劉進(jìn)德， 米 佩， 馬春亮

(寧夏天地奔牛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司， 寧夏 石嘴山 753001)

18CrNiMo7-6鋼因具有高的抗彎強(qiáng)度、接觸疲勞強(qiáng)度、高的硬度和耐磨性，同時(shí)心部具有高的硬度和韌性等優(yōu)點(diǎn)，目前被大量應(yīng)用于重載齒輪的設(shè)計(jì)中[1]。因18CrNiMo7-6鋼的淬透性較高，在滲碳淬火后會(huì)產(chǎn)生很嚴(yán)重的畸變[2]，需要在后續(xù)的加工中通過(guò)增大磨削量來(lái)修正畸變，從而造成生產(chǎn)成本增加[3]。減速器重載內(nèi)齒輪，在使用過(guò)程中需要承受高強(qiáng)度的交變載荷和沖擊載荷，為滿足使用要求，材料選擇18CrNiMo7-6鋼，熱處理要求進(jìn)行滲碳淬火處理。重載內(nèi)齒輪在結(jié)構(gòu)上屬于薄壁零件，再加上18CrNiMo7-6鋼滲碳淬火后畸變大，在實(shí)際生產(chǎn)中，容易出現(xiàn)磨齒后公法線尺寸不符合圖紙要求，造成工件報(bào)廢。為解決重載內(nèi)齒輪畸變超差問(wèn)題，對(duì)影響內(nèi)齒輪畸變的因素及控制方法進(jìn)行了研究，通過(guò)滲碳前增加去應(yīng)力退火工序，增加滲碳時(shí)控速升溫及階段保溫，降低滲碳溫度及冷卻強(qiáng)度等方式，減小了重載內(nèi)齒輪滲碳淬火后的畸變，保證了內(nèi)齒輪的產(chǎn)品質(zhì)量。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 內(nèi)齒輪技術(shù)要求及成分

圖1為內(nèi)齒輪結(jié)構(gòu)示意圖，材料為18CrNiMo7-6鋼，輪齒模數(shù)為m=7 mm，齒數(shù)Z=103，齒形角為20°，要求采用滲碳淬火，滲層深度為1.4～1.8 mm，齒部硬度58～62 HRC，滲碳淬火后組織符合JB/T 6141.3—1992《重載齒輪滲碳金相檢驗(yàn)》要求。

圖1 內(nèi)齒輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram of the internal gear

本文中化學(xué)成分分析采用GB/T 223《鋼鐵及合金化學(xué)分析方法》，硬度檢測(cè)采用TH301洛氏硬度計(jì)，加載載荷為98 N，加載時(shí)間為15 s，采用DMI3000M光學(xué)顯微鏡分析顯微組織，組織評(píng)級(jí)執(zhí)行JB/T 6141.3—1992。

內(nèi)齒輪用18CrNiMo7-6鋼的化學(xué)成分為0.17C、0.81Mn、0.21Si、0.15S、0.15P、1.71Cr、1.67Ni、0.28Mo。

1.2 影響滲碳淬火畸變的因素及改進(jìn)方法

1) 加工殘余應(yīng)力的影響。內(nèi)齒輪在滲碳前，齒部采用插齒成形技術(shù)，齒部、外圓及內(nèi)孔經(jīng)插齒后，存在較大的加工殘余應(yīng)力，為減少畸變，可在內(nèi)齒輪成形后進(jìn)行一次或多次去應(yīng)力退火工序，從而減小滲碳前內(nèi)齒輪的加工殘余應(yīng)力，降低畸變的概率[4]。試驗(yàn)中，在滲碳前增加去應(yīng)力退火工序，一般去應(yīng)力退火溫度選擇500～550 ℃[5]，為了避免退火時(shí)產(chǎn)生的氧化皮影響后續(xù)滲碳效果，試驗(yàn)中去應(yīng)力退火溫度設(shè)定為500 ℃，具體工藝流程見圖2。

圖2 去應(yīng)力退火工藝曲線Fig.2 Stress relief annealing process curve

2) 內(nèi)應(yīng)力的影響。在內(nèi)齒輪滲碳淬火過(guò)程中，由于內(nèi)齒輪徑寬比較大，工件的抗畸變能力差。工件的畸變均由淬火時(shí)工件內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力所造成，內(nèi)應(yīng)力又分為熱應(yīng)力與組織應(yīng)力?？梢酝ㄟ^(guò)降低加熱速度，縮小工件內(nèi)外溫差的方法來(lái)減小熱應(yīng)力的產(chǎn)生，同時(shí)為了降低組織應(yīng)力，可采用降低淬火冷卻強(qiáng)度的方法來(lái)減少畸變[6]。試驗(yàn)中，為減小熱應(yīng)力，采用控速升溫階段保溫工藝方法，工件在加熱過(guò)程中控制升溫速度為200 ℃/h，升溫至800 ℃保溫1 h后再加熱至滲碳溫度。另外，為了降低淬火冷卻強(qiáng)度，在冷卻過(guò)程中，提高淬火油的溫度至70 ℃(常規(guī)工藝油溫為60 ℃)，縮小工件與淬火油的溫度差，同時(shí)增加淬火油的流動(dòng)性，有利于減小熱應(yīng)力，使工件均勻冷卻，進(jìn)而減小內(nèi)齒輪淬火過(guò)程中的畸變[7]。在冷卻時(shí)，精確計(jì)算冷卻時(shí)間，確保工件齒部淬火后返熱溫度控制在100～120 ℃。

18CrNiMo7-6鋼滲碳淬火工藝有滲碳直接淬火和滲碳+高溫回火+淬火兩種工藝方法[8]，理論上，滲碳直接淬火工藝畸變相對(duì)小，且生產(chǎn)周期短，效率高，在生產(chǎn)中通常采用滲碳直接淬火的工藝方法。滲碳溫度設(shè)置一般在920～1050 ℃之間均可[9]，但降低滲碳溫度有利于減小工件的熱應(yīng)力，而降低滲碳溫度，同時(shí)也加長(zhǎng)了滲碳的時(shí)間，時(shí)間越長(zhǎng)畸變也越大，考慮到設(shè)備能力及工藝條件，試驗(yàn)選擇滲碳溫度為930 ℃。在淬火溫度的選擇上，為減少畸變，淬火溫度由840 ℃降低到800 ℃，可以在一定程度上減小由于熱應(yīng)力引起的內(nèi)齒輪畸變[10]，滲碳淬火工藝改進(jìn)前后的曲線見圖3。

圖3 改進(jìn)前(a)、后(b)滲碳淬火工藝曲線Fig.3 Carburizing and quenching process curves before(a) and after(b) improvement

3) 工件形狀對(duì)畸變的影響。內(nèi)齒輪只要求對(duì)齒部進(jìn)行滲碳淬火處理，考慮到工件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(端面部位有22個(gè)螺紋孔)，畸變無(wú)法保證內(nèi)齒輪上螺紋孔及其余尺寸的精度要求，在工藝流程上，滲碳前只有內(nèi)孔齒部位加工至圖紙尺寸，齒部位留一定的加工余量用于后續(xù)磨齒，其余端面及外圓刷防滲碳涂料，便于后續(xù)加工。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中滲碳淬火工序采用可控氣氛箱式多用爐，去應(yīng)力退火工序采用箱式電阻爐。共試驗(yàn)3種方案，方案1為改進(jìn)前工藝，滲碳淬火工藝曲線見圖3(a)，試樣標(biāo)記為1號(hào)；方案2為改進(jìn)后工藝，滲碳淬火工藝曲線見圖3(b)，試樣標(biāo)記為2號(hào)；方案3采用去應(yīng)力退火工藝+ 改進(jìn)后滲碳淬火工藝，去應(yīng)力退火工藝見圖2，試樣標(biāo)記為3號(hào)；3種方案中，設(shè)定的滲層均為2.1 mm。

為對(duì)比處理前后畸變情況，對(duì)3種方案處理后的內(nèi)齒輪跨棒距尺寸進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)1、2、3號(hào)內(nèi)齒輪試驗(yàn)件進(jìn)行滲碳淬火前、滲碳淬火后跨棒距尺寸檢測(cè)，其中3號(hào)試樣增加了去應(yīng)力退火后的跨棒距尺寸檢測(cè)。為確保磨齒后內(nèi)齒輪最終尺寸、表面硬度及滲層深度滿足技術(shù)要求，在試驗(yàn)過(guò)程中，需對(duì)隨爐試塊顯微組織、有效硬化層硬度梯度進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)內(nèi)齒輪跨棒距尺寸的變化、顯微組織及有效硬化層深度結(jié)果，對(duì)比分析3種工藝對(duì)內(nèi)齒輪畸變的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織分析

對(duì)1、2、3號(hào)隨爐試塊采用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕后進(jìn)行顯微組織分析，結(jié)果見表1，顯微組織見圖4。從結(jié)果來(lái)看，顯微組織區(qū)別不大，均滿足JB/T 6141.3—1992要求。

表1 不同試樣的顯微組織檢驗(yàn)結(jié)果

2.2 顯微硬度梯度分析

圖5為1、2、3號(hào)隨爐試塊的顯微硬度梯度結(jié)果，1號(hào)試塊滲層深度為2.0 mm，距表面0.4 mm處硬度為661 HV10，滲碳后實(shí)際滲層滿足技術(shù)要求；2號(hào)試塊滲層深度為2.2～2.4 mm，距表面0.4 mm處硬度為668 HV10；3號(hào)試塊滲層深度為2.2 mm，距表面0.4 mm處硬度為672 HV10，在后續(xù)磨齒過(guò)程中，表面單側(cè)磨削量不超過(guò)0.4 mm時(shí)，工件齒面硬度能夠達(dá)到技術(shù)要求58 HRC。對(duì)比1號(hào)和2號(hào)試塊滲層深度，說(shuō)明滲碳淬火工藝改進(jìn)后工件實(shí)際滲層深度高于理論滲層深度，主要原因是在800 ℃均溫期間，爐內(nèi)已經(jīng)開始進(jìn)行滲碳處理，所以滲層深度相對(duì)較深，對(duì)比2號(hào)和3號(hào)試塊滲層深度，說(shuō)明增加去應(yīng)力退火后，工件齒部產(chǎn)生較薄氧化皮，在后續(xù)滲碳過(guò)程中，有可能影響滲碳速度和深度。

圖4 不同試樣的顯微組織(a～c)表層;(d～f)心部;(a,d)1號(hào);(b,e)2號(hào);(c,f)3號(hào)Fig.4 Microstructure of different specimens(a-c) surface layer; (d-f) core; (a,d) No.1; (b,e) No.2; (c,f) No.3

圖5 試塊顯微硬度梯度測(cè)定結(jié)果Fig.5 Results of microhardness gradient test of the specimens

2.3 畸變分析

對(duì)1、2、3號(hào)試驗(yàn)工件進(jìn)行畸變檢測(cè)，各抽檢4組跨棒距數(shù)據(jù)，其中去應(yīng)力退火畸變=滲碳前尺寸-去應(yīng)力退火后尺寸，滲碳后畸變=滲碳前尺寸-滲碳后尺寸，跨棒距磨削量=(711.65-滲碳后跨棒距尺寸)，檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2 采用不同工藝處理后內(nèi)齒輪畸變數(shù)據(jù)

1號(hào)試驗(yàn)工件采用常規(guī)滲碳淬火工藝，齒部跨棒距尺寸畸變最大，且畸變無(wú)規(guī)律，工件呈橢圓狀，在實(shí)際磨削至圖紙尺寸后，單側(cè)磨削量最大為0.55 mm，結(jié)合前文試塊顯微硬度梯度結(jié)果，齒部磨削至0.55 mm后齒部表面硬度可能低于技術(shù)要求58 HRC。

2號(hào)試驗(yàn)工件采用改進(jìn)后滲碳淬火工藝，但未進(jìn)行去應(yīng)力退火，畸變趨勢(shì)為內(nèi)孔縮小，畸變量在 0.62～0.73 mm之間，齒部磨削至圖紙尺寸后，單側(cè)的磨削量為0.4 mm，磨齒后工件表面硬度及淬硬層深度均滿足技術(shù)要求。對(duì)照1號(hào)和2號(hào)工件的畸變數(shù)據(jù)，說(shuō)明通過(guò)增加階段升溫、降低淬火溫度及減少冷卻強(qiáng)度能夠減少工件的畸變，且畸變規(guī)律明顯，便于后續(xù)預(yù)留加工余量。

3號(hào)試驗(yàn)工件畸變最小，去應(yīng)力退火后，畸變趨勢(shì)為整體內(nèi)孔縮小，畸變量在0.09～0.24 mm之間，滲碳處理后畸變的趨勢(shì)還是內(nèi)孔縮小，最終畸變量在0.30～0.47 mm之間，齒部磨削至圖紙尺寸后，單側(cè)的磨削量為0.36 mm，磨齒后工件表面硬度及淬硬層深度均滿足要求。對(duì)照2號(hào)和3號(hào)工件的畸變數(shù)據(jù)，說(shuō)明增加去應(yīng)力退火工序，有利于減少在后續(xù)滲碳淬火過(guò)程中的畸變。

2.4 效率分析

對(duì)3種工藝方法所使用的工藝時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，1號(hào)工藝時(shí)間最短，為23 h，主要是滲碳時(shí)間，2號(hào)工藝時(shí)間為30 h，比1號(hào)工藝多7 h，增加時(shí)間主要為800 ℃控溫升溫多4 h，降溫階段多3 h，總共多7 h；3號(hào)試驗(yàn)件工藝時(shí)間最長(zhǎng)，為45 h，其中去應(yīng)力退火時(shí)間為15 h，滲碳時(shí)間同2號(hào)工藝。對(duì)比3種工藝，在兼顧產(chǎn)品質(zhì)量和效率的情況下，建議采用2號(hào)工藝。

3 結(jié)論

1) 內(nèi)齒輪滲碳前增加去應(yīng)力退火工序，能夠有利于減少后續(xù)滲碳時(shí)工件的畸變，且不論是去應(yīng)力退火后還是滲碳淬火后，內(nèi)齒輪的畸變規(guī)律均為內(nèi)孔縮小，畸變規(guī)律穩(wěn)定，有利于滲碳前齒部加工余量的確定。

2) 內(nèi)齒輪通過(guò)控制升溫速度、增加階段升保溫、降低滲碳淬火溫度及降低冷卻強(qiáng)度等方式，能夠有效地減小內(nèi)齒輪滲碳后齒部畸變，保證內(nèi)齒輪的產(chǎn)品質(zhì)量。