控制螺傘齒輪熱處理變形的研究

1、控制螺傘齒輪熱處理變形的研究第7卷第1期2004年2月?lián)P州大學學報(自然科學版)JOURNALOFYANGZHOUUNIVERSITYrNATURALSCIENCEEDITI()N)VoI.7No.1Feb.2004控制螺傘齒輪熱處理變形的研究姜世杭王篤雄劉劍虹.(1.揚州大學機械32程學院.江蘇揚州,225009;2.齊齊哈爾大學化學與化學工程學院.黑龍江齊齊喻爾.161o06)摘要:從原材料開始跟蹤,對螺旋傘齒輪在碳氮共滲淬火時每一個可能引起變形的因素進行了分析,以從根本上找到變形的原因.結果表明:在拉應力的作用下,齒形變化的方式是由彎變直;拉應力主要產(chǎn)生在最終熱處理時的加熱和淬火冷卻階段

2、.據(jù)此提出了解決變形的有效措施和方法.關鍵詞:螺傘齒輪;碳氮共滲;變形分析;熱應力中圖法分類號:TG162.7文獻標識碼A文章編號:1007824X(200I1)0l一002ll_一OLl齒輪是各類機械產(chǎn)品傳動系統(tǒng)中的關鍵零件,其優(yōu)劣直接影響產(chǎn)品的整體質(zhì)量,尤其是齒輪的變形直接影響齒輪的精度.齒輪產(chǎn)生變形的因素很多,如結構形狀,原材料質(zhì)量,熱處理前的加工狀態(tài),自重以及加熱和冷卻時的支承夾持不當?shù)榷寄芤鹱冃?凡是牽涉到加熱和冷卻的熱處理過程,都可能造成齒輪變形,其中最終熱處理對變形的影響最大引起熱處理變形的主要原因是鋼的組織轉變時比容變化引起的體積變化以及熱應力引起的應變.因此,熱應力愈大,相

3、變愈不均勻.則變形愈大.為了減小變形,必須減小最終熱處理應力和提高屈服強度.顯然,凡是影響鋼的熱處理應力和屈服強度的因素都會影響到齒輪的熱處理變形,這些因素包括鋼的化學成分,原始組織,熱處理工藝參數(shù),淬火介質(zhì)的冷卻性能,熱處理之前的應力狀態(tài)以及齒輪的形狀尺寸等._】本文針對2OCrMnTiH鋼制汽車傳動從動螺傘齒輪熱處理后的變形問題,從原材料開始跟蹤分析工藝過程中引起變形的因素,并提出了具體的解決方案.1試驗材料及原始工藝從動螺傘齒輪形狀如圖l所示.齒輪用20CrMnTiH鋼制造,其化學成分見表1.淬透性為J34/9J35.5/9,符合國標規(guī)定.螺傘齒輪生產(chǎn)工藝路線為:下料一鍛造一正火一機加工

4、一CN共滲淬火一清洗一回火一噴丸一磨內(nèi)孔一配對研磨.齒坯鍛造采表120CrMnTiH鋼的化學成分Tab.1ChemicalcompositionofCSiMnCrTlPS31.110.030.0180.018用煤爐加熱,鍛后空冷,鍛造溫度為ll80C.預先熱處理采用正火處理,正火采用臺車爐加熱.整齊堆放裝爐,加熱溫度920C,保溫3.5h,出爐后分散空冷.CN共滲在無馬弗連續(xù)爐中進行.其工藝為:500C預熱.840C透燒,860C均熱,880(,N共滲,8l0C預冷淬火,每節(jié)拍均為l()min.淬火油溫6OC,時間5min.碳氮共滲處理后的齒輪進行平面度檢驗和接觸區(qū)檢驗.

5、平面變形采用對孑L變形和對邊變形檢查,如圖2所示.把齒面置于標準平面上.用塞尺檢測.若0.08mm塞尺能通過,則為不合格品:接觸區(qū)檢驗采用與標準主動齒輪相嚙合的方法,主從動齒輪配合的接觸區(qū)位移不超過2mm為合格.用MMPRECISIoNSYSTEM進行齒形檢測.試驗齒輪為360只.收稿日期:2003O401Email:Jshihagsh:a.cotrt第L期姜世杭等:控制螺傘齒輪熱處理變形的研究圖1齒輪示意圖Fig.1Schematicofgears固對孔變形對邊變形25圖2平面變形的檢查方法Fig.2Inspectionmethodofplanedeformation2結果及分析圖3和圖4分

6、別為原材料和鍛造后的金相組織.可見,原始組織中有輕度帶狀組織.鍛造后組織為F+P呈網(wǎng)狀分布,晶粒大小分布不均勻.實際晶粒度按GB639486標準評定,鍛造后晶粒度為4級.正火后的硬度為l75l90HBS,符合規(guī)定要求.圖3原材料的金相組織Fig.3Microstructureofrawmaterials圖4鍛造后的金相組織Fig.4Microstructureofsmithing平面度檢查結果為l8只不合格,變形量為0.O90.15mm,合格率為95.經(jīng)過對平面度超差的齒輪進行分析,發(fā)現(xiàn)有一部分是人為因素造成的,如因為上道工序殘留下來的切屑粘在齒上面,裝爐時齒輪之間互相擠壓,卻因切屑的存在而使

7、其中留有空隙,當碳氮共滲時,溫度很高.材料的屈服強度降低,在壓力的作用下產(chǎn)生變形;還有一種是在鉆孔處發(fā)生變形,原因是鉆孔歪了;另外,有時相鄰兩個料筐的合格率不一樣,甚至相差很大,但爐內(nèi)氣氛比較均勻.不可能是因碳氮共滲淬火時而產(chǎn)生的差異,這說明與裝爐質(zhì)量有關.或許有一料筐沒有嚴格地按照工藝來安裝,也可能在進爐時因碰撞引起齒輪的松動,從而引起裝爐質(zhì)量的改變,導致這一料筐的變形量很大.接觸區(qū)檢驗合格率為94.按圖5所示對齒形進行變形檢測,結果如表2所示.可見經(jīng)過碳氮共滲淬火處理后的齒輪均有螺旋線齒形變直的趨勢,如圖6所示.齒形有變直的趨勢是在拉應力的作用下產(chǎn)生的,說明齒形在滲碳淬火過程中產(chǎn)生了拉應力

8、.將變形齒形與正常齒形進行比較,從組織上看不出差異.根據(jù)對工藝的分析,齒形變形主要可能產(chǎn)生在加熱和淬火冷卻階段.1)加熱階段.20CrMnTiH鋼Ac.的溫度為825C,在由500C加熱到840(,的過程中,表面先開始轉變?yōu)閵W氏體,因為奧氏體的比容小,表面開始收縮,從而產(chǎn)生了拉應力,使齒形變直.2)淬火冷卻階段.在從810C降到6OC的過程中,產(chǎn)生熱應力和組織應力.熱應力引起的變形主要發(fā)生在齒輪的冷卻初期,此時工件的內(nèi)外溫差較大,由于內(nèi)部和外部冷卻的時間差,表面先冷卻.造成熱脹冷縮,在表面產(chǎn)生了拉直力.另外,由于齒形處厚度小于齒根處厚度.冷卻初期壁薄部位冷卻速度快,熱收縮較大.壁厚部位冷卻速度

9、慢,熱收縮較小,丁是在齒形部產(chǎn)生拉應力.而20CrMnTiH為低碳鋼,高溫時塑性較好,屈服強度較低.在拉應力的作用下齒形變直.齒輪碳氮共滲后,表層為高碳,26揚州大學學報(自然科學版)齒接觸I×變形量第7卷圖5齒形變形檢測點圖圖6齒形變形趨毋Fig.5SchematicofdeformationtestingpointsonthedentiformFig.6Deformationtendencyofdentiform而心部為低碳,Ms點由表及里逐漸升高,因此馬氏體相變往往不是從表面而是從里層某一部位首先開始.馬氏體相變體積膨脹,使表層和心部受拉應力作用.當表層冷到Ms點以下發(fā)生馬氏體

10、相變時.心部強度提高,已難以發(fā)生塑性變形,此時,表層受壓應力作用;當表層冷到Ar(約為600C)之前.表層高碳奧氏體隨溫度降低而發(fā)生熱收縮,而心部低碳奧氏體無論轉變?yōu)楹畏N組織.體積都發(fā)生膨脹.因此表層受拉應力作用.碳氮共滲層的深度,含碳量以及淬火后心部的硬度都會影響組織應力的大小.含碳量增加,馬氏體比容增大,Ms點降低,殘余奧氏體量增多,淬透性增大,屈服強度升高.淬透性和馬氏體比容的增大.使組織應力引起的變形增大;而殘余奧氏體量增多和屈服強度升高,則減小組織應力引起的變形.可見,組織應力引起的變形是很復雜的,其變形主要發(fā)生在齒輪冷卻初期.總趨勢是在拉應力的作用下齒形變直.表2齒形變形量Tab.

11、2Thedimensionvariationofdentiform根據(jù)以上分析結果,筆者認為解決變形的重點主要是碳氮共滲淬火過程的應力控制,特別是熱應力的控制,但也與原材料的質(zhì)量,鍛造的溫度,預先熱處理的工藝過程有關.3改進措施根據(jù)以上試驗結果,建議螺傘齒輪的生產(chǎn)藝采取以下改進措施.3.1原材料的質(zhì)量控制盡量從一個鋼廠進原材料.不同批次鋼材的成分波動應控制在一個較小的范圍內(nèi).且嚴格控制淬透性帶寬的范圍.因為淬透性對齒輪變形有很的影響.一在生產(chǎn)時要做到按爐號跟蹤.同一批次的產(chǎn)品應出自同一爐號.以便分析產(chǎn)生變形與成分的關系.t,t一.-T_,第l期姜世杭等:控制螺傘齒輪熱處理變形的研究273.2鍛

12、造和正火質(zhì)量的控制鍛造后形成的流線結構,鍛造溫度過高產(chǎn)生的過熱組織都會影響齒輪最終熱處理后的變形.因此,應嚴格鍛造工藝,控制始鍛,終鍛溫度和鍛造比.改善帶狀組織,以減小齒輪的變形.正火的組織均勻性會影響齒輪的變形.正火組織不同.比容就不同.最終熱處理中齒輪產(chǎn)生的尺寸變化就不同.因此,正火出爐時要求分散均勻,當冷速不足時,可以用排風加快冷卻,以便達到硬度190HBS的要求.同時,還要考慮冬季和夏季對正火硬度的影響.3.3工藝路線調(diào)整合理裝料.在裝爐時要嚴格按照工藝要求來安放.以降低平面度的變形率.由于機加工過程會產(chǎn)生一定的應力,并在最終熱處理時釋放出來,從而導致變形的產(chǎn)生,因此應增加一道去應力退

13、火工藝.3.4調(diào)整最終熱處理工藝1)透燒階段溫度由500C升到840C時,溫差達340C,因而會產(chǎn)生較大的熱應力,且為拉應力.為使變形降低,應將透燒溫度改變至750C.2)淬火冷卻過程中會產(chǎn)生組織應力和熱應力.而低碳鋼以熱應力為主.為減少冷卻過程中的熱應力,使變形降到最低,淬火溫度應由810C降低到780C.3)一般情況下,應盡量采用在高溫區(qū)冷卻能力大,低溫區(qū)冷卻速度小的淬火介質(zhì).但為了減少以熱應力為主引起的變形,在保證齒輪淬火后表面和心部硬度達到要求的前提下,應盡量采用在高溫區(qū)冷卻能力低的淬火介質(zhì);為了使淬火的齒輪和每個齒輪的各個部位盡可能均勻冷卻,淬火油應有較好的流動性.熱油能夠增大淬火介

14、質(zhì)的流動性,又能縮小與工件的溫差.因此,油溫應由8OC提高到1O0C,這樣可以在保證淬透的情況下,降低熱應力.減小變形.本試驗經(jīng)過上述一系列的改進措施,降低了淬火時的應力,減少了齒形和平面度的變形.重新進行360只齒輪的跟蹤檢查,平面度檢查結果合格率為999/5,接觸區(qū)檢驗合格率為99,齒形的變形量較表2有所減小,這說明齒形變直現(xiàn)象有所減輕.總合格率達到98.4參考文獻1王廣生,石康才,周敬恩,等.金屬熱處理缺陷分析及案例M.北京:機械工業(yè)出版社,1997.8-Il14,4l94232區(qū)文波.滲碳齒輪熱處理變形的分析及減少變形的對策J.機械開發(fā),l996,25(1):814E3張宏貴.使用保證

15、淬透性鋼的必要性J.金屬熱處理.1989,lI4(6):!,34StudyondeformationcontrollingofbevelgearatheattreatmentJIANGShihangWANGDuxiongLIUJianhong(1InstofMechEngin,YangzhouTniv,Yangzhou.225009.China:2.(hem&ChemEnginInst.QkpharSniv.Qiqihar.161006.China)Abstract:InordertOfindtheactualdeformationreasonsofbevelgears.thepossiblefactorsoftheinfluencingdeformationatcarbonitridingand(1Llenchingareanalyzed.Theresultshowsthatthedeformationtendencyofdentiformisfromcurvedt()straightduetOthetensile