多用炉热处理工艺研究

1、多用炉热处理工艺研究摘要： 为了降低生产成本，对5t14m1主减速齿轮进行了剃齿工艺替代磨齿工艺的研究，经验证，该工艺方法可靠，在降低生产成本的同时能够满足使用要求。关键词： 热处理变形剃齿磨齿1 引言在采用前驱方式的轿车变速器中，差速器是广泛使用的一种传动装置, 主减速器从动齿轮是差速器中的最重要齿轮部件，它承担着大减速比及传递重载转矩的功能。（如图1）其制造精度较高。当前，国内外对该齿轮加工方法主要有剃齿及磨齿两种工艺路线，但由于材料及热处理原因，大部分厂商都采用磨齿工艺，即齿坯加工滚齿热处理硬车内孔和端面磨齿成品，但该工艺因涉及磨齿，效率较低，而且将齿轮表面最硬的一层硬化层磨掉了，降低了

2、齿轮寿命。因此，在可以保证精度的情况下，磨齿并非最好的工艺路线。2 问题分析为了提高效率并有效降低成本，采用剃齿工艺，工艺路线为：齿坯加工滚齿热处理硬车内孔和端面成品，即在热处理后不对齿轮进行精加工，关键尺寸、齿轮精度都在热处理过程中保证，通过分析，该齿轮主要的制造难度在内孔和b端面的热处理畸变，以往的生产过程记录显示b端面的平面度在0.08-0.25mm 之间，因齿轮内孔和端面是检验和安装基准，内孔和端面的超差直接安装后差速器异响的问题较突出。因此，控制内孔的热处理畸变及端面的平面度是剃齿工艺成功的关键。该齿轮属于薄壁齿轮，形状复杂，内孔尺寸、外径尺寸较大，有效厚度相差较大，通过对齿轮热后变

3、形数据的测量，热处理后，齿轮呈碗状翘曲变形，内孔呈椭圆变形，因此该种变形属于组织应力作用的结果，横截面相差越大，则端面畸变量越大。热变形是一项非常复杂的系统工程，影响因素很多，为了理清头绪，对重大的影响因素进行了梳理，从原材料与预备热处理、热前齿轮精度、热处理工艺等方面进行了研究。3 措施的提出与验证为了研究主要的影响因素，设计如下试验方案：材料： 20crmoh（j9=30-36hrc）或日标scm420 为了保证试验数据的真实有效，试样均为实际生产零件。试样数量：每炉（320 件）随机抽取20%的抽样。抽样方式：随炉随机抽样。试验方法渗碳淬火工艺试验在爱协林vkes4/2 型多用炉上进行；

4、淬火油采用好富顿mt355 牌号淬火油。齿轮端面平面度测量工具使用专用检具（如右图所示），内孔检测使用内孔量仪。3.1 原材料的影响该种齿轮材料牌号为20crmoh ，为国内外主要的齿轮制造中端材料，考虑试验要求，使用了日本新日本制铁公司（nippon steel ）scm420 （等同于 20crmoh ）进行一炉次的试验，试验方案为垂直挂装，使用a工艺（下注），主要的检测结果如下表所示：表1 不同钢厂材料对端面变形的影响材料类型不同端面平面度所占比例（% ）0.06 0.07-0.12 0.12 石钢 20crmoh 71.2 15.8 13.0 nippon steel scm420 9

5、3.6 3.3 3.1 图3 nippon steel齿轮精度由上表可知，国产钢材与日标钢材在热处理性能方面存在较大的差距，日标钢材的热变形性能较好，合格率达到 93.6%，使用日标钢材配合较为合理的热处理工艺，基本可以达到99% 左右的端面变形合格率，同时可以保证较为良好的齿轮精度（齿形变形约0.015 ，齿形变形 0.02 ，fp约为 0.08 ，fr约0.075 ），但由于进口钢材价格昂贵，该方案难以实际进行。3.2 预备热处理的影响渗碳钢的预备热处理组织一般为均匀的等轴珠光体和铁素体，在正火过程中，由于保温不充分或冷却不当，其内部的组织偏析“带状组织”和“魏氏组织”不能完全消除，而这两

6、种组织状态的存在会直接影响齿轮淬火后的变形，同时通过研究发现，铁素体和珠光体的等级也会对变形产生一定影响，但是较为轻微，总体规律是铁素体和珠光体级别越小，变形越小，级别越大变形加剧。经过对热前零件的组织检测，并随炉抽检同批次零件热处理后的端面变形，对应测量数据统计的结果如表 1所示。从表 1可知，毛坯组织的优劣对该类零件热处理后的端面变形影响显著。目前我司对毛坯的技术要求为：珠光体和铁素体的级别小于3级，带状组织小于等于1级，硬度 156-195hb，无其他异常组织，严格贯彻该技术要求能有效保证合格率。表 2 毛坯不同组织状态对变形的影响带状组织（级）魏氏组织（级）不同端面平面度所占比例（%

7、）0.06 0.07-0.12 0.12 3-4 0 36.5 25.1 38.4 2 0 59.3 17.9 22.8 0-1 0 81.1 12.3 6.6 0-1 3 53.4 22.1 24.5 3.3 热处理工艺的影响通过使用不同的工艺参数验证对内孔和端面变形的影响，主要的工艺优化因素为加热温度和淬火油温。（a）原工艺920 10880 10830 1020min0.8c%20min1.05220min1.050.7545min丙烷(c值自动调整 ）甲醇氮气2-4l/h3m3/h-5m3/h油130 1045min180 10120min空冷0.7560min（b） 新工艺两种工艺对

8、比，b 工艺比 a 工艺在渗碳温度、渗碳时间、淬火油温上做了约10-30 度的调整，两者的装炉方式均为垂直挂装，即齿轮两端面同时入油，以减少翘曲变形。具体试验结果如下表所示：表 3 不同工艺对端面和内孔变形的影响工艺类型不同端面平面度所占比例（% ）渗碳表面组织心部组织内孔畸变量层深0.06 0.07-0.12 0.12 a 71.2 15.8 13.0 高碳马氏体 +碳化物 +残奥低碳马氏体 +小量铁素体0.03-0.04 0.68mm b 92.3 5.6 2.1 高碳马氏体 +碳化物 +残奥低碳马氏体 +小量铁素体0.03-0.04 0.63mm 由此表可以看出，调整工艺以后，端面变形合

9、格率提升近22% ，同时内孔畸变也减少，而相关的热处理技术指标并没有发生太大的变化，唯一的更改是渗碳时间延长25 分钟，使热处理工作效率有所降低，但对于 25 分钟的加热时间所引起的成本变化基本可以忽略不计。3.4 装炉方式的影响对于主减齿轮的热处理装炉方式，主要有三种，第一种为水平摆放（图4），每个齿轮之间用一层装料板隔开，第二种为用装料杆穿挂（图5），垂直挂装，第三种为水平摆放，用三点支撑。试验方案采用 b工艺，石钢20crmoh材料。相关的试验结果如表4 所示。图 4 水平摆放装炉方式图 5 垂直装挂装炉方式示意图表 4 不同装炉方式对变形的影响装炉方式不同端面平面度所占比例（% ）装炉量 / 件内孔畸变量 /mm 层深 /mm 0.06 0.07-0.12 0.12 水平摆放72.1 17.8 10.1 280 0.02-0.04 0.61mm 垂直挂装92.3 5.6 2.1 320 0.03-0.04 0.63mm 三点支撑93.2 1.2 5.6 208 0.01-0.04 0.65mm 由上表可以看出，采用三点支撑方式变形最小，但是离散度较大，同时装炉量在三种装炉方式中最小，采用水平摆放的装炉方式端面变形度较大，但是内孔畸变量较小，装炉量