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从动齿轮渗碳淬火锥度变形的改善
2019-02-27 00:00:00 来源：感应加热设备 点击：1526 喜欢：0
随着国内铁路的大发展，机车齿轮的产品也越来越多。在硬齿面齿轮的制造中，渗碳淬火作为重要的一种齿面硬化工艺方式，从强度的观点，渗碳具有最好的综合力学性能，因此机车齿轮目前仍普遍采用渗碳淬火作为齿面硬化方式。但由于渗碳淬火齿轮硬化工序复杂，齿轮容易产生变形，不仅会使后续磨削量增加，生产成本提高，且影响齿轮的制造精度，降低承载能力，最终影响齿轮的使用寿命。因此，在齿轮行业，减少齿轮渗碳淬火畸变一直是一项摆在热处理工作者面前的重要课题。
本文针对某型号机车从动齿轮在实际生产过程中热处理变形大的问题，进行了分析，提出了改善措施，并进行了试验验证。
1.齿轮相关参数和热处理工艺
某型机车从动齿轮结构如图1所示，齿轮重量350kg，材料为18CrNiMo7-6。采用爱协林井式渗碳炉生产线进行渗碳淬火，淬火介质采用快速淬火油。
热处理技术要求：有效硬化层深度1.6~2.2mm，磨齿时单边留磨量0.35~0.45mm。金相组织符合ISO 6336-5 MQ级以上要求。
图1 齿轮结构示意
齿轮的制造工艺流程：齿坯锻造→预备热处理→半精车→滚齿→渗碳淬火→喷丸→精车→磨齿→磁粉探伤。
试制时，齿轮的热处理工艺路线：经920℃渗碳，降温至860℃出炉缓冷，640℃高温回火，重新加热淬火，两次低温回火。渗碳、淬火时装夹状态如图2所示。
图2 渗碳淬火装夹示意
2.热处理变形及分析
渗碳淬火后齿轮变形量如表1所示。由表1可看出，齿轮发生了较大的锥度变形，如图3所示。热处理后公法线沿齿高方向相差较大。磨齿后，造成齿面有效硬化层深度不均匀。
图3 热处理后齿轮畸变趋势（虚线部分）
表1 齿轮渗碳、淬火后变形量
渗碳后的锥度变形是由齿轮长时间在高温下保温因自重产生的蠕变所致。所谓蠕变就是在高温及数值不变的应力作用下，随着时间而不断增加着材料的变形过程。钢在高温状态下强度很低。该齿轮属于薄腹板从动齿轮，腹板厚最小处仅25mm。由于轮齿部位缺乏足够的支撑，在高温下，齿轮腹板处强度大幅度下降，不能抵御自重力作用，在长时间渗碳过程中，齿轮蠕变引起严重的锥度变形。
零件淬火时，齿宽部位受到不均匀冷却，先冷却的那半边收缩，在热边的受制下冷边受拉应力，而热边受压应力。由于热边在高温下的塑性较好而被压缩。在冷却到一定程度后，热边开始冷却，也要发生收缩现象，此时应力状态发生变化，先冷边为压应力，后冷边为拉应力。冷却后期，由于处于较低的温度，不能产生明显的塑性拉长，不能抵消原先被压缩的数量值，先冷边都不能发生明显的塑性增长和缩短，因此工件冷却的最终结果是先冷边缩小，后冷边胀大。
3.改善措施
渗碳时，解决该问题的方案就是在轮齿部位增加楔形垫块支撑。
淬火装夹时，将齿轮朝上方向与渗碳方向反向，使得淬火保温时，能反向校正部分渗碳时由于自重引起的锥度变形。改善后，齿轮的装夹示意如图4、图5所示。
图4 齿轮渗碳装夹示意 图5齿轮淬火装夹示意
淬火加热时，将两个齿轮轮齿部位的间隔由原来的50mm增加到100mm，以改善入油淬火时淬火油流动情况，使齿轮各处冷却均匀，各处涨量趋于一致。
改善后，热处理变形情况如表2所示。由表2可以看出，渗碳后，齿轮上下锥度变形变化不大。但淬火后，齿轮上下锥度变形量平均值减小0.296mm，变形量减小64%。
表2 改善后齿轮渗碳淬火变形量
4.结语
（1）齿轮装夹时，在齿部位使用平整的楔形垫块支撑，可保证薄腹板整体式从动齿轮轮辋部位在渗碳过程中的强度，减小因自重而产生的变形。
（2）淬火时，齿轮装夹与渗碳时反向，可有效改善渗碳时的锥度变形。
（3）淬火时，齿轮的上下间距应符合工艺要求，保证淬火时齿轮冷却均匀。
（4）渗碳、淬火后要及时测量变形情况，并根据测量结果，及时调整热处理工艺和装炉方式。
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