案例分享：薄壁齒圈滲碳淬火畸變控制
齒圈（見圖1）設計所用材料為20Cr2Ni4A，其主要化學成分和臨界點見表1，齒圈要求整體滲碳，滲碳層深0.9~1.2mm，表面硬度≥60HRC，內花鍵參數見表2。從齒圈的結構分析，花鍵為內花鍵，壁薄，熱處理時更容易產生畸變，畸變控制難度加大。
圖1 齒圈簡圖
①RJJ-90井式滲碳爐，有效尺寸φ600mm×900mm，最高工作溫度950℃，加熱功率90kW，最大裝爐量500kg。②Aichelin轉爐，有效尺寸φ400mm×70mm。表1 20Cr2Ni4A齒輪材料的主要化學成分與臨界點
表2 花鍵參數
20Cr2Ni4A鋼合金元素總含量（質量分數）大于5%，屬高合金滲碳鋼。該鋼種淬透性高，具有優良的綜合力學性能，特別是Ni含量較高，使鋼具有良好的強韌性和淬透性。20Cr2Ni4A鋼的合金元素Cr、Ni均能推遲奧氏體轉變，因此該鋼過冷奧氏體在珠光體區間的穩定性很高，即使空冷也發生貝氏體轉變。表層滲碳后，由于碳和合金元素的綜合作用，使貝氏體轉變曲線大大右移，貝氏體等溫轉變圖“鼻尖”的孕育期由滲碳前的十幾秒推遲到二十幾分鐘，可以空淬成馬氏體或貝氏體。該材料在滲碳處理后，表層的碳及其他合金元素大量溶入到奧氏體中，顯著提高了奧氏體的合金化程度，其滲碳層與心部的馬氏體轉變點（Ms）為271℃，而滲碳層的馬氏體轉變點（Ms）降至80~90℃，這樣就大大提高了過冷奧氏體的穩定性，經滲碳空冷后表層組織為馬氏體及大量殘留奧氏體，從而影響淬火后的硬度。要消除大量殘留奧氏體，不能像一般低合金滲碳鋼那樣采用直接淬火法，經二次淬火反而使殘留奧氏體增多導致硬度下降。對這類高合金滲碳鋼有其獨特的處理方法，即滲碳后于650℃高溫回火。回火時，在一定的溫度下，從殘留奧氏體中析出碳化物的過程是一個原子擴散過程。溫度越高越有利于擴散，析出碳化物增多，使殘留奧氏體的過飽和度減小，有利于殘留奧氏體轉變。但回火溫度也不能太高，因為高碳表面層的奧氏體，溫度約為700℃，過高的回火溫度容易引起相變，反而使奧氏體中溶入更多的碳和合金元素，提高了奧氏體的穩定性，增加殘留奧氏體量。
熱處理畸變是零件熱處理后其形狀和尺寸發生變化的一種物理現象。引起熱處理畸變需要具備三個條件：應力、塑性、作用時間。薄壁齒圈的畸變特征主要體現為錐度、圓度、內外徑的漲縮和端面翹曲。（1）粗加工后將零件調質至28~32HRC，這樣既有助于改善可加工性，提高零件表面加工精度，又能最大限度地減少粗加工中產生的殘余應力，為后期的滲碳、淬火提供良好的條件，從而控制變形量。（3）滲碳空冷，高溫回火后測量齒圈的外徑，圓度大的增加壓力校圓處理，使齒圈的圓度控制在0.2mm以內。熱處理生產所用工藝：滲碳→高溫回火→校圓→帶心軸淬火→兩次低溫回火→拋丸。檢查試樣用同爐的φ32mm圓棒試樣。（1）滲碳：930℃強滲期2.5~3h，碳勢1.18%CP左右，擴散期1.5h，碳勢0.68%CP左右；降溫至800℃后出爐空冷。（2）高溫回火：650℃保溫2h，冷至550℃出爐。（3）對圓度變形大的齒圈進行壓力校圓處理，使變形量控制在0.2mm以內。（4）帶心軸淬火：溫度800℃，碳勢0.85%CP，保溫時間1.5h，用分級淬火油，淬火油溫65℃，淬火時間1min。（5）兩次低溫回火：根據實測硬度值確定為140℃，保溫4h。（1）組織形態。試樣的顯微金相組織如圖2所示，組織為隱針馬氏體+少量鐵素體+少量殘留奧氏體。
圖2 顯微金相組織
（2）表面硬度。在齒圈的花鍵齒面和端面檢測硬度在60~61HRC，其中齒面硬度稍高。
圖3 硬度梯度
（4）在四件齒圈的端面分別作標記1~4號，經熱處理后測量圓度和內花鍵M值都滿足要求（見表3、表4），其中圓跳動在0.08~0.15mm變動，M值在0.11~0.17mm。表3 外徑熱處理后數據 （mm）
表4 花鍵M值熱后數據表 （mm）
經檢測，齒圈的各項熱處理技術要求均達標，畸變也均控制在合理范圍內，為以后生產此類薄壁齒圈提供了理論依據。為了滿足20Cr2Ni4A齒圈的技術條件，需要對材料的特性、機加工工藝流程以及滲碳和淬回火的全過程進行細致的分析，通過采取以下針對性的措施，使齒圈滲碳淬火畸變控制在合格范圍內。（1）增加調質處理，改善可加工性，提高零件表面加工精度，消除粗加工中產生的殘余應力。（2）齒圈滲碳空冷，高溫回火后在圓度較大的情況下可進行校圓處理。（3）對薄壁內花鍵類零件需要設計合適的工裝進行壓淬處理，以控制內花鍵的變形。（4）采取合理的裝爐方式能適當減小變形。
作者：唐富生
單位：杭州前進齒輪箱集團股份有限公司
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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