9310鋼大直徑薄腹板齒輪熱處理變形控制研究

吳平

摘 要：通過優(yōu)化9310鋼的滲碳工藝，分析影響大直徑薄腹板齒輪熱處理變形的因素，實(shí)現(xiàn)了熱處理工藝參數(shù)的固化。結(jié)果表明：采用循環(huán)脈沖真空滲碳技術(shù)實(shí)現(xiàn)了0.5-0.6mm淺滲碳層深度的精確控制，大直徑薄腹板齒輪需設(shè)計(jì)專用淬火模具配合淬火壓床控制腹板變形，可控制淬火后腹板跳動(dòng)≤0.08mm，設(shè)計(jì)與內(nèi)花鍵模數(shù)匹配的淬火心模控制內(nèi)花鍵淬火變形，熱后內(nèi)花鍵尺寸公差控制在0.05mm范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞：9310鋼;齒輪;真空滲碳;淬火模具

中圖分類號(hào)：TG161 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）06-0098-02

0 引言

航空齒輪作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件，可靠、準(zhǔn)確地齒輪傳動(dòng)是保證發(fā)動(dòng)機(jī)壽命的必要條件。目前齒輪的制造誤差如滲層深度超差、內(nèi)花鍵精度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求、薄腹板零件熱處理變形不合格等因素制約著齒輪的壽命，因此，優(yōu)化工藝方法，控制齒輪的滲層深度及熱處理變形是提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品性能的必要手段[1]。

9310鋼屬于低碳合金鋼，是航空工業(yè)中常用的滲碳齒輪鋼。該材料淬透性較差，但滲碳層擴(kuò)散速度極快，滲層深度不易控制?，F(xiàn)有一種航空齒輪，結(jié)構(gòu)為薄腹板且含內(nèi)花鍵，在產(chǎn)品加工的過程中，滲層深度和熱處理變形不符合技術(shù)要求。因此，本文主要對(duì)9310鋼薄腹板且含內(nèi)齒的零件進(jìn)行工藝研究，通過對(duì)比分析，得出最優(yōu)的工藝參數(shù)，為同類型零件的熱處理加工提供技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

某型號(hào)9310鋼制齒輪零件，零件滲碳淬火結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用零件切取齒形試樣，用于滲碳參數(shù)確認(rèn)。

1.2 試驗(yàn)方法

（1）將齒形試樣分別采用真空滲碳技術(shù)進(jìn)行滲碳處理，實(shí)現(xiàn)滲碳層深度0.5-0.6mm的精確控制。

（2）齒輪零件滲碳淬火驗(yàn)證，采用確定的滲碳試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行滲碳處理，結(jié)合優(yōu)化設(shè)計(jì)的淬火模具，調(diào)整淬火參數(shù)，控制內(nèi)花鍵和腹板的變形，確定合理的工藝參數(shù)，零件圖形如圖1所示。

真空滲碳的主要參數(shù)如下：

滲碳溫度：880℃-920℃;滲碳?xì)夥諡橐胰埠偷獨(dú)狻?/p>

淬火方式主要如下：

通過壓床進(jìn)行淬火，設(shè)計(jì)淬火模具，內(nèi)花鍵的淬火變形采用淬火心模進(jìn)行控制，腹板變形通過壓力點(diǎn)匹配的上下模具進(jìn)行控制。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 真空滲碳技術(shù)分析

常規(guī)的滲碳方式為可控氣氛滲碳，主要是由載氣添加富化氣（甲醇+丙烷等）在高溫下產(chǎn)生滲碳?xì)夥?，零件加熱到奧氏體化溫度并置于富碳?xì)夥罩袝r(shí)表面吸收碳，并按化學(xué)勢(shì)梯度向內(nèi)擴(kuò)散來創(chuàng)建一個(gè)富碳表面和隨低碳鋼心部遞減的碳濃度分布。真空滲碳技術(shù)是近年新興的滲碳技術(shù)，采用循環(huán)脈沖方式，獲得表面滲碳的效果。相比于可控氣氛滲碳，真空滲碳最大的優(yōu)點(diǎn)是綠色環(huán)保、自動(dòng)化程度高，控制精度更好。因此，針對(duì)該零件的的滲碳工藝優(yōu)先選取真空滲碳技術(shù)。

9310鋼齒形試樣采用真空滲碳方式進(jìn)行滲碳后的檢測(cè)結(jié)果如表1所示，可以看出，滲碳參數(shù)經(jīng)多次驗(yàn)證后，滲碳深度基本一致，工藝參數(shù)重復(fù)性好。滲碳層和非滲碳層的顯微組織如圖2所示，滲層組織含大量的粒狀碳化物，非滲層組織主要由板條馬氏體組成，含少量的碳化物，符合HB5492的顯微組織要求。

2.2 熱處理變形控制分析

本文針對(duì)的為含內(nèi)花鍵薄腹板的齒輪零件，技術(shù)要求齒部和內(nèi)花鍵滲碳，滲層深度為0.5-0.6mm。滲碳層硬度≥58HRC，非滲碳層硬度33-43HRC，該零件腹板薄約為10mm，直徑約為Φ200，是典型的大腹板零件，滲碳淬火后需保證內(nèi)花鍵熱后尺寸在0.06mm公差范圍內(nèi)，同時(shí)齒端面跳動(dòng)≤0.10mm。

淬火變形主要是由于熱應(yīng)力和組織應(yīng)力產(chǎn)生，因此為實(shí)現(xiàn)變形的精確控制，本文主要從兩個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化。

2.2.1 滲碳工藝

齒輪滲碳淬火過程中，由于齒輪裝爐方式不當(dāng)、滲碳溫度過高以及升溫速率過快等原因引起的變形，在淬火過程中不但難以修復(fù)并有增大的趨勢(shì)[2]。因此對(duì)裝爐方式進(jìn)行優(yōu)化，制作專用的滲碳?jí)|，支撐腹板裝爐，避免腹板因受熱向下彎曲變形。優(yōu)化滲碳參數(shù)，采用階段式升溫預(yù)熱的方式，使零件各部位受熱均勻，避免因組織轉(zhuǎn)變不及時(shí)造成的變形。

2.2.2 淬火工藝

淬火過程作為最終的熱處理工序，是零件整個(gè)熱加工過程中產(chǎn)生變形最大的環(huán)節(jié)，也是形成最終性能的環(huán)節(jié)，因此采用以下方式進(jìn)行變形控制：（1）淬火溫度越高，零件在冷卻過程中產(chǎn)生的組織應(yīng)力就越大，變形越難控制。因此，在選擇淬火溫度時(shí)，應(yīng)在保證組織奧氏體化的同時(shí)，盡量選擇較低的淬火溫度，減少組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的變形，同時(shí)也可以有效控制滲碳層碳原子向非滲碳層的擴(kuò)散，有助于實(shí)現(xiàn)滲碳深度的精確控制。（2）腹板變形控制采用壓床淬火，零件腹板直徑大且薄，需通過壓力點(diǎn)對(duì)應(yīng)的上模與下?？刂讫X端面的變形，調(diào)整壓力使之變形控制在合理的范圍內(nèi)。（3）內(nèi)花鍵精度控制一般采用預(yù)留變形量和花鍵心模來控制變形，因預(yù)留變形量方式，常常與零件淬火狀態(tài)有關(guān)，自由淬火時(shí)變形量存在一定波動(dòng)，難以實(shí)現(xiàn)精確控制[3]。而采用花鍵心模淬火，是將設(shè)計(jì)好的花鍵心模套進(jìn)零件內(nèi)花鍵處，通過調(diào)節(jié)心模尺寸來控制內(nèi)花鍵淬火變形，實(shí)現(xiàn)內(nèi)花鍵變形的精確控制，根據(jù)該設(shè)計(jì)理念，該零件需設(shè)計(jì)淬火心模控制內(nèi)花鍵變形。

2.3 滲碳淬火工藝優(yōu)化分析

為實(shí)現(xiàn)滲層深度和淬火變形的精確控制，零件滲碳及淬火的參數(shù)均需進(jìn)行優(yōu)化，通過第2節(jié)分析可知，滲碳裝爐方式、升溫速率、淬火方式均與變形存在著密切的關(guān)系，因此按照零件的技術(shù)要求，確定了熱處理主要參數(shù)，如表2所示。

零件按表2參數(shù)滲碳淬火后，滲碳層金相組織、滲層深度、表面硬度等檢測(cè)結(jié)果如表3所示，可以看出，真空滲碳可精確控制滲碳深度在0.10mm的范圍內(nèi)。

淬火變形控制采用壓床配合花鍵心模進(jìn)行，模具示意圖如圖3所示。可以看出，壓床淬火時(shí)，內(nèi)花鍵套花鍵心模以控制內(nèi)花鍵淬火變形;控制腹板變形的模具分為上模和下模，其中上模包括內(nèi)環(huán)模具和漲環(huán)模具，內(nèi)環(huán)模具作用于腹板外端靠近外齒區(qū)域，漲環(huán)模具作用于內(nèi)側(cè)端面，所述的上模模具均設(shè)置了與接觸面相匹配的模壓面;下模分為底模和支撐環(huán)，底模支撐腹板外端靠近外齒區(qū)域，支撐環(huán)支撐桿部軸肩區(qū)域，所述的下模模具均設(shè)置了與接觸面相匹配的支撐面且下模與上模壓力點(diǎn)對(duì)應(yīng)。壓床淬火模具整體設(shè)計(jì)合理，易變形位置均設(shè)置了控制方案，冷卻油流通順暢保證各部位冷卻均勻。零件經(jīng)淬火后，內(nèi)花鍵的變形控制在0.05mm內(nèi)，腹板齒端面跳動(dòng)在0.08mm內(nèi)，符合技術(shù)要求。為同結(jié)構(gòu)零件的淬火變形控制提供了技術(shù)參考。

3 結(jié)語

本文主要對(duì)9310鋼大直徑薄腹板零件的滲碳淬火工藝進(jìn)行優(yōu)化研究，采用先進(jìn)的真空滲碳技術(shù)，分析淬火變形控制的影響因素，通過試驗(yàn)確定了合理的熱處理參數(shù)，得出以下結(jié)論：（1）通過采用真空滲碳技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了9310鋼0.5mm-0.60mm滲層深度的精確控制;（2）通過分析零件整體淬火變形趨勢(shì)，設(shè)計(jì)了淬火心模及整體淬火模具結(jié)構(gòu)，使得淬火冷卻油路合理分配，保證各位置冷卻均勻，確保內(nèi)花鍵及腹板變形均勻，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)花鍵和腹板變形的精確控制。

參考文獻(xiàn)

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