减小薄壁类齿轮淬火变形的一种措施
作者：李启苍、蔡伟、黄宝宏
单位：青海聚能热处理有限责任公司
来源：《金属加工（热加工）》杂志
16Cr3NiWMoVNbE是一种多元素复合合金化的结构钢，是我国近年来研制出的新型航空发动机齿轮材料。16Cr3NiWMoVNbE钢 是为航空发动机齿轮部件制作而开发、研究的钢种。其强度高、塑韧性良好，并具有较高的热强性、淬透性、渗碳性和热加工性，从而具有良好的综合使用性能和加工性能，完全满足了航空事业对高性能材料的要求。我公司为某科研所协作的主动锥齿轮,属薄壁类齿轮零件，热处理生产的最大难点是：零件热处理渗碳后，在最终淬火过程中极易因为内孔花键变形超差，造成废品。主动锥齿轮零件形状及尺寸见图1。
1.主动锥齿轮最终热处理要求
（1）渗碳层要求：齿轮轮齿渗碳层深度0.8～1.0mm，渗碳后变形要求磨光档跳动≤0.04mm，内孔圆度≤0.04mm；花键渗碳层深度0.15～0.35mm，渗碳后变形要求磨光档跳动≤0.04mm，内孔圆度≤0.04mm，花键精度：M值=90.78+00.103,，M值变动量≤0.04mm。
（2）硬度要求：渗碳+高回后硬度≤35HRC；淬火后渗碳表面硬度60～65HRC，非渗碳区硬度35～45HRC。
（3）热处理后最终变形要求：磨光档跳动≤0.05mm，内孔圆度≤0.05mm。花键精度：M值=90.78+00.103，M值变动量≤0.04mm。
2.主动锥齿轮加工路线
主动锥齿轮加工路线为：毛坯正火+高回→毛坯粗加工→调质处理→半精加工→去应力退火→精加工→齿轮轮齿渗碳+高回-精加工→花键渗碳+高回→精加工→淬火+冰冷+低回+喷砂→精磨→低温去应力回火→精磨。
3.主动锥齿轮热处理各工序目的及工艺
（1）正火+高回处理：锻造毛坯消除锻造应力、均匀组织、细化晶粒，降低硬度以便于切削加工。
正火：零件加热到940℃，保温5h出炉空冷至室温。
高温回火：零件加热到680℃，保温5h随炉缓冷至500℃以下出炉空冷。
（2）调质处理：进一步均匀组织、细化晶粒，为零件的进一步热处理进行组织准备，减小零件渗碳、淬火后的变形。
淬火：将零件加热到920℃保温40min出炉油冷，油温50～60℃。
高温回火：零件加热到680℃，保温3h随炉缓冷至350℃以下出炉空冷。
（3）去应力退火：消除零件在加工过程中由于切削等机械加工造成的应力，进一步减小零件渗碳、淬火后的变形。将零件加热到650℃，保温5h随炉缓冷至200℃以下出炉空冷。
（4）渗碳处理：为保证齿轮接触表面有足够的强度和硬度，同时零件心部由足够的塑形和韧性，进行的表面化学热处理。
该齿轮轮齿由于有二次渗碳，故第一次渗碳层深度设定为：0.8～0.95mm，在多用炉910℃渗碳。
真空炉进行高温回火：零件加热到680℃，保温5h随炉缓冷至200℃以下出炉空冷，渗碳高回后硬度≤35HRC。
（5）二次渗碳：由于零件的特殊要求，齿部一次渗碳后，对后续加工的内花键进行的渗碳处理。
花键渗碳层深度0.15～0.35mm，在多用炉910℃渗碳。
高温回火：零件加热到680℃，保温5h随炉缓冷至200℃以下出炉空冷，渗碳高回后硬度≤35HRC。
（6）淬火处理：齿轮类零件的最终热处理，通过淬火处理使得齿轮表面得到高硬度、高强度和高的耐磨性。
先将零件加热到550℃，保温30min进行预热，然后再继续加热到920℃保温40min出炉油冷，油温60～70℃。
（7）冰冷处理：是零件淬火处理的延伸过程，通过冰冷处理使零件内部残留奥氏体进一步转变成马氏体组织，从而保证零件内部组织的均匀性，并对稳定零件尺寸有极大的帮助。
将零件在冰冷机中冰冷到（-80）～（-75）℃，保温1.5h出炉空冷。
（8）低温回火：减小或消除淬火钢件中的内应力，保持淬火工件高的硬度和耐磨性，降低淬火残留应力和脆性。
将零件加热到250℃，保温5h出炉空冷。
4.热处理变形原因及解决措施
（1）变形情况：主动锥齿轮经过热处理各工序后，发现第一次渗碳和第二次渗碳时用专用工装装炉渗碳后，热处理变形不大，变形量在要求范围内。主要变形产生在渗碳后的淬火序，淬火后变形量超差。
（2）零件渗碳淬火后（再经过，清洗、冰冷、回火、喷砂等热处理工序后）检测记录见表1。
表 1
|
零件 编号 |
检测 状态 |
磨光档 跳动/mm |
内孔圆 度/mm |
花键M 值/mm |
M值变动 量/mm |
硬度 HRC |
|
1# |
淬火前 |
0.02～0.04 |
0.02～0.04 |
90.83～90.86 |
0.02 |
26～27 |
|
淬火后 |
0.08～0.12 |
0.09～0.14 |
90.70～90.79 |
0.12 |
62～63 |
|
|
变形量 |
≤0.10 |
≤0.12 |
缩0.13 |
≤0.10 |
— |
|
|
2# |
淬火前 |
0.03～0.04 |
0.03～0.04 |
90.82～90.84 |
0.02 |
26～27 |
|
淬火后 |
0.07～0.12 |
0.08～0.13 |
90.67～90.79 |
0.12 |
62～63 |
|
|
变形量 |
≤0.09 |
≤0.10 |
缩0.14 |
≤0.10 |
— |
|
|
3# |
淬火前 |
0.02～0.04 |
0.02～0.03 |
90.78～90.81 |
0.03 |
26～27 |
|
淬火后 |
0.08～0.12 |
0.08～0.13 |
90.63～90.78 |
0.15 |
63～64 |
|
|
变形量 |
≤0.10 |
≤0.11 |
缩0.15 |
≤0.12 |
— |
|
|
4# |
淬火前 |
0.02～0.03 |
0.03～0.04 |
90.80～90.82 |
0.02 |
26～27 |
|
淬火后 |
0.06～0.11 |
0.10～0.17 |
90.67～90.79 |
0.12 |
62～63 |
|
|
变形量 |
≤0.09 |
≤0.14 |
缩0.13 |
≤0.10 |
— |
从表1得到渗碳淬火后变形量数据如下：
磨光档跳动0.05～0.10mm，内孔圆度≤0.10～0.15mm。
花键精度：M值=90.63～90.79，M值变动量0.10～0.15mm。
变形规律是内孔花键不均匀的缩孔（≤0.15mm），并且内孔花键呈现0.08～0.12mm锥度。
（3）变形原因分析：16Cr3NiWMoVNbE钢主动锥齿轮，因材料本身的要求渗碳后的淬火温度较高900～920℃，淬火时热应力较大，再加上是薄壁类零件，内孔花键壁薄(≤5mm)且结构复杂不对称，易造成淬火变形超差。
（4）针对变形问题解决措施。渗碳后淬火时内孔花键加撑规油冷，可以解决变形问题。内孔花键撑规形状及尺寸见图2，盐浴炉淬火专用工装形状及尺寸见图3。
5.主动锥齿轮内孔花键加撑规淬火后的变形
先将主动锥齿轮零件放在淬火专用工装上，在预热炉内，加热到550℃，保温30min预热，然后再放入盐浴炉继续加热到920℃（因为零件在保温出炉后油冷前内孔花键要放入内孔花键撑规，所以加热温度选取上限920℃），保温40min出炉，快速放入内孔花键撑规后油冷（好富顿G油）30min，淬火前油温60～70℃。
零件加撑规淬火后（再经过，清洗、冰冷、回火、喷砂等热处理工序后）检测记录见表2。
表 2
|
零件 编号 |
检测 状态 |
磨光档跳 动/mm |
内孔圆 度/mm |
花键M 值/mm |
M值变动 量/mm |
硬度 HRC |
|
1# |
淬火前 |
0.03～0.04 |
0.03～0.04 |
90.84～90.86 |
0.02 |
26～27 |
|
淬火后 |
0.04～0.05 |
0.04～0.05 |
90.80～90.84 |
0.04 |
62～63 |
|
|
变形量 |
≤0.02 |
≤0.02 |
缩0.04 |
≤0.02 |
— |
|
|
2# |
淬火前 |
0.02～0.03 |
0.02～0.04 |
90.83～90.85 |
0.02 |
26～27 |
|
淬火后 |
0.04～0.05 |
0.04～0.05 |
90.78～90.82 |
0.04 |
62～63 |
|
|
变形量 |
≤0.03 |
≤0.03 |
缩0.04 |
≤0.02 |
— |
|
|
3# |
淬火前 |
0.03～0.04 |
0.02～0.04 |
90.83～90.86 |
0.03 |
26～27 |
|
淬火后 |
0.04～0.05 |
0.04～0.05 |
90.80～90.84 |
0.04 |
63～64 |
|
|
变形量 |
≤0.02 |
≤0.03 |
缩0.03 |
≤0.01 |
— |
|
|
4# |
淬火前 |
0.03～0.04 |
0.03～0.04 |
90.85～90.87 |
0.02 |
26～27 |
|
淬火后 |
0.04～0.05 |
0.04～0.05 |
90.81～90.84 |
0.03 |
62～63 |
|
|
变形量 |
≤0.02 |
≤0.02 |
缩0.04 |
≤0.01 |
— |
从检测记录表2数据可以看出，主动锥齿轮经过加撑规淬火后，淬火变形超差问题得到了解决。变形量符合零件最终变形要求（磨光档跳动≤0.05mm，内孔圆度≤0.05mm。花键精度：M值=90.78+00.103，M值变动量≤0.04mm）。
6.结语
（1）从工件的具体形状出发，在热处理各工序生产中，设计制作合理的工装、卡具，使工件在满足热处理技术要求的同时，解决薄壁零件渗碳、淬火变形问题，满足冷热协作的要求。
（2）薄壁零件渗碳、淬火变形，主要变形产生在渗碳后的淬火序。
（3）通过淬火时加撑规的方法可以解决薄壁类零件淬火变形超差问题，减小零件最终热处理变形，满足热处理的技术要求。