變速器齒輪經(jīng)常在高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷、轉(zhuǎn)速和負(fù)荷不斷交變的情況下工作，根據(jù)其工作環(huán)境而要求其表面強(qiáng)度硬度高、心部韌性好，故基本采用滲氮或碳氮共滲處理。變速器齒輪在滲碳淬火過(guò)程中始終伴隨著產(chǎn)品變形，控制產(chǎn)品熱處理的變形量一直是熱處理工作者探索的目標(biāo)。在實(shí)際生產(chǎn)中，目前主要是依靠加大熱處理后產(chǎn)品的磨削余量，以消除熱處理對(duì)產(chǎn)品尺寸的影響，提高產(chǎn)品的精度。由于熱處理后產(chǎn)品變形不一致，齒輪在磨削過(guò)程中同一齒面的不同部位磨削量不一致，導(dǎo)致磨削后齒面滲層深淺不一，特別是齒面的殘余應(yīng)力分布不均勻，影響齒輪的使用壽命，增加了齒輪的生產(chǎn)成本，降低生產(chǎn)效率。
本文試驗(yàn)產(chǎn)品為主減速齒輪，產(chǎn)品規(guī)格如下圖1所示。其材料選用20CrMoH、17CrNiMo6、TL4521三種牌號(hào)進(jìn)行試驗(yàn)，從工藝、合金元素、毛坯組織及擺料方式四方面進(jìn)行試驗(yàn)分析對(duì)變形的影響。
1.熱處理工藝對(duì)變速箱齒輪變形的影響
熱處理變形主要體現(xiàn)在加熱與淬火過(guò)程中，淬火變形起主導(dǎo)作用，淬火時(shí)在工件中引起的內(nèi)應(yīng)力是造成變形的根本原因，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度極限強(qiáng)度時(shí)便引起工件變形，淬火變形有兩種主要的形式：一種是工件幾何形狀的變化，它表現(xiàn)為尺寸及外形的變化，通常稱為扭曲或翹曲，另一種是體積變化，表現(xiàn)為工件體積按比例脹大或收縮。在主減速齒輪熱處理加熱與淬火中，主減速齒輪變形往往是幾何形狀變化與體積變化的相互疊加。熱處理工藝上可通過(guò)增加預(yù)熱、降低淬火溫度、合理選擇淬火冷卻介質(zhì)與滲碳層深度減少變形量，其原始工藝如圖2a所示，改進(jìn)后工藝如圖2b所示。
增加預(yù)熱工序，可減少加熱時(shí)表面與心部的溫度差，心部與表面溫差大，會(huì)導(dǎo)致心部與表面漲縮不同時(shí)性而存在應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)材料組織屈服強(qiáng)度極限，便會(huì)引起加熱過(guò)程中熱應(yīng)力引起的變形。降低淬火溫度與選擇合理的淬火冷卻介質(zhì)均可以降低淬火由于高溫快速冷到低溫?zé)釕?yīng)力引起的收縮變形。
從圖2a、2b兩種工藝可知：TL4521熱處理工藝改進(jìn)的主要有：滲碳加熱790℃預(yù)熱30min，縮小加熱過(guò)程中表面與心部的溫度差;預(yù)冷淬火溫度從820℃降低到TL4521材料淬火溫度的極限值790℃，保存產(chǎn)品合格的前提下減小產(chǎn)品淬火熱應(yīng)力，降低主減速?gòu)膭?dòng)齒輪淬火變形;淬火油由科潤(rùn)等溫淬火油K468C改為科潤(rùn)等溫淬火油K498C，K498C冷卻速度比K468C慢，使用溫度比K468C高，產(chǎn)品在采用K468C等溫淬火油的冷卻過(guò)程中可減小工件表面與心部馬氏體轉(zhuǎn)變的不同時(shí)性。
從圖3不同熱處理工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品心部組織可知，圖2a工藝1生產(chǎn)的產(chǎn)品(見(jiàn)圖3a)心部組織為板條馬氏體+少量的粒狀貝氏體(5%的含量)，心部硬度為45HRC，采用圖2b工藝2生產(chǎn)的產(chǎn)品心部組織為板條馬氏體+粒狀貝氏體(35%的含量)，心部硬度為41HRC。圖2工藝1與工藝2生產(chǎn)的產(chǎn)品表面硬度，心部硬度，有效硬化層等均合格，圖2工藝2生產(chǎn)的產(chǎn)品心部組織粒狀貝氏體較多，粒狀貝氏體的比容比板條馬氏體的比容小，有利于減小產(chǎn)品滲碳淬火過(guò)程中的組織應(yīng)力。
根據(jù)表1中TL4521熱處理工藝1與TL4521熱處理工藝2的平放變形量對(duì)比，改進(jìn)后的工藝2在內(nèi)孔與端面跳動(dòng)方面均有一定的改善，減小了產(chǎn)品的變形量。
表1 TL4521不同熱處理工藝熱處理(平放)后變形量(mm)
2.合金元素對(duì)齒輪變形的影響
齒輪材料加熱保溫奧氏體化，合金元素融入奧氏體中，C曲線右移動(dòng)，增加奧氏體的穩(wěn)定性，提高了材料的淬透性。而合金元素(Al、Co除外)與碳原子強(qiáng)烈的降低了材料的MS點(diǎn)，合金元素越高，材料的Ms點(diǎn)降低，若Ms點(diǎn)較低，則開(kāi)始發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)工件的溫度較低，在相同滲碳淬火溫度情況下，淬火溫度至Ms點(diǎn)的溫差較大，故合金元素的提高會(huì)加大了產(chǎn)品的淬火熱應(yīng)力變形，且隨著奧氏體溶解的合金元素增加，淬火馬氏體比容越大，組織應(yīng)力略微增大。不同合金元素對(duì)Ms點(diǎn)的影響為：Mn>Cr>Ni>Mo。
表2 不同材料的合金元素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(%)
從表2可知，材料中合金元素含量：17CrNiMo6>TL4521>20CrMoH;從表3熱處理變形數(shù)據(jù)可以看出，同工藝與裝爐方式熱處理的主減速變形量：17CrNiMo6>TL4521>20CrMoH。
表3 三種材料主減速平放變形數(shù)據(jù)(mm)
3.毛坯組織對(duì)變速箱齒輪變形的影響
齒輪毛坯一般要求采用等溫正火工藝，不允許有混晶，魏氏體組織≤1級(jí)，帶狀≤3級(jí)，組織為等軸狀鐵素體與珠光體，不允許有粒狀貝氏體組織等(如圖4a正常毛坯組織)。齒坯預(yù)備熱處理組織的均勻性和穩(wěn)定性對(duì)齒輪最終熱處理變形的影響很大, 因?yàn)辇X輪各部分的原始組織不同, 組織一致性差, 在熱處理加熱至奧氏體狀態(tài)后存在成分的不均勻，因而可能影響淬火后的組織不均勻，即那些低碳低合金元素區(qū)域可能得不到馬氏體(而得到的是屈氏體或貝氏體)，或者得到比容比較小的低碳馬氏體，從而將造成工件不均勻的變形。
毛坯組織中容易混雜粒狀貝氏體(如圖4f異常毛坯組織)，粒狀貝氏體產(chǎn)生是由于熱處理正火冷卻速度過(guò)快，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w，貝氏體為非平衡組織，在直接滲碳加熱奧氏體化過(guò)程中容易導(dǎo)致組織遺傳，使得奧氏體晶粒粗大，晶粒粗大的產(chǎn)品在受力變形時(shí)，晶界位錯(cuò)堆積比較嚴(yán)重，易產(chǎn)生裂紋，會(huì)降低齒輪的疲勞壽命。其次貝氏體硬度比平衡組織高，熱前機(jī)加工困難，加工切削過(guò)程留下的殘余應(yīng)力較大，殘余應(yīng)力在滲碳加熱過(guò)程中釋放，加大產(chǎn)品熱處理變形量。
表4 TL4521不同毛坯組織平放熱處理后變形量(mm)
從毛坯組織圖(見(jiàn)圖4)和不同毛坯組織堆放熱后變形量(見(jiàn)表4)可得：毛坯組織對(duì)變速箱齒輪變形影響很大，粒貝與偏析加大產(chǎn)品熱后變形量，TL4521來(lái)料粒貝毛坯熱處理后變形量是TL4521來(lái)料正常毛坯的3倍。
4.裝爐方式對(duì)變速箱齒輪變形的影響
變速箱主減速?gòu)膭?dòng)齒輪裝爐方式主要有三種：平放、豎放、堆放(見(jiàn)圖5)。不同的裝爐方式，工件在加熱過(guò)程受力不同，掛放受自身重力的作用，相對(duì)平放，內(nèi)孔可能較容易產(chǎn)生橢圓，堆放變速箱主減速?gòu)膭?dòng)齒輪受多個(gè)工件直接的作用力，相對(duì)而言產(chǎn)品的跨棒距略微增加。不同的裝爐方式，主減速在淬火冷卻過(guò)程入油的阻力大小與冷卻的均勻性均不同。
表5 TL4521材料產(chǎn)品不同裝爐方式后變形量(mm)
從表5不同裝爐方式變形數(shù)據(jù)測(cè)量表明：平放的熱后端跳>豎放熱后端跳>堆放熱后端跳，平放的內(nèi)孔收縮最大，堆放的內(nèi)孔收縮最小，但堆放與平放的內(nèi)孔橢圓度均較大，主要是由于豎放在加熱過(guò)程中由于自重的影響而導(dǎo)致橢圓度增大，堆放是由于冷卻過(guò)程不一致而導(dǎo)致內(nèi)孔橢圓度較大。同時(shí)堆放主減速齒輪外端面冷卻快，內(nèi)端面冷卻慢，控制內(nèi)外端面的冷卻速度，使得熱后內(nèi)孔收縮量大幅度減少。
5.討論與分析
熱處理應(yīng)變有尺寸變化和形狀變化，通常尺寸變化時(shí)由組織變化引起的，即由相變引起的膨脹和收縮造成的，形狀變化主要是由于零件的自重引起的下垂和由應(yīng)力引起的形狀走樣。熱處理應(yīng)變的出現(xiàn)涉及三個(gè)階段：加熱(基于內(nèi)應(yīng)力的消除)，保溫(自重下垂，即下垂彎曲)，冷卻(基于不均勻的冷卻和相變)，這三個(gè)互相疊加最終導(dǎo)致零件的淬火應(yīng)變。
本文通過(guò)增加預(yù)熱工序減少熱處理過(guò)程中加熱引起的形狀變化，降低淬火溫度與選用粘度大冷速更慢些的淬火油KR498C，增加粒狀貝氏體含量，減少奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體比容的變化而引起的尺寸變化與熱應(yīng)力引起的形狀變化;合理的要求毛坯組織來(lái)料，控制毛坯中貝氏體含量與帶狀等級(jí)，從而降低因毛坯來(lái)料組織不均勻而加重?zé)崽幚磉^(guò)程中產(chǎn)品的尺寸變化;根據(jù)主減速產(chǎn)品尺寸結(jié)構(gòu)，通過(guò)選擇堆放主減速使齒輪外端面冷卻快，內(nèi)端面冷卻慢，控制內(nèi)外端面的冷卻速度，從而熱處理后內(nèi)孔收縮量大幅度減少。
6.結(jié)語(yǔ)
(1)毛坯組織對(duì)變速箱齒輪變形影響很大，粒貝與偏析加大產(chǎn)品熱后變形量，TL4521來(lái)料粒貝毛坯熱處理后變形量是TL4521來(lái)料正常毛坯的3倍。
(2)主減速齒輪采用堆放的裝爐方式比掛放與平放的裝爐方式端面跳動(dòng)略微降低，內(nèi)孔收縮明顯減小。
(3)TL4521材料的淬火溫度從820℃降低至790℃，熱處理后主減速產(chǎn)品的心部產(chǎn)生粒狀貝氏體，尺寸變化和形狀變化均減小，從而減小變形。
本文試驗(yàn)產(chǎn)品為主減速齒輪，產(chǎn)品規(guī)格如下圖1所示。其材料選用20CrMoH、17CrNiMo6、TL4521三種牌號(hào)進(jìn)行試驗(yàn)，從工藝、合金元素、毛坯組織及擺料方式四方面進(jìn)行試驗(yàn)分析對(duì)變形的影響。
1.熱處理工藝對(duì)變速箱齒輪變形的影響
熱處理變形主要體現(xiàn)在加熱與淬火過(guò)程中，淬火變形起主導(dǎo)作用，淬火時(shí)在工件中引起的內(nèi)應(yīng)力是造成變形的根本原因，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度極限強(qiáng)度時(shí)便引起工件變形，淬火變形有兩種主要的形式：一種是工件幾何形狀的變化，它表現(xiàn)為尺寸及外形的變化，通常稱為扭曲或翹曲，另一種是體積變化，表現(xiàn)為工件體積按比例脹大或收縮。在主減速齒輪熱處理加熱與淬火中，主減速齒輪變形往往是幾何形狀變化與體積變化的相互疊加。熱處理工藝上可通過(guò)增加預(yù)熱、降低淬火溫度、合理選擇淬火冷卻介質(zhì)與滲碳層深度減少變形量，其原始工藝如圖2a所示，改進(jìn)后工藝如圖2b所示。
增加預(yù)熱工序，可減少加熱時(shí)表面與心部的溫度差，心部與表面溫差大，會(huì)導(dǎo)致心部與表面漲縮不同時(shí)性而存在應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)材料組織屈服強(qiáng)度極限，便會(huì)引起加熱過(guò)程中熱應(yīng)力引起的變形。降低淬火溫度與選擇合理的淬火冷卻介質(zhì)均可以降低淬火由于高溫快速冷到低溫?zé)釕?yīng)力引起的收縮變形。
從圖2a、2b兩種工藝可知：TL4521熱處理工藝改進(jìn)的主要有：滲碳加熱790℃預(yù)熱30min，縮小加熱過(guò)程中表面與心部的溫度差;預(yù)冷淬火溫度從820℃降低到TL4521材料淬火溫度的極限值790℃，保存產(chǎn)品合格的前提下減小產(chǎn)品淬火熱應(yīng)力，降低主減速?gòu)膭?dòng)齒輪淬火變形;淬火油由科潤(rùn)等溫淬火油K468C改為科潤(rùn)等溫淬火油K498C，K498C冷卻速度比K468C慢，使用溫度比K468C高，產(chǎn)品在采用K468C等溫淬火油的冷卻過(guò)程中可減小工件表面與心部馬氏體轉(zhuǎn)變的不同時(shí)性。
從圖3不同熱處理工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品心部組織可知，圖2a工藝1生產(chǎn)的產(chǎn)品(見(jiàn)圖3a)心部組織為板條馬氏體+少量的粒狀貝氏體(5%的含量)，心部硬度為45HRC，采用圖2b工藝2生產(chǎn)的產(chǎn)品心部組織為板條馬氏體+粒狀貝氏體(35%的含量)，心部硬度為41HRC。圖2工藝1與工藝2生產(chǎn)的產(chǎn)品表面硬度，心部硬度，有效硬化層等均合格，圖2工藝2生產(chǎn)的產(chǎn)品心部組織粒狀貝氏體較多，粒狀貝氏體的比容比板條馬氏體的比容小，有利于減小產(chǎn)品滲碳淬火過(guò)程中的組織應(yīng)力。
根據(jù)表1中TL4521熱處理工藝1與TL4521熱處理工藝2的平放變形量對(duì)比，改進(jìn)后的工藝2在內(nèi)孔與端面跳動(dòng)方面均有一定的改善，減小了產(chǎn)品的變形量。
表1 TL4521不同熱處理工藝熱處理(平放)后變形量(mm)
2.合金元素對(duì)齒輪變形的影響
齒輪材料加熱保溫奧氏體化，合金元素融入奧氏體中，C曲線右移動(dòng)，增加奧氏體的穩(wěn)定性，提高了材料的淬透性。而合金元素(Al、Co除外)與碳原子強(qiáng)烈的降低了材料的MS點(diǎn)，合金元素越高，材料的Ms點(diǎn)降低，若Ms點(diǎn)較低，則開(kāi)始發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)工件的溫度較低，在相同滲碳淬火溫度情況下，淬火溫度至Ms點(diǎn)的溫差較大，故合金元素的提高會(huì)加大了產(chǎn)品的淬火熱應(yīng)力變形，且隨著奧氏體溶解的合金元素增加，淬火馬氏體比容越大，組織應(yīng)力略微增大。不同合金元素對(duì)Ms點(diǎn)的影響為：Mn>Cr>Ni>Mo。
表2 不同材料的合金元素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(%)
從表2可知，材料中合金元素含量：17CrNiMo6>TL4521>20CrMoH;從表3熱處理變形數(shù)據(jù)可以看出，同工藝與裝爐方式熱處理的主減速變形量：17CrNiMo6>TL4521>20CrMoH。
表3 三種材料主減速平放變形數(shù)據(jù)(mm)
3.毛坯組織對(duì)變速箱齒輪變形的影響
齒輪毛坯一般要求采用等溫正火工藝，不允許有混晶，魏氏體組織≤1級(jí)，帶狀≤3級(jí)，組織為等軸狀鐵素體與珠光體，不允許有粒狀貝氏體組織等(如圖4a正常毛坯組織)。齒坯預(yù)備熱處理組織的均勻性和穩(wěn)定性對(duì)齒輪最終熱處理變形的影響很大, 因?yàn)辇X輪各部分的原始組織不同, 組織一致性差, 在熱處理加熱至奧氏體狀態(tài)后存在成分的不均勻，因而可能影響淬火后的組織不均勻，即那些低碳低合金元素區(qū)域可能得不到馬氏體(而得到的是屈氏體或貝氏體)，或者得到比容比較小的低碳馬氏體，從而將造成工件不均勻的變形。
毛坯組織中容易混雜粒狀貝氏體(如圖4f異常毛坯組織)，粒狀貝氏體產(chǎn)生是由于熱處理正火冷卻速度過(guò)快，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w，貝氏體為非平衡組織，在直接滲碳加熱奧氏體化過(guò)程中容易導(dǎo)致組織遺傳，使得奧氏體晶粒粗大，晶粒粗大的產(chǎn)品在受力變形時(shí)，晶界位錯(cuò)堆積比較嚴(yán)重，易產(chǎn)生裂紋，會(huì)降低齒輪的疲勞壽命。其次貝氏體硬度比平衡組織高，熱前機(jī)加工困難，加工切削過(guò)程留下的殘余應(yīng)力較大，殘余應(yīng)力在滲碳加熱過(guò)程中釋放，加大產(chǎn)品熱處理變形量。
表4 TL4521不同毛坯組織平放熱處理后變形量(mm)
從毛坯組織圖(見(jiàn)圖4)和不同毛坯組織堆放熱后變形量(見(jiàn)表4)可得：毛坯組織對(duì)變速箱齒輪變形影響很大，粒貝與偏析加大產(chǎn)品熱后變形量，TL4521來(lái)料粒貝毛坯熱處理后變形量是TL4521來(lái)料正常毛坯的3倍。
4.裝爐方式對(duì)變速箱齒輪變形的影響
變速箱主減速?gòu)膭?dòng)齒輪裝爐方式主要有三種：平放、豎放、堆放(見(jiàn)圖5)。不同的裝爐方式，工件在加熱過(guò)程受力不同，掛放受自身重力的作用，相對(duì)平放，內(nèi)孔可能較容易產(chǎn)生橢圓，堆放變速箱主減速?gòu)膭?dòng)齒輪受多個(gè)工件直接的作用力，相對(duì)而言產(chǎn)品的跨棒距略微增加。不同的裝爐方式，主減速在淬火冷卻過(guò)程入油的阻力大小與冷卻的均勻性均不同。
表5 TL4521材料產(chǎn)品不同裝爐方式后變形量(mm)
從表5不同裝爐方式變形數(shù)據(jù)測(cè)量表明：平放的熱后端跳>豎放熱后端跳>堆放熱后端跳，平放的內(nèi)孔收縮最大，堆放的內(nèi)孔收縮最小，但堆放與平放的內(nèi)孔橢圓度均較大，主要是由于豎放在加熱過(guò)程中由于自重的影響而導(dǎo)致橢圓度增大，堆放是由于冷卻過(guò)程不一致而導(dǎo)致內(nèi)孔橢圓度較大。同時(shí)堆放主減速齒輪外端面冷卻快，內(nèi)端面冷卻慢，控制內(nèi)外端面的冷卻速度，使得熱后內(nèi)孔收縮量大幅度減少。
5.討論與分析
熱處理應(yīng)變有尺寸變化和形狀變化，通常尺寸變化時(shí)由組織變化引起的，即由相變引起的膨脹和收縮造成的，形狀變化主要是由于零件的自重引起的下垂和由應(yīng)力引起的形狀走樣。熱處理應(yīng)變的出現(xiàn)涉及三個(gè)階段：加熱(基于內(nèi)應(yīng)力的消除)，保溫(自重下垂，即下垂彎曲)，冷卻(基于不均勻的冷卻和相變)，這三個(gè)互相疊加最終導(dǎo)致零件的淬火應(yīng)變。
本文通過(guò)增加預(yù)熱工序減少熱處理過(guò)程中加熱引起的形狀變化，降低淬火溫度與選用粘度大冷速更慢些的淬火油KR498C，增加粒狀貝氏體含量，減少奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體比容的變化而引起的尺寸變化與熱應(yīng)力引起的形狀變化;合理的要求毛坯組織來(lái)料，控制毛坯中貝氏體含量與帶狀等級(jí)，從而降低因毛坯來(lái)料組織不均勻而加重?zé)崽幚磉^(guò)程中產(chǎn)品的尺寸變化;根據(jù)主減速產(chǎn)品尺寸結(jié)構(gòu)，通過(guò)選擇堆放主減速使齒輪外端面冷卻快，內(nèi)端面冷卻慢，控制內(nèi)外端面的冷卻速度，從而熱處理后內(nèi)孔收縮量大幅度減少。
6.結(jié)語(yǔ)
(1)毛坯組織對(duì)變速箱齒輪變形影響很大，粒貝與偏析加大產(chǎn)品熱后變形量，TL4521來(lái)料粒貝毛坯熱處理后變形量是TL4521來(lái)料正常毛坯的3倍。
(2)主減速齒輪采用堆放的裝爐方式比掛放與平放的裝爐方式端面跳動(dòng)略微降低，內(nèi)孔收縮明顯減小。
(3)TL4521材料的淬火溫度從820℃降低至790℃，熱處理后主減速產(chǎn)品的心部產(chǎn)生粒狀貝氏體，尺寸變化和形狀變化均減小，從而減小變形。