在汽車傳動(dòng)齒輪生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，滲碳淬火工藝是齒輪生產(chǎn)中的重要熱處理流程。齒輪經(jīng)過滲碳淬火后，強(qiáng)度、耐磨性能以及使用壽命都得到了大幅提升。滲碳淬火工藝過程較為復(fù)雜，在高溫滲碳和淬火因素影響下，齒輪在組織轉(zhuǎn)變過程中會(huì)產(chǎn)生不同方式的變形。作為齒輪生產(chǎn)的后續(xù)工藝，熱處理變形量大、變形一致性差等因素將帶來齒輪裝配返修頻繁、高報(bào)廢率、齒輪裝配使用性能降低等問題。
熱處理變形一般是指工件的淬火變形，主要是由內(nèi)應(yīng)力引起的。內(nèi)應(yīng)力又分為熱應(yīng)力和組織應(yīng)力兩種。熱應(yīng)力與材料的線膨脹系數(shù)有關(guān)，而組織應(yīng)力和所發(fā)生的組織改變則同組織的比容改變有關(guān)。淬火后組織通常為馬氏體組織。這種淬火馬氏體的比容較其他組織都大，因此，淬火后的工件均會(huì)有體積漲大的現(xiàn)象。由于體積變化以 及在工件各部分加熱冷卻不均勻而形成的熱應(yīng)力、組織應(yīng)力將導(dǎo)致工件發(fā)生畸變或翹曲。在淬火工件尺寸增大時(shí)，所發(fā)生畸變、翹曲情況更為嚴(yán)重。本文以某 20CrMnTi 輕車平臺(tái)齒輪為研究對(duì)象，研究了兩種裝料方式對(duì)齒輪熱處理變形的影響，旨在為廣大技術(shù)人員及生產(chǎn)現(xiàn)場就如何控制熱處理變形提供參考。
一、試驗(yàn)?zāi)康呐c方案
變形分析
齒輪滲碳過程中，隨組織應(yīng)力和熱應(yīng)力的作用而發(fā)生變形，其變形的大小和變形規(guī)律取決于滲碳鋼的化學(xué)成分(坯件來料)、工件的幾何形狀和尺寸、熱處理前的加工狀態(tài)、熱處理工藝參數(shù)等因素。對(duì)于批量生產(chǎn)而言，相比控制變形的大小、一致性，獲得變形規(guī)律對(duì)于調(diào)整熱處理前加工參數(shù)更有意義。
基于實(shí)際批量生產(chǎn)中同一工件在采用同批毛坯、相同機(jī)加工藝的前提下，針對(duì)同爐工件在不同位置熱處理后狀態(tài)呈離散型、分散程度高、一致性差的問題，加熱均勻性和冷卻均勻性成為影響工件一致性的首要因素。加熱和冷卻不均勻?qū)е聽t內(nèi)各部分溫度梯度不同，產(chǎn)生的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力不同，導(dǎo)致各零件熱處理后變形不一致。
同爐工件在爐內(nèi)不同位置的熱變化、冷處理過程均勻性影響因素既受設(shè)備影響，如設(shè)備內(nèi)加熱管排布位置、循環(huán)空氣走向、攪拌速度等;也受零件裝料方式影響，特別是零件從滲碳轉(zhuǎn)入淬火冷卻過程中，因時(shí)間差導(dǎo)致各零件散熱不一致，冷卻速度相差甚遠(yuǎn)。在實(shí)際生產(chǎn)中，確定裝料方式相對(duì)于控制毛坯材料間化學(xué)成分、金相組織等更有效、更直接。因此，本文基于實(shí)際生產(chǎn)，主要開展不同裝料方式對(duì)齒輪熱處理變形一致性、穩(wěn)定性試驗(yàn)探索，齒輪變形主要原因分析如圖 1 所示。
試驗(yàn)?zāi)康?/strong>
采用堆垛式工裝(以下簡稱：舊工裝)裝料時(shí)，零件與零件相接觸，基本無間距。該裝料方式下，整爐零件各工件在加熱和冷卻時(shí)的溫度梯度存在較大差異。為減小該差異對(duì)同爐零件帶來的變形影響，本文設(shè)計(jì)出一種實(shí)現(xiàn)零件分層擺放的矩陣式工裝(以下簡稱：新工裝)，讓同爐零件在加熱過程、冷卻過程中各工藝條件更加均勻。
為驗(yàn)證新工裝效果，本文展開新工裝和舊工裝兩種裝料方式對(duì)變形和滲碳質(zhì)量的影響。
試驗(yàn)方案
試驗(yàn)采用 20CrMnTi 合金材料齒輪，其化學(xué)成分為 0.17%～0.23%的 C、0.17%～0.37%的 Si、0.8%～1.1%的 Mn、1.0%～1.3%的 Cr。
1)齒輪鍛造、銑削等工序結(jié)束后，每輪試驗(yàn)隨機(jī)選取 15 套齒輪，并進(jìn)行刻字編號(hào)，檢查熱前精度和齒形等。每個(gè)試樣檢測 4 個(gè)齒，檢測齒分布如圖 2 所示。
2)檢測完精度和齒形的齒輪按圖 3 所示位置裝爐。
3)裝爐完成后，將已測量樣件按預(yù)氧化、清洗、滲碳淬火、低溫回火、清洗等工序進(jìn)行熱處理。滲碳淬火工藝為氣體滲碳，采用愛協(xié)林箱式多用爐，具體工藝為升溫到 920 ℃，均溫 90 min，然后升高碳勢至 1%進(jìn)行 300 min 強(qiáng)滲碳，再降低碳勢至 0.8%進(jìn)行 150 min 擴(kuò)散，隨后爐冷卻至 850 ℃，保溫一定時(shí)間后進(jìn)行淬火。其余相關(guān)工藝參數(shù)如表 1 所示。
4)熱處理完成后檢測熱后精度、齒形、平面度、齒輪滲碳層深和硬度。熱后精度及齒形檢測位置同熱前保持一致。
二、試驗(yàn)結(jié)果與分析
齒輪精度變化對(duì)比
圖 4 為新舊工裝精度等級(jí)變化分布。多輪試驗(yàn)數(shù)據(jù)抽取顯示，采用矩陣式新工裝結(jié)構(gòu)，齒輪精度最大變差從 4 級(jí)降低至 2 級(jí)，有效減少 2 級(jí)。且精度變化 2 級(jí)從舊工裝 0%增加至新工裝100%， 占比有效提升 100%。
齒形變化
凸面齒形變化：圖 5 和圖 6 為同一顆齒凸面與標(biāo)準(zhǔn)齒形對(duì)比的熱處理變化量。由兩圖對(duì)比可知，矩陣式新工裝裝爐方式優(yōu)化后，凸面齒形變化在±10 µm 以內(nèi)占比 100%。相比舊工裝在±10 µm 以內(nèi)占比 55.56% 而言，提升 44.44%。由此可見，使用優(yōu)化后的裝爐方式熱處理凸面齒形變化更小，一致性更好。
凹面齒型變化：圖 7 和圖 8 為同一顆齒凹面與標(biāo)準(zhǔn)齒形對(duì)比的熱處理變化量。由兩圖可知，矩陣式新工裝裝爐方式優(yōu)化后，凹面齒形變化在±40 µm 以內(nèi)占比 94.4%。相比舊工裝在±40 µm 以內(nèi)占比 50%而言，提升了 44.4%。由此表明，使用優(yōu)化后裝爐方式熱處理凹面齒形變化更小，一致性更好。
平面度變化
圖 9 為兩種不同裝料方式熱后平面度分布。由圖 9 可知，采用矩陣式新工裝的平面度變化更小，一致性控制更好。
滲碳層深和表面硬度
由表 2 可知，采用矩陣式裝料方式后，同爐滲碳層深變化量由 0.3 mm 減小到 0.1 mm，同爐硬度變化量 2 HRC 降低到 1 HRC。該方式有助于氣氛均勻性和工件加熱、冷卻的均勻性，有效將滲碳層深和表面硬度控制在一定范圍內(nèi)。
三、結(jié)論
1)采用矩陣式工裝，可以有效抑制齒輪熱處理變形，無論從齒形、精度、平面度方面一致性更好，能更好的通過反調(diào)控制變形;2)采用矩陣式結(jié)構(gòu)工裝，整爐零件層深和表面硬度變化更均勻;3)矩陣式結(jié)構(gòu)工裝應(yīng)用于熱處理生產(chǎn)當(dāng)中，可以更好的提高以及控制產(chǎn)品質(zhì)量。
本文通過工裝條件的變化闡述了熱處理變形研究。滲碳熱處理變形控制，受材料、預(yù)備熱處理、熱處理工裝、參數(shù)等諸多參數(shù)影響，最終控制方式應(yīng)采用最適合實(shí)際狀態(tài)的。
參考文獻(xiàn)略.