论矫正淬火对齿圈热处理变形控制的作用

齿圈多用于车辆等大型设备，有较高的尺寸精度和性能要求，属于回转支撑类零件。为了承受转动时滚珠的摩擦，需对齿圈滚动表面进行淬火。从工厂设备情况出发，高频淬火方式的硬度分布和硬化层深度都和设计相差较大，对其淬火方式进行矫正。所以，运用工艺和实践相结合的方式探究齿圈热处理变形规律和特点，并针对主要变形因素给予控制措施，有利于后续生产出合格的产品。本文则对大直径齿圈制造过程中的热处理渗碳淬火工艺及变形控制措施进行集中分析，对热处理生产产业有很大的现实意义。 

1.齿圈热处理工艺相关概述 
　　1.1 齿圈选材要求 
　　齿圈是由带外齿的凸缘半联轴器和齿数相同的内齿圈等零件组建，外齿分为直齿和鼓形齿，其中鼓形齿将外齿制成球面，球面中心在齿轮轴线上，通常齿侧间齿轮较大，鼓形齿齿圈联轴器可允许较大的角位移，起到提高传递转矩、改善齿的接触条件及延长使用寿命的作用。两点控制是我国目前对齿圈用钢控制情况，还强调齿圈用钢末端淬透性，距淬火端距离J15处为6～10HRC，J9处为6～8HRC，国外对齿圈用钢淬透性带宽控制在4～7HRC。还强调微量元素；为保证齿圈用钢的加工性能，不管是国外还是国内对齿圈用钢的微量元素都有一定的要求，如为提高切削性能，其S含量要求0.025%～0.040%，为保证晶粒度，其AL含量为0.020%～0.040%。大型齿圈直径类似一付大型双向推力轴承，直径约为2.7m，它的组成由200个滚珠和上下圈两个部分（具体如图1所示）。技术要求有以下几点：1）淬火会在上下全滚道表面进行，此部位球形表面的下点硬度≮HRC52，其淬火深度≮2.5mm，沿炫测量不小于28mm，沿炫下点6mm和25mm。（具体如图2，图3所示）。2）上下圈的材料为碳铬镍钢，通过调质、冶炼、锻压处理后达到HB241～286.上述工艺指标系数均参照齿圈实际情况制定，尽可能的满足工艺需求。

　　1.2 齿圈热处理工艺 
　　钢的淬火将钢加热到是临界点Ac3或Ac1以上温度，经一段时间保温后会出现大于临界冷却速度，会部分奥氏体化，进而这些奥氏体会转变为热处理工艺。金属工件的耐磨性和硬度均可通过此工艺得以提高，因此在各种表面要求耐磨的渗碳、齿轮及工、模具中广泛应用此工艺。为满足综合机械性能之间的要求，针对回火和淬火工艺，应强调二者的配合，尽可能的通过上述两种工艺降低金属疲劳强度，全面提高金属强度。工件内部会因快速冷却的淬火而产生内应力，在达到一定程度时，其冷却速度所导致的变形扭曲会扩展为工件开裂，因此，所选择冷却工艺和方法和要工件本质相一致。 

　　2.齿圈热处理变形因素分析 
　　2.1 原始组织状况 
　　工件原始组织在热处理中属于关键部分，其中包含多种因素，如合金元素偏析、轧制，锻造的纤维、碳化物大小及数量分布等，在淬火前这些都会成为影响控制的主要因素，也是影响热处理变形的重点原因。球状珠光体的体积要大于片状球光体，有较高的强度，工件经若经球化处理，一定程度上就减小变形。调质处理是淬火加高温回火的双重热处理，使工件能具有良好综合机械性能，最重要有利于控制变形，淬火后的工件变形更有规律，减少工件变形量的绝对值。影响工件热处理变形中因素中，条状碳化物的分布是关键因素之一，淬火后的碳化物会在条带相垂方向及工件膨胀的区域做收缩，导致条带方向有越来越大的膨胀，碳化物颗粒越来越粗。一些较小膨胀的碳化物会沿着条带状分分布方向抑制基体伸长，收缩较小的碳化物在冷却后会阻碍基体收缩，由于缓慢奥氏体的加热速度，碳化物会逐渐减弱对基体膨胀的抑制，因此，工件淬火加热方向性不会受条带状分布的碳化物较大的影响。在碳和合金元素都距离网状碳化物较远的部分都较低，进而增大淬火组织应力，在增大淬火变形后出现开裂。除此之外，淬火前工件会受未经消除残余应力和大量切削影响，导致齿圈在经热处理后无法控制变形。 

　　2.2 奥氏体化学成分 
　　钢的化学成分除了主要的Fe铁之外，还有含量的碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）、磷（P）、硫（S）、氧（0）、氮（N）、钛（TO、钒（V）等元素，虽然这些元素含量较少，但一样会钢材的强度、塑性、韧性等机械力学性能。尤其一些化学成分会通过对刚的Ms点、组织的比体积、淬透性及屈服强度的影响等影响到工件热处理变形。随着钢中碳含量的不断增加，残余奥氏体量会随之增加，马氏体的体积增大，Ms点降低，淬透性增大，自然屈服强度升高。淬火的组织应变力和热处理变形会因淬透性和马氏体比体积的增大而增大。然而屈服强度的升高和残余奥氏体量的增多会减少比体积的变化，减少热处理变形，降低组织应变力。合金元素对钢Ms点和淬透性主要反映工件热处理变形，钢的Ms点下降受大部分合金元素的影响，减少了钢淬火时组织应力和比体积变化及工件的淬火变形，虽然合金元素有利于减少热处理变形和提高钢的屈服强度，但在增大工件热处理变形倾向和提高钢的淬透性，针对此情况可在在实际生产中采用缓和淬火介质进行淬火，有利于减少工件热处理变形和降低热应力。 

　　2.3 工艺参数 
　　常规热处理指将金属材料放在一定的介质中保温、加热及冷却，通过改变内部晶相组织结构和材料表面控制性能，其工艺较多，常见的有淬火、退火、正火及回火等。上述工艺均有可能产生热处理变形，在分析热处理工艺参数对热处理变形影响时主要对冷却速度和冷却是否均匀进行观察研究。不均匀冷却和不对称的工件截面形状产生的不均匀冷却情况相似，均会影响淬火变形。加热速度不当、加热速度快及加热环境温度不均匀等均会引起变形。为了尽可能的降低不均匀加热引起的变形，应采用预热或缓慢加热处理复杂或导热性较差的高合金工作。然而也应明确指出，快速加热会导致薄片状板件和长轴类工件变形，然而一些工件会因快速加热而减少变形。产生这种现象的主要原因为需要淬火强化工件工作部位时，在温度较低、强度较高的状态下，快速加热可使工件心部的达到淬火温度，这样一来，即便工件淬火冷却后产生的较大变形，强度较高的心部也能发挥阻止作用。通常来说，工件内外和不同部位温差会因淬火领取的激烈程度而增大，产生的内应力和热处理变形也会增大。然而有时变形增大不一定是因为冷却速度，冷却速度只会使工件发生相变，因此，淬火冷却速度、淬火变形两者之间的关系较为复杂，二者既相互影响，又相互排斥，然而这就要求在保证性能和组织的前提下减小淬火冷却速度。 　　

2.4 工件几何形状 
　　复杂的工件的淬火及不对称的截面形状在淬火冷却均匀性方面都有待考究。可以用一个形状简单的长板形工件横向入油淬火证明这种不均匀淬火冷却对变形的影响。先入油的部分为平板下表面也是冷却速度最快的部分，上下表面温度低于心部温度，心部表面引起的热应力是瞬时时，若此部分与材料屈服强度想违背时，随着冷却继续进行会降低温度，而升高的部分则是瞬时热应力和材料的屈服强度，下表面的快速冷却而低于上表面会导致上表面的屈服强度而发生作用，当上表面和心部瞬时热应力达到材料的屈服强度时，在拉力作用下，上表面会自动伸长，而心部则在压应力作用下受到压缩，导致板子向上拱，心部温度的降低收缩和热应力减少发生应力反向，冷却后的下面成为凹面。然而材料的屈服强度升高和热应力不再起塑性变形后，冷却Ms点以下发生马氏体转变，冷却后的下表面会因瞬时组织应力成为凸面，从平板方向上弯曲。上述两种变形叠加的结果会形成冷却终了变形，冷却较快的一面在在Ms点以下的不均冷会引起变形占优势，进而成为凸面。相反，Ms点以上的变形则为凹面。分析工件不均匀冷却变形时，最重要在于准确判断哪一个面冷却速度快，若分析错误，则会出现相反的结论。冷却不均匀性和工件形状不对称性都是成正比的，尤其淬火变形后也越来越明显。 

　　3.矫正淬火对齿圈热处理变形控制的作用 
　　3.1 预先热处理 
　　预先热处理的目的是获得均匀细小的组织后彻底消除应力，一般会采用正火处理齿圈的预先热处理，获得最佳硬度冷速范围和显微组织为大小大约为20CrMnTi锻件正火时，但上述条件若应用至生产上则难以实施。由于场地的限制，在实际生产中很多情况下冷却都是堆冷，整炉齿圈冷却不均，直接导致齿圈变形中在热处理中不一致。正火不当会导致硬度不均匀，除了影响削加工质量，还会加大冷加工应力，锻造或正火不当均会产生魏氏组织，齿圈在无形中加大，自然会加剧齿圈热处理变形。加大齿圈渗碳淬火后变形的因素主要有正火或齿坯的晶粒粗细不均，带状组织不能得以改善。在较短时间内，等温退火工艺将瓦全奥氏体化的零件迅速冷却并在该段温度内充分保温，有利于均匀的珠光体组织+片状体素体及均匀的硬度，保证完成组织转变。等温退火会在珠光体相变区域内将齿坯加热奥氏体化后迅速冷却，直到相变完成后再行自由空冷，由此一来，带状组织的超差和粒状贝氏体的产生均可得以避免。其均匀的硬度和组织能后后续的渗碳热处理提供较好的条件，对减小及稳定齿圈渗碳淬火变形起着重要的促进作用。 
　　经改进后的工艺处理，不管在金相组织和硬化层深还是渗碳淬火后的硬度等方面，和原来工艺处理结果都相差不大，虽然能满足工艺需求，但控制变形方面却不够理想，在实际生产中齿圈的椭圆和锥度也发生超差，原工艺对材料的预处理及升温速度没有很好地进行控制，未安排正火工序。所以，增加正火预先热处理于插齿前粗加工可有效控制内齿圈变形，材料的临界点的Ac3以上的适当温度也会因热处理工艺后得以提升。空冷后所获得较均匀的块状铁素体和片状珠光体组织能减少不均匀转变和残余应力在热处理过程中因组织影响的淬火变形，改善插齿切削性能，有利于彻底消除锻造和粗车残余应力。 
　　3.2 阶梯分段加热 
　　渗碳设备在热处理方面有不同的工艺，工艺之间的等级也大不相同，在碳势控制精度、温度精度等控制方面自然存有差异，因此，设备的状态和等级和零件气氛均匀性、加热均匀性、加热速度、工艺重复性等都不一样，上述因素自然会导致零件变形结果不同。齿圈产生明显变形量和热处理工序有重要联系，整个工艺质量、材料、形状和变形规律、变形量的大小有关。渗碳前期控制加热速度、避免温差过大的有效方法为分段加热，尤其针对大型齿圈的渗碳淬火，为更有效避免组织转变的不同时性而产生应力及零件内外部位温差过大，应控制升温速度，进而影响前期加热变形。热处理控制、优良的材质、规范的预先处理、精密的锻造及有效冷热加工配合都是减少和稳定齿圈渗碳淬火变形的重要条件。造成齿圈热处理后变形最大的原因之一还有原工艺加热过程尤其是低温区所分的阶梯段数不够因素，在加热过程中零件表面出现两次左右高温，分别为600℃和800℃。在受热过程中上述两次高峰期会内外温差过大产生热应力导致零件变形。工艺改进后在温度方面也做了相应的调整，分别增加了400℃和850℃段等温，降低加热温差造成的热应力和机加残余应力。 
　　3.3 工艺参数 
　　中频淬火工艺参数包含感应器与工件的相对位置、输出功率及冷却介质特性、电力频率及加热时间等多个方面。上述参数要充分联系变压器效率及感应器效率、并建立在零件淬火技术要求的基础范围内。通常工件尺寸要求的设备频率、硬化层深度等会决定比功率的大小，设备输出功率往往在会影响实际生产，感应器效率及工件表面实际功率是导致出现现象的重要原因。为规范回火工艺，在淬火加温温度方式、冷却方式及冷却介质等选择方面，会根据工件尺寸、硬化层深度等，还可通过对比得出感应加热热处理工艺最佳方案，因此，可用设备的比功率反映工件比率大小。在选择淬火加热方式和温度时主要强调材料温度和加热时间。其中工件运动方式，确定加热时间可跟据连续或同时加热指标，连续加热的工件和感应器在加热过程中呈相对运动，工件表面都可逐渐受到加热。确定淬火加热温度时可根据材料原始组织、工件等要求。同时加热指连接电源后，需硬化工作的表面同时一次加热。选择冷却介质和方式时，喷射冷却法是生产上运用最为广泛的，此方式在控制冷速方面通过调节水压，不仅可以改变水温和喷射时间，最重要是可防止淬火开裂变形。此外，在控制冷速和调整预冷时间时，可在连续加热淬火时改变轴向间的夹角、喷水孔口及工件移动速度。应注意在确定回火工艺时感应加热淬火之所以为低温回火，为了减少残余应力、降低脆性，之所以在炉中回火主要为了保持表面残余压应力和高硬度。 
　　3.4 淬火冷却控制零件合格措施 
　　经充分的研究和试验，可证明矫正淬火为合格工艺。在控制变形方面，合理选择多热处理工艺参数有利于控制。相关研究理论指出，齿圈结构大致相同的零件一旦经热处理，其变形也具有相同的特点和规律，因为热处理使用的类似技术，一致性较强，面对这种情况，只有严格控制齿圈热处理操作，尽可能的通过淬火将其变形控制在范围内。同时在冷加工艺和结构及装配工艺方面采取措施减小变形。因此有必要对淬火生产做好质量控制措施。首先检测设备；主要检测电压、稳压器、电器系统、全部仪器电表等，以是否处于规定检查周期内、预定稳压目的和工作范围为基准。检测工装及中频设备机械部分，用千分表检验工装的平面度是否能达到工艺要求及主动轮是否能夹紧工装并正常运转。要求淬火用工装应运平稳、匀速、变压器上下、前后运动自如。检测设备冷却循环系统，不能出现如渗漏设备正常运转的现象。检测淬火液浓度是否达到要求和介质循环是否可靠。其次调配淬火介质；若长时间没有使用已调配好的淬火，应根据室温适当调整淬火介质的配比，对淬火中杂质含量和浓度进行检查，在使用前清洗冷却液的槽罐，过滤现有冷却液，以此保证所使用冷却液的清洁。配备一个小的抽水泵在操作现场，防止出现因冷却液水问题产生不能及时抽回冷却液问题。第三模拟工艺试验；工件试料、试料、调质状态三者应保持一致，可在试料上开展模拟工艺试验，试验前对感应器进行调整，为保证试料的滚道直径和工件直径位置相对应，可在工装上放置试料，并将二者调整至相对方向，通过调整感应器输出功率、淬火冷却液喷流、工装转数及倾斜角度确定试料滚道是否与工件相同。在表面硬度合格的前提下解剖试料，带合格后可正式生产。 　　改进后的工艺在变形控制上虽然有一定的效果，但受较多变形因素影响，目前不能将变形控制完全控制在所要求范围内。所以，在改进工艺的基础上增加模具，以此进行矫正淬火。一同冷却齿圈和模具，在冷却过程中，使齿圈通过模具得到强制矫正。之后的长时间回火处理能将淬火冷却时产生的应力消除，稳定零件尺寸的同时防止变形的反弹。本文所研究淬火方式操作简单，高效率的生产均能合理实现，其应用除了为其它大型圈类零件的淬火提供了借鉴，最重要是大大提高了内齿圈的热处理质量，为控制零件渗碳淬火变形寻求了到一种简单便捷且效果明显的应用方法。