減小薄壁類齒輪淬火變形的一種措施

薄壁類零件淬火變形是熱處理生產(chǎn)過程中的一大難題。對16Cr3NiWMoVNbE材料高精度齒輪兩次滲碳后淬火過程中，通過采用撐規(guī)淬火的方法，有效解決了零件淬火變形問題，得到了較好的效果。

16Cr3NiWMoVNbE是一種多元素復合合金化的結(jié)構(gòu)鋼，是我國近年來研制出的新型航空發(fā)動機齒輪材料。16Cr3NiWMoVNbE鋼是為航空發(fā)動機齒輪部件制作而開發(fā)、研究的鋼種。其強度高、塑韌性良好，并具有較高的熱強性、淬透性、滲碳性和熱加工性，從而具有良好的綜合使用性能和加工性能，完全滿足了航空事業(yè)對高性能材料的要求。

我公司為某科研所協(xié)作的主動錐齒輪，屬薄壁類齒輪零件，熱處理生產(chǎn)的最大難點是：零件熱處理滲碳后，在最終淬火過程中極易因為內(nèi)孔花鍵變形超差而造成廢品。主動錐齒輪零件形狀及尺寸。

1. 主動錐齒輪最終熱處理要求

（1）滲碳層要求 齒輪輪齒滲碳層深度0.8～1.0mm，滲碳后變形要求磨光檔跳動≤0.04mm，內(nèi)孔圓度≤0.04mm；花鍵滲碳層深度0.15～0.35mm，滲碳后變形要求磨光檔跳動≤0.04mm，內(nèi)孔圓度≤0.04mm，花鍵精度：M值=90.78+0.103+0m m，M值變動量≤0.04mm。

（2）硬度要求 滲碳+高回后硬度≤35HRC；淬火后滲碳表面硬度60～65HRC，非滲碳區(qū)硬度35～45HRC。

（3）熱處理后最終變形要求 磨光檔跳動≤0.05mm，內(nèi)孔圓度≤0.05mm。花鍵精度：M值=90.78+0.103+0m m，M值變動量≤0.04mm。

2. 主動錐齒輪加工路線

毛坯正火+高溫回火→毛坯粗加工→調(diào)質(zhì)處理→半精加工→去應力退火→精加工→齒輪輪齒滲碳+高溫回火→精加工→花鍵滲碳+高溫回火→精加工→淬火+冷處理+低回+噴砂→精磨→低溫去應力回火→精磨。

3. 主動錐齒輪熱處理各工序目的及工藝

（1）正火+高溫回火處理 鍛造毛坯消除鍛造應力、均勻組織、細化晶粒，降低硬度以便于切削加工。

正火：零件加熱到940℃，保溫5h出爐空冷至室溫。

高溫回火：零件加熱到680℃，保溫5h隨爐緩冷至500℃以下出爐空冷。

（2）調(diào)質(zhì)處理 進一步均勻組織、細化晶粒，為零件的進一步熱處理進行組織準備，減小零件滲碳、淬火后的變形。

淬火：將零件加熱到920℃保溫40min出爐油冷，油溫50～60℃。

高溫回火：零件加熱到680℃，保溫3h隨爐緩冷至350℃以下出爐空冷。

（3）去應力退火 消除零件在加工過程中由于切削等機械加工造成的應力，進一步減小零件滲碳、淬火后的變形。將零件加熱到650℃，保溫5h隨爐緩冷至200℃以下出爐空冷。

（4）滲碳處理 為保證齒輪接觸表面有足夠的強度和硬度，同時零件心部由足夠的塑形和韌性。

該齒輪輪齒由于有二次滲碳，故第一次滲碳層深度設定為0.8～0.95mm，在多用爐910℃滲碳。

真空爐進行高溫回火：零件加熱到680℃，保溫5h隨爐緩冷至200℃以下出爐空冷，滲碳高溫回火后硬度≤35HRC。

（5）二次滲碳 由于零件的特殊要求，齒部一次滲碳后，對后續(xù)加工的內(nèi)花鍵進行的滲碳處理。

花鍵滲碳層深度0.1 5～0.35mm，在多用爐910℃滲碳。

高溫回火：零件加熱到680℃，保溫5h隨爐緩冷至200℃以下出爐空冷，滲碳高溫回火后硬度≤35HRC。

（6）淬火處理 齒輪類零件的最終熱處理，通過淬火處理使得齒輪表面得到高硬度、高強度和高的耐磨性。

先將零件加熱到550℃，保溫30min進行預熱，然后再繼續(xù)加熱到920℃保溫40min出爐油冷，油溫60～70℃。

（7）冷處理 是零件淬火處理的延伸過程，通過冷處理使零件內(nèi)部殘留奧氏體進一步轉(zhuǎn)變成馬氏體組織，從而保證零件內(nèi)部組織的均勻性，并對穩(wěn)定零件尺寸有極大的幫助。

將零件在冰冷機中冷到-80～-75℃，保溫1.5h出爐空冷。

（8）低溫回火 減小或消除淬火鋼件中的內(nèi)應力，保持淬火工件高的硬度和耐磨性，降低淬火殘留應力和脆性。將零件加熱到250℃，保溫5h出爐空冷。

4. 熱處理變形原因及解決措施

（1）變形情況 主動錐齒輪經(jīng)過熱處理各工序后，發(fā)現(xiàn)第一次滲碳和第二次滲碳時用專用工裝裝爐滲碳后，熱處理變形不大，變形量在要求范圍內(nèi)。主要變形產(chǎn)生在滲碳后的淬火工序，淬火后變形量超差。

（2）檢測 零件滲碳淬火后（再經(jīng)過清洗、冷處理、回火、噴砂等熱處理工序后）檢測記錄見表1。從表1得到滲碳淬火后變形量數(shù)據(jù)如下：

磨光檔跳動0.05～0.10mm，內(nèi)孔圓度≤0.10～0.15mm。

花鍵精度：M值=90.63～90.79mm，M值變動量0.10～0.15mm。

變形規(guī)律是內(nèi)孔花鍵不均勻的縮孔（≤0.15mm），并且內(nèi)孔花鍵呈現(xiàn)0.08～0.12mm錐度。

（3）變形原因分析 16Cr3NiWMoVNbE鋼主動錐齒輪，因材料本身的要求滲碳后的淬火溫度較高900～920℃，淬火時熱應力較大，再加上是薄壁類零件，內(nèi)孔花鍵壁薄（≤5mm）且結(jié)構(gòu)復雜不對稱，易造成淬火變形超差。

（4）針對變形問題解決措施 滲碳后淬火時內(nèi)孔花鍵加撐規(guī)油冷，可以解決變形問題。內(nèi)孔花鍵撐規(guī)形狀及尺寸見圖2，鹽浴爐淬火專用工裝形狀及尺寸見圖3。

5. 主動錐齒輪內(nèi)孔花鍵加撐規(guī)淬火后的變形

先將主動錐齒輪零件放在淬火專用工裝上，在預熱爐內(nèi)，加熱到550℃，保溫30min預熱，然后再放入鹽浴爐繼續(xù)加熱到920℃（因為零件在保溫出爐后油冷前內(nèi)孔花鍵要放入內(nèi)孔花鍵撐規(guī)，所以加熱溫度選取上限920℃），保溫40min出爐，快速放入內(nèi)孔花鍵撐規(guī)后油冷（好富頓G油）30min，淬火前油溫60～70℃。

零件加撐規(guī)淬火后（再經(jīng)過清洗、冷處理、回火、噴砂等熱處理工序后）檢測記錄見表2。

從檢測記錄表2數(shù)據(jù)可以看出，主動錐齒輪經(jīng)過加撐規(guī)淬火后，淬火變形超差問題得到了解決。變形量符合零件最終變形要求（磨光檔跳動≤0.05mm，內(nèi)孔圓度≤0.05mm。花鍵精度：M值=90.78+0.103+0m m，M值變動量≤0.04mm。）