 最終熱處理

（1）建議慢慢降低透燒溫度，最終到750℃，每次試驗降低20℃。這樣的話溫差只有200℃，可以降低加熱過程中的拉應力，減小齒形的變形。

（2）對于淬火溫度810℃，因為Ar3為775℃，建議降低到780℃，并把油溫提高到80℃，甚至到100℃，這樣的話可以在保證淬透的情況下，降低熱應力，減小變形。

（3）建議采用160℃的馬氏體分級油淬，熱油——空冷分級淬火更有利于減少變形。對于模數(shù)較小的齒輪防止變形的方法為采用馬氏體分級淬火，這樣的話可以降低淬火時的應力，使淬火變形的傾向減小。因為采用這樣的工藝可以使應力降低，殘余奧氏體增加[5]。

4 結(jié)論

生產(chǎn)工藝改進后,重新進行20CrMnTiH螺傘齒輪的跟蹤檢查,平面度檢查合格率為99%,接觸區(qū)檢驗合格率為99%，總合格率達到98%。