薄片齿轮淬火中易变形，告诉你一招
作者：赵玉凯
单位：郑州机械研究所
来源：《金属加工（热加工）》杂志
薄片齿轮应用较为广泛，如仪器仪表类、航空航天类等领域，由于该领域对薄片齿轮的精密度要求较高，所以在加工生产中一定要保证其加工精度，严格控制其变形量。本文以3Cr13钢为基体，介绍了一种新的强化淬火热处理工艺。
1.工艺特征与工艺试验
3Cr13是一种常见的不锈钢，有较好的淬透性、淬硬性、抗氧化性和耐蚀性，可油淬、硝盐淬、空冷淬。表1为3Cr13钢化学成分和临界温度值。表2为回火时间对硬度的影响。
表1 3Cr13钢化学成分（质量分数，%）和临界温度
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C |
Si |
Mn |
Cr |
Ac1/℃ |
Ac3/℃ |
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0.25~0.34 |
≤0.60 |
≤0.60 |
12~14 |
800 |
1100 |
表2 回火时间对硬度的影响 （HRC）
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回火温度/℃ |
回火时间/min |
|||
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30 |
50 |
120 |
240 |
|
|
530~540 |
48 |
46 |
39~40 |
35~36 |
|
550~560 |
46 |
42~43 |
34.5 |
33 |
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570~580 |
40~41 |
35~36 |
32 |
30~30.5 |
|
590~600 |
33.5 |
32 |
29.5 |
28 |
图1表明，随着淬火温度升高，硬度、强度增加，但伸长率σ、断面收缩率ψ和冲击韧性α降低，几乎成反比例变化。当淬火温度过低，小于等于950℃时，主要碳化物和合金元素未充分溶解到奥氏体中去，基体组织含碳量和合金元素较多，奥氏体合金化不充分，有较多过剩碳化物、残余网状碳化物和“α”铁素体相。当未溶碳化物呈链状不均匀分布时，破坏基体连续性，淬火后出现双相组织，导致强度、韧性的抗蚀性急剧降低。当淬火温度过高，大于1000℃时，出现粗晶粒，残余奥氏体增多，增大变形，导致硬度、强度、塑性和韧性均降低。当淬火温度大于1200℃时发生“δ”铁素体共析转变，淬火后出现马氏体加δ相双相组织。总之，淬火温度愈高，奥氏体中溶解碳和合金元素愈多，奥氏体合金化程度增大，晶粒愈粗，淬火后得到过饱和的粗马氏体，经中、高温回火析出碳化物就愈多且强烈，加上高温淬火产生过多残余奥氏体和出现“δ”铁元素，淬火组织为双相或多相组织，易形成正负微电池作用，导致腐蚀。同时，粗大晶粒将降低综合力学性能。当淬火温度适中时。即能使碳化物和合金元素溶解，奥氏体均匀化，晶粒细，淬火后得到单一均匀的低碳马氏体。加上选择最佳回火温度。能获得既有良好综合力学性能又有高的抗蚀性能。
图1 淬火温度与力学性能关系（试样经600℃、2h回火）
图2表明，随着淬火温度升高和在400℃以上回火时抗蚀性下降，约500℃回火时降至最大峰值，淬火温度愈高，抗蚀性降低愈多；但当回火温度低于400℃时，随淬火温度提高，抗蚀性提高。因低温回火时仅从马氏体中析出少量弥散碳化物，基本仍保持高于11%含Cr量，因此，抗腐蚀性较高。电镜观察发现，淬火马氏体在较高温度回火后缓慢冷却过程中有类似S、P等夹杂物和Cr的沉淀物脆性相沿晶界析出，析出物经电解侵蚀易脱落，显示出清晰晶界，但回火快冷不易发现，说明有明显的二类可逆回火脆性特征。
图2 回火温度对3Cr13钢耐腐蚀性影响
图3表明，淬火温度一定时，不同回火温度对力学性能影响。回火温度小于等于500℃，有高的硬度和强度，但塑韧性较低，随着回火温度逐渐升高，塑韧性逐渐升高，硬度与强度逐渐降低，几乎成反比例变化。
图3 回火温度对3Cr13力学性能影响
2.淬火强化工艺
工艺流程：粗加工→去应力退火→精加工→微变形淬火→冷处理→回火→成品。
图4 3Cr13薄片齿轮淬火强化工艺
（1）装夹与预热
将齿轮装夹在有环形槽的心棒上，槽深5mm，槽宽5.3~5.5mm，槽与槽之间间隔3~4mm，装夹的作用是防止淬火加热和冷却时激烈摆动引起变形。装夹后放在有支承架的已升温至500℃电炉中预热，预热保温后置于已升温至860℃左右的盐浴炉中进行二次预热。齿轮放入后切断电源，防止因电磁作用盐浴翻动导致变形。
（2）淬火加热
齿轮经第二次中温盐炉保温后轻轻取出转入已升温至1030℃的高温盐浴炉中，切断电源后平稳放入。切断电源等于切断电磁作用，防止因盐浴翻动导致变形。让其自然降温至1000℃，需3~5min。正好是保温时间，然后取出空冷，趁高温将一片片齿轮放在平板压力机上压平，压平后放在另一平台铁板上冷却至室温。经检查淬火硬度≥52HRC，淬火组织为低碳马氏体和少量残留奥氏体。
（3）冷处理
3Cr13钢淬火后约有10%残留奥氏体，即使少量残留奥氏体构成双相组织，将降低抗蚀性，齿轮运行时残留奥氏体会引起诱发马氏体相变而产生微量变形，这对精密齿轮也是不允许的。冷处理能使残留奥氏体转变为马氏体，起到提高抗蚀性、硬度、耐磨性、抗疲劳、稳定组织和减少变形的作用。冷处理在干冰加酒精容器中进行，在-60℃保温后取出空冷至室温。
（4）装胎具回火
薄片齿轮经压平淬火后99%已达到微变形，仅少量超差，一起装胎具回火。胎具心轴类似双头螺栓，外径小于齿轮内圆，两头垫片比齿轮外径大10~20mm。齿轮片装上心轴后，两头用垫片和螺母拧紧。装电炉回火1h后取出再次拧紧螺母，反复3次后取出油冷，防止出现第二类回火脆性。冷透后检查变形量、硬度和取试样，作力学性能试验。试验表明，变形量、硬度和力学性能合格率均为100%，抗蚀性比原工艺提高两倍以上。
3.结语
（1）淬火加热断电保温，避免因电磁作用导致盐浴翻动造成变形和装胎具压紧超塑性回火，达到薄片齿轮微变形，合格率100%。
（2）采用1000℃短时保温空冷淬火，获得均匀的低碳板条马氏体和少量的残留奥氏体组织，经冷处理使残余奥氏体转变为马氏体，得到几乎单一的低碳马氏体。实践表明3Cr13钢单一的马氏体抗蚀性最好。经较低温度回火仅析出少量弥散碳化物，保持良好抗蚀性和强韧性。