薄壁齿轮及薄大齿轮渗碳淬火变形问题的研究

宁夏工学院学报(自然科学版)

JournalofNingxiaInstituteofTechnology(NaturalScience)Vol.12

December.1997

薄壁齿轮及薄大齿轮渗碳淬火

变形问题的研究

李慧云　　　　　　　　　高仲达

(宁夏重工业职工大学机械系)　　　(宁夏机械研究院材料研究所)

摘　要　对薄壁齿轮及薄大齿轮渗碳淬火变形及影响因素进行了分析和研究并提出了解决此类零件变形的方法

关键词　薄壁齿轮　薄大齿轮　渗碳淬火变形分类号　TG156.35　TG156.81　TG162.73

所谓薄壁齿轮及薄大齿轮即是一些相对自身尺寸壁厚较薄的环形齿轮和轮幅宽度较小的盘形齿轮,典型代表如图1.在渗碳淬火后,薄壁齿轮由于壁薄而且带一单键槽发生严重椭圆,薄大齿轮易发生翘曲以及花键收缩以至在加工时容易卡住拉刀,这两类齿轮渗碳淬火后因变形导致的废品较高,因此解决此类齿轮渗碳淬火变形问题一直成为重要课题.鉴于目前我国大部分国有大中型企业生产设备所处现状,本文着重对井式气体渗碳及随后的淬火变形问题进行研究和探讨.

1　热处理变形的原因及变形特征

　　工件在热处理过程中,从室温加热到高温,又从高温冷却到室温,必然要发生组织变化和热涨冷缩现象,这种变化导致了应力的产生和变形的出现.

　　所谓热处理变形,一般是指工件的淬火变形,主要是由

图1　(a)薄壁齿轮　(b)薄大齿轮于内应力所引起的.内应力又分为热应力和组织应力两种:

热应力与材料的线膨胀系数有关,而组织应力与所发生的组织改变即组织的比容改变有关.淬火通常为得到马氏体组织,淬火马氏体的比容较其它组织都大,淬火后的工件均发生体积涨

大,由于体积变化和在工件各部分加热冷却的不均匀,形成的热应力、组织应力将导致工件发

[1]

生畸变或者翘曲,这是淬火变形的根本原因.在工件淬火冷却的前期,主要是热应力起作用,其引起工件变形的特点是:最大尺寸方向收缩,最小尺寸方向胀大,孔径一般表现为收缩,因此它有使工件变成球形的趋势;在淬火冷却的后期,起主导作用的是组织应力,它所造成的变形恰恰相反,最大尺寸方向伸长,最小尺寸方向缩小,使工件尖角突出,平面内凹,孔径一般胀大.如图2为热应力和组织应力单独作用时工件变形的趋向示意图.

　19970612收到.　作者:女,33岁,宁夏银川市人,讲师,85年毕业于内蒙古工业大学,现在宁夏重工业职工大学任教[2]

第9卷4期李慧云等:薄壁齿轮及薄大齿轮渗碳淬火变形问题的研究

・31・

图2　热应力和组织应力单独作用时工件变形的趋向

(图中“+”表示胀大,“-”表示缩小)

淬火变形是不可避免的现象,但可以根据变形特征,调整影响热应力或组织应力的因素,

选择适当的淬火工艺,使这两种应力减小或部分抵消而使残余应力减小,从而达到降低和控制工件变形的目的.但当残余应力超过钢的屈服强度时,工件就发生变形;超过钢的抗拉强度时产生开裂.因此对影响渗碳淬火变形因素的研究尤为重要.

2　影响渗碳淬火变形的因素

2.1　冷却速度的影响　(1)渗碳后的冷却速度　渗碳后的冷却速度无论在渗碳之后或是在随后的淬火、低温回火之后对工件内孔直径的变化和对端面翘曲及外圆直径都有明显影响.

从减小齿轮变形出发,要求重新加热淬火时渗碳后应缓慢冷却,但缓慢冷却会造成碳化物网析出,等温冷却是显著减小热应力及组织应力的最有效方法.B.C.Carap03e等提出齿轮在气体渗碳之后最理想的冷却方法是在450℃等温冷却[3],并给出了不同含碳量的XXCr2Ni4A的钢的等温转变图(图3),600℃和575℃为渗碳层奥氏体不稳定区,在此温度范围等温,表面层先发生相变,心部后转变,表面形成拉应力,不仅变形大且可能形成裂纹.450℃为渗层奥氏体稳定区,心部也相当稳定,在此温度范围等温,对心部和表面转变的影响不太大,有利于减小变形,因此齿轮在气体渗碳之后最理想的冷却方法是在450℃等温冷却.(2)淬火冷却速度　淬火冷却速度是影响齿轮变形的第一个重要因素,以至可以掩盖其他因素的影响.当冷却速度加快时,由于齿轮厚度方向冷却太快,环形齿轮径向来不及收缩,内径和外径都发生胀大,各向程度不同而发生椭圆,而盘形齿轮各部分冷却不均而发生翘曲,尺寸的变化值增大.淬火冷却过程中,在MS点以上,奥氏体不能发生分解,根据理想淬火介质冷却曲线(如图4),在奥氏体最不稳定区需要大于临界冷却速度(Vc)的冷却,在高于或低于此稳定区并不需要快速冷却,尤其是在MS点以下马氏体转变还应尽可能地缓慢冷却,以减少由于激冷而产生的热应力和由于马氏体转变产生的组织应力,这样的冷却速度就是最理想的冷速,既能保证淬火后得到马氏体组织,又能使淬火变形、开裂倾向最小.・32・

宁夏工学院学报　(自然科学版)1997年

　　图3　不同含碳量铬镍钢的奥氏体等温转变图(3)　　　1-20Cr2Ni4　2-50Cr2Ni4　3-80Cr2Ni4　　　　　　　　　　　4-125Cr2Ni4

图4　淬火冷却曲线Vi理想淬火介质冷速Vc临界淬火速度

2.2　淬火介质的影响　为了达到性能要求和减少工件变形,通常渗碳齿轮选用油作为淬火介质,其冷却机理分成两阶段:即汽膜沸腾期阶段和对流传热阶段,前者靠工件表面汽膜的不断形成和破裂吸收工件表面热量而汽化沸腾,将工件的热量带走;后者指当工件表面温度已降至淬火介质的沸点以下时,工件的冷却将主要靠介质的传导与对流,工件的冷速又减慢.油冷时油温是影响冷却的一个主要参数,由于提高油温后,油的粘度显著下降,从而有助于油的对流传热,提高油的冷却能力,通常选择油温范围为60℃-80℃

[1]

[1][2]

.另一个影响冷却的重要参

数是搅拌,搅拌能使高温阶段汽膜早期破坏,从而提高了冷速,同时在低温对流期也加速热量的传递,因此显著提高了淬火能力.这时,选择搅拌的时机则是控制淬火变形的措施.

2.3　化学成分的影响　首先,化学成分影响钢的淬透性,这种作用主要表现在零件截面由不能淬透到可以淬透的过渡中

[4][5]

.当零件已经淬透,继续增加淬透性,影响减弱,即淬透性的影

响在达到零件整个截面淬透为止,以后化学成份的影响则主要是通过降低马氏体转变温度(Ms)而起作用.Ms点温度越低,淬火变形越小.渗碳层的碳浓度同样影响Ms温度,因而也影响渗层残留奥氏体的量,所以影响尺寸变化.另外,大多数合金元素能显著地降低马氏体的转变温度和提高残留奥氏体含量,所以组织应力小,变形小.特别是当钢中含有碳化物生成元素(如Cr、W、V等)能有效地减小工件淬火时的变形,因为它们使碳钢中大部分碳原子形成碳化物,从而减少了马氏体固溶碳的含量.

2.4　预先热处理的影响　渗碳前组织是否稳定,内应力是否彻底消除,对齿轮渗碳及其后热处理变形有很大影响,原始组织不均匀,如有带状碳化物、碳化物偏析等缺陷,会造成工件各向的机械性能不一样,从而引起纵横向变形不同,而原始组织的形态对变形亦有影响,巴拉里宁和杜鲁苏诺夫的实验结果证明:原始组织为片状珠光体,变形最大,索氏体次之,屈氏体最小.预先热处理包括粗加工之前的改善组织处理和粗加工之后消除加工应力的处理,这不仅可以减小齿轮变形,而且可以提高变形的稳定性.

2.5　渗碳装炉方式的影响　齿轮渗碳可以平的叠放在料筐中装炉,也可以挂起来让齿轮端面垂直于水平方向装炉.以前一直认为挂着装炉变形较小,实践证明,平放装炉变形小且稳定性好,这可能是由于齿轮自身重量可以抑制翘屈,而环形齿轮悬挂渗碳,高温下由于自身重量还将增大椭圆倾向.[8]

[6][7]

第9卷4期李慧云等:薄壁齿轮及薄大齿轮渗碳淬火变形问题的研究

・33・

3　解决齿轮渗碳淬火变形的方法

　　针对以上影响齿轮渗碳淬火变形的因素,经长期实践,总结解决方法如下:

1.利用渗碳后等温冷却效果明显,虽然在实际生产中比较困难,但可以用渗碳后吹风冷却,控制风冷时间,在齿轮表面温度接近450℃(奥氏体稳定区)时停止吹风,抑制变形效果理想.

2.渗碳后进行高温回火处理,目的是使渗碳后得到的粗大组织转变为均匀的细粒状或点状索氏体,便于机械加工,并为其后的淬火作组织准备[9].

3.淬火冷却时,为了减小变形,宜延迟淬火油的搅拌,C.Pavee[10]用30CD4和27CD4钢进行的试验(在0—80秒之间变化为开始搅拌的时间),发现延迟30秒,变形最小,这大概是有效地减小热应力的缘故.

4.在选材时选择刚好能淬透的材料或稍过合金化的材料,渗碳时严格控制工件表面的碳浓度.

5.进行如下工艺流程:毛坏正火—机加—渗碳—高温回火—机加(拉键槽)—淬火、回火—机加

6.装炉采用平放,薄壁齿轮用铁网层层隔开,薄大盘形齿轮用垫圈逐个垫平摞起.

7.淬火加热时,薄壁环形齿轮用挂具挂键槽处,减少该方向的径向收缩;薄大盘形齿轮选用适当直径淬火蕊轴插入淬火,由于降低了花键部分的冷却速度即降低了瞬时热应力,从而减少了内孔的收缩量.

4　结　　论

　　针对影响齿轮渗碳淬火变形的因素采取的解决措施,切实可行,废品基本消除,从而降低了成本,大大地提高了经济效益.参考文献

1　热处理工艺学.陕西机械学院,1982.7

2　王运炎主编.金属材料与热处理.机械工业出版社,1984.63　B.C.CarapⅡ3e:MºTOM1970,5

4　刘云旭主编.金属热处理原理.吉林工学院,1981,95　大连工学院金相教研室主编,金属材料及热处理,1984

6　裘汲等编.小型工具、量具和零件的热处理.机械工业出版社,1966

7　[美]R.A弗林、P.K特若简合著.工程材料及其应用.机械工业出版社1986,108　工具热处理裂纹的形成.古里亚耶夫等著.金属切削机床研究所译,1958年9　崔锟主编.钢铁材料及有色金属材料,华中工学院,1981.810　C.Pavee.Trait.Therm.1985,191

StudyOntheCarburizedQuenchingDistortionofThinWallandThinBigGears

LiHuiyongatall　(NingxiaHeavyIndustryWorler'sCollege)

Abstract　Thispaperanalysesthecarburizedquenchingdistortionofthinwallandthinbiggears.Itputsfor-wardmethodsofresolvingthepartdistortion.

Keywords　Thinwallgear　Thinbiggear　Carburizedquenchingdistortion