大型齿圈的深层渗碳工艺优化

1.技术参数

硬齿面大型中心传动齿轮减速器是一家公司的旗舰产品。由于市场行情井喷，订单超过100单，单重3860公斤，材质20CrMnMo。每台减速机含I级齿圈2件，齿圈外形尺寸ф 2791 mm× ф 2250 mm× 264 mm，径宽比(直径/齿)热处理技术要求见表1。可见，渗碳淬火硬化层深度≥3.6≤3mm，端面翘曲≤3mm，根据相关文献可知，大齿圈深度渗碳淬火的难点包括变形控制和微观组织。这也是本文的技术风险点。

表1一级齿圈热处理技术要求

渗碳工艺层深度/毫米

3.6~4.1/HV550

硬化硬度

58~64

金相组织

根据JB/T6141.3《重载齿轮渗碳质量检验》

碳化物:≤3级，马氏体，残余奥氏体，铁素体:≤4级。

热处理变形/毫米

端部翘曲≤3°

2.容量估计

第一类齿圈热处理设备为VBS 2800/2500渗碳炉，其设计能力计算见表2。可以看出，生产是按照常规热处理工艺(渗碳+高温回火+淬火)来组织的，整个热处理过程约350天，给进度带来了前所未有的压力。

表2 VBES 2800/2500渗碳炉设计能力计算表

VBES2800/2500渗碳炉参数

热处理零件的充电参数

工作尺寸/毫米

Ф2800×2500

实际充电尺寸/毫米

Ф2791×1056

(可装4件)

90℃材料架负荷/吨

17

实际装载重量/吨

15

容量估计

累积渗碳和淬火炉次数

50个熔炉(总共200个，每个熔炉4个)

渗碳淬火周期/天

七

热处理过程总时间/天

350

二、工艺方案

如前所述，本文的研究重点包括三个方面:组织形式、变形控制和生产率。为了解决碳化物形态问题，作者经过多年努力，探索推广了缓冲渗碳工艺(如图1a所示)。在此基础上，本文进行了进一步的优化，优化后的缓冲过程曲线如图1b所示。为了减少翘曲，增加充电容量，本文对充电模式进行了改进，常规和改进后的充电模式分别如图2a和图2b所示。

大型齿圈渗碳装料模式

1.常规深层渗碳工艺

(1)装料炉

参考表1，常规熔炉装料的物理照片如图2a所示。采用传统的碳钢焊接料架，在930℃抗蠕变性差，使用一炉后料架翘曲变形超过3毫米。

(2)过程曲线

常规工艺曲线如图1a所示。渗碳炉温度为860℃，工件容易发生较大变形。由于料架变形和高温出炉的双重影响，每炉次翘曲变形超过4mm，约有两个一级尺寸齿圈返工修正。

2.深层渗碳优化工艺

(1)装料炉

本文经过长期研究发现，减速器内二等大齿圈(材质:20CrMnMo，齿宽约500mm)，渗碳淬火翘曲变形得到控制(小于2mm)。根据这一经验，本文将一种工业废料齿圈转化为一种新型工具，如图3所示。在报废的齿圈外圆上焊接16个支撑块，使其直径扩大到2700mm，增加与工件的接触面积，有效装炉尺寸可达ф 2800 mm× ф 2100 mm，使用3号炉后，上下端面可铣成平面，重新投入使用。

大型齿圈新的装炉工具

使用新工装(无料架)的装炉方式如图2b所示，一级大型齿圈的装炉能力由4台提升至8台。

(2)过程曲线

优化后的缓冲渗碳工艺曲线如图2b所示，不同于优化前860℃渗碳，高温回火后再加热到660℃。渗碳后，采用快速冷却至660℃的方法进行高温回火。

(3)优化测试

优化后的工艺采用快速冷却，但炉内冷却速度低于炉内慢冷坑，网状碳化物易在渗层表面析出。本文尝试调整冷却碳势的思路，达到防止不良碳化物析出和保证齿面硬度的双重目的。本文设计了三组不同冷却碳势的工艺试验。

试验对象为φφ25mm圆形试棒(材质:20CrMnMo)，工艺流程:缓冲渗碳(如图1b所示)→淬火→低温回火。如表3所示，渗碳和冷却时的三组工艺试验分别采用了0.8%、0.7%和0.6%的碳势，淬火和低温回火的工艺参数完全一致。

表3三组工艺试验的工艺参数

组

a

b

c

冷却碳势/%

0.80

0.70

0.60

淬火过程

850℃，1小时

低温回火

200℃，2h

三.结果和分析

1.渗透层结构

本文采用LYMPUS-GX71显微镜，根据JB/T 6141.3重载齿轮金相标准，分别对三组试验中渗层表面的显微组织进行了评价，如图4所示。可以看出，工艺A获得了不良的角块状碳化物，工艺B和工艺c获得了分散的粒状碳化物。

不同冷却碳势的渗碳表面结构

2.表面硬度

本文用MH-60显微维氏硬度计测试了三种不同试验的表面硬度。如表4所示。可以看出，工艺A和工艺B获得的齿面硬度较高，而工艺C获得的齿面硬度较低。

从图4和表4可以看出，工艺B(冷却碳势:0.7%)渗碳层表面粒状碳化物分散，表面硬度为59HRC，达到了试验目的。

表4不同冷却碳势的表面硬度

组

a

b

c

冷却碳势/%

0.80

0.70

0.60

齿面硬度HRC

(距离表面0.1毫米)

62.4

59.7

56.1

冷却碳势为0.7的缓冲渗碳已延长20多炉，第一阶段约为3.9mm/HV550，渗碳层深度大齿圈渗碳层深度大。真实齿面硬度为59.3~60.5HRC，符合技术要求。

3.变形统计

采用新工装后齿圈渗碳淬火翘曲的统计见表5。可以看到齿圈使用新工装后翘曲明显改善，从优化前的4mm以上降低到1.5 mm以下。

表5 I/kloc-0级/使用新工装后的变形统计

画

4.成本分析

工艺优化前后成本的粗略比较如表6所示。可以看出，通过工艺优化，生产能力(充电能力)提高了50%；效率(周期缩短)提高40%以上；年成本降低约100万元。

表6流程优化前的成本对成本分析

优化项目

优化前

优化后

熔炉工件数量

四

八

装料重量/千克

15440

30880

200件齿圈累积热处理

50

25

200件齿圈累计处理周期/天

350

200

总成本/万元

250

150

四.结论

(1)快速冷却至660℃，直接高温回火，优化深渗碳淬火工艺，冷却碳势设定为0.7%。得到以下结果:渗碳层表面的粒状碳化物分散；渗碳层深度为3.9mm/HV550，齿面硬度为59.3~60.5HRC，满足技术要求。

(2)通过使用新的装炉夹具，一级大齿圈的翘曲变形从4毫米以上降低到1.5毫米以下。

(3)通过工艺优化，产能提升50%；效率提高40%以上；年成本降低100万元。

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