本文研究的最終傳動(dòng)齒圈（見(jiàn)圖1）為拖拉機(jī)裝置上的一個(gè)重要部件，材質(zhì)為20CrMnTi，產(chǎn)品經(jīng)過(guò)前期鍛造、正火、機(jī)械加工至最終尺寸，轉(zhuǎn)入熱處理淬火工序，該產(chǎn)品熱處理技術(shù)要求：齒面淬火硬度：58～63HRC，心部硬度35～48HRC，有效硬化層深度Dc=0.5～0.8mmHV1，表面組織：殘留奧氏體（A’）+回火馬氏體（M回），1～5級(jí)合格，機(jī)械加工方面對(duì)熱處理工序后提出允許的淬火變量見(jiàn)表1。
表1允許的淬火變形量
淬火前 | 淬火后 |
Φ356mm外圓對(duì)B面的平面度跳動(dòng)≤0.04 | Φ356mm外圓對(duì)B面的平面度跳動(dòng)≤0.20 |
Φ298mm外圓對(duì)A面的平面度跳動(dòng)≤0.04 | Φ298mm外圓對(duì)A面的平面度跳動(dòng)≤0.20 |
1.變形分析
（1）內(nèi)應(yīng)力的影響
零件淬火、回火及表面淬火、化學(xué)熱處理后都能產(chǎn)生變形，其中淬火變形最為嚴(yán)重。淬火引起的變形是由組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)生體積變形和淬火時(shí)熱應(yīng)力和組織應(yīng)力引起的形狀變形引起。淬火冷卻前期，主要是熱應(yīng)力起作用，在淬火冷卻的后期，起主導(dǎo)作用的是組織應(yīng)力。
淬火時(shí)，奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，伴隨比體積的直徑縮小，馬氏體的比體積大于奧氏體，轉(zhuǎn)變結(jié)果引起體積膨脹，對(duì)于20CrMnTi低碳合金鋼來(lái)說(shuō)，合金元素多，Ms點(diǎn)較低，殘留奧氏體量較多，組織應(yīng)力引起的變形小，變形常以熱應(yīng)力為主，適當(dāng)降低淬火溫度, 可減小淬火時(shí)的熱應(yīng)力。
（2）工件結(jié)構(gòu)尺寸的影響
傳動(dòng)齒圈結(jié)構(gòu)如圖1所示，該零件外圓Φ356mm、Φ298mm之間有一個(gè)凹凸的臺(tái)階，內(nèi)圈為傳動(dòng)齒，14個(gè)定位孔呈不對(duì)稱(chēng)形狀分布，零件淬火時(shí)由于定位孔分布不均勻，在加熱和冷卻時(shí)，即孔徑在A(yíng)-A方向上縮小, 在B-B 方向上漲大, 使孔產(chǎn)生橢圓, 由于孔分布不均勻, 孔的變形使齒輪的公法線(xiàn)長(zhǎng)度變動(dòng)量增加，如圖2所示。另外齒輪為盤(pán)形零件采用齒輪軸線(xiàn)與冷卻油液面垂直的入油方式淬火時(shí)易產(chǎn)生翹曲變形，淬火過(guò)程中應(yīng)避免重疊堆放，減少重力影響，齒圈間應(yīng)有間距，確保圓周冷卻均勻。因此，需調(diào)整合適的裝夾方式。
2.工藝試驗(yàn)
采用二種方案進(jìn)行工藝試驗(yàn)，技術(shù)要求為滲層深度：0.5～0.8（550HV1）；表面硬度：58～63HRC；表面組織：馬氏體+殘留奧氏體（1～5級(jí)合格）；心部硬度：35～48 HRC。
方案1：多用爐內(nèi)富化氣為丙烷C3H8，NH3經(jīng)過(guò)加減壓過(guò)濾后通入爐內(nèi)。設(shè)備PHQ（F）-10密封箱式多用爐，裝爐量10件，平放（裝夾方式），經(jīng)過(guò)180℃±10℃回火120min（見(jiàn)圖3A）。
方案2：多用爐內(nèi)富化氣為丙烷C3H8，NH3經(jīng)過(guò)加減壓過(guò)濾后通入爐內(nèi)。設(shè)備PHQ（F）-10密封箱式多用爐，裝爐量10件，吊裝（裝夾方式），經(jīng)過(guò)180℃±10℃回火120min（見(jiàn)圖3B）。
（a）方案1
（b）方案2
圖3 20CrMnTi傳動(dòng)齒圈熱處理
3.熱處理后性能檢測(cè)分析
金相檢測(cè)抽檢結(jié)果如表2所示，熱后機(jī)械尺寸檢測(cè)結(jié)果如表3所示。
表2金相檢測(cè)抽檢結(jié)果
檢測(cè)項(xiàng)目 | 工藝1 | 工藝2 | ||||
表面硬度（HRC） | 58 | 59 | 59 | 58 | 58 | 59 |
金相組織（級(jí)） | A’ | M | F | A’ | M | F |
3 | 3 | — | 2 | 2 | — | |
心部硬度（HRC） | 41 | 41 | 41 | 37 | 37 | 37 |
滲層深度（550HV1）/mm | 0.62 | 0.54 | ||||
表3熱后機(jī)械尺寸檢測(cè)結(jié)果
工藝1 | 工藝2 |
Φ356mm外圓對(duì)B面的平面度跳動(dòng)量0.30～0.45mm | Φ356mm外圓對(duì)B面的平面度跳動(dòng)量0.1～0.18mm |
Φ298mm外圓對(duì)A面的平面度跳動(dòng)量0.10～0.15mm | Φ298mm外圓對(duì)A面的平面度跳動(dòng)量0.12～0.18mm |
降低共滲及淬火溫度，保證足夠的擴(kuò)散時(shí)間，不僅可以降低熱應(yīng)力的影響，也有利于滲層馬氏體組織的細(xì)化，還可以減少橢圓度；提高淬火冷卻介質(zhì)溫度，減少淬火變形；入油方式改為齒輪軸線(xiàn)與冷卻油液面平行的吊裝方式,使齒輪冷卻較均勻，減小淬火時(shí)的熱應(yīng)力。
經(jīng)過(guò)工藝1、工藝2的比較，之后又經(jīng)過(guò)10個(gè)批次的工藝2生產(chǎn)試驗(yàn)，該零件Φ356mm外圓對(duì)B面平面度跳動(dòng)量合格率均超過(guò)95%以上工藝取得較為滿(mǎn)意的結(jié)果。
4.結(jié)語(yǔ)
通過(guò)分析，變形以熱應(yīng)力為主，因此采取了一系列措施降低熱應(yīng)力，如為減少齒圈變形，強(qiáng)滲時(shí)加熱溫度取下限（850℃），保溫時(shí)間安排合理，降代淬火溫度（825℃），并盡量保持零件各部分溫度均勻一致時(shí)淬火，油溫適當(dāng)提高（120℃），以減少淬火畸變傾向，工件應(yīng)根據(jù)其形狀采取了正確的裝夾（采用吊裝），經(jīng)過(guò)理論分析，制定相應(yīng)的工藝并付諸試驗(yàn)，對(duì)減少變形方法，在工作中取得一定成效。
作者：吳華，卞云霞
單位：山推工程機(jī)械股份有限公司
來(lái)源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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