一種滲碳齒輪心部硬度的改善

宋 陽，藺小慶

(寶雞法士特齒輪有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 722409)

1 齒輪情況

二軸一檔齒輪是重型礦用車變速箱的重要零部件，工作時(shí)承受較大的彎曲應(yīng)力和接觸應(yīng)力，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，材料為8620RH，齒輪模數(shù)為4.9。生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)該齒輪在滲碳淬火、回火后，存在心部硬度偏低的質(zhì)量問題，嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)度。心部硬度會(huì)直接影響滲碳齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度，同時(shí)還對(duì)熱處理變形有較大的影響[1]。本文對(duì)影響齒輪心部硬度的各種因素進(jìn)行分析和總結(jié)，從熱處理工藝和零件材料兩方面提出解決齒輪心部硬度偏低的有效措施。

圖1 齒輪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of gear structure

該齒輪的生產(chǎn)工藝流程為：原材料→鍛造→正火→機(jī)加工→滲碳淬火、回火→金相檢驗(yàn)→強(qiáng)化噴丸→檢驗(yàn)→機(jī)加工→終檢。

熱處理技術(shù)要求：表面硬度為58～63 HRC，心部硬度≥25 HRC，心部硬度檢測位置如圖2所示；有效硬化層深HV513為0.84～1.34 mm；馬氏體、殘余奧氏體組織為1～5級(jí)，不允許有網(wǎng)狀、半網(wǎng)狀碳化物，非馬氏體≤0.02 mm。

圖2 齒輪心部硬度檢測位置Fig.2 Core hardness detection position of gear

2 齒輪心部硬度的影響因素

2.1 齒輪結(jié)構(gòu)

該齒輪結(jié)構(gòu)為圓柱齒輪，具有輪幅厚、尺寸大等特點(diǎn)。齒輪在加熱保溫完成后的淬火冷卻過程中，由于齒輪輪幅蓄熱量較大，冷卻速度較慢，因此容易造成齒輪心部硬度偏低的質(zhì)量問題。

2.2 熱處理工藝

滲碳淬火設(shè)備為愛協(xié)林公司的箱式多用爐，以氮?dú)夂图状紴檩d氣，以催滲劑為富化氣，淬火油為好富頓G油，油溫為70 ℃，攪拌速度為1000 r/min。熱處理工藝曲線如圖3所示。

圖3 熱處理工藝曲線Fig.3 Heat treatment process curve

2.2.1淬火油溫

采用同一臺(tái)設(shè)備在相同熱處理工藝下進(jìn)行工藝試驗(yàn)，淬火油溫分別為60、70和80 ℃時(shí)，零件的心部硬度見表1。由表1可知，不同淬火油溫下零件心部硬度并沒有明顯變化。理論上，提高淬火油溫，淬火油的冷卻速度會(huì)略有提高。這是因?yàn)榇慊鹩偷臏囟仍礁?，粘度越低，淬火油的流?dòng)性就越好，故冷速會(huì)略有提高。但淬火油溫提高的同時(shí)，與工件之間的溫差會(huì)減小，帶走的熱量就會(huì)減少[2]。因此，對(duì)于在正常油溫使用范圍內(nèi)，升高油溫會(huì)提高或降低冷速尚不明確。

表1 不同淬火油溫下零件心部硬度

2.2.2淬火溫度

采用相同的熱處理工藝，并滿足零件變形要求，淬火溫度分別為840、850和860 ℃時(shí)，零件的心部硬度見表2。由表2可知，隨著淬火溫度的提高，心部硬度略有提高，但仍處于技術(shù)要求的下限。這是因?yàn)樘岣叽慊饻囟葧?huì)使得工件與淬火油之間的溫差變大，帶走的熱量增多，致使冷卻速度有所提升，從而提高心部硬度。

表2 不同淬火溫度下零件心部硬度

2.2.3淬火介質(zhì)

采用相同的熱處理工藝，將兩批零件分別在好富頓K-2000和G淬火油中進(jìn)行冷卻，兩種淬火介質(zhì)的理化參數(shù)對(duì)比見表3，零件的心部硬度見表4。由表4可知，經(jīng)K-2000淬火油淬火冷卻后零件的心部硬度要略高于G油，且滿足技術(shù)要求，但仍處于技術(shù)要求下限。這是因?yàn)镵-2000淬火油比G油具有更低的運(yùn)動(dòng)粘度，體現(xiàn)出更好的流動(dòng)性；同時(shí)還具有更快的高低溫冷速，尤其是低溫冷速，能提高心部冷卻時(shí)的熱量傳遞速度，在馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)體現(xiàn)更好的冷卻能力，從而提高零件的心部硬度。

表3 不同淬火介質(zhì)理化參數(shù)對(duì)比

表4 不同淬火介質(zhì)下零件心部硬度

2.3 齒輪材料

齒輪材料的化學(xué)成分確定了材料端淬值的范圍，對(duì)于某一特定結(jié)構(gòu)的齒輪，端淬值對(duì)心部硬度起決定性作用。原齒輪材料為8620RH，經(jīng)過多輪工藝試驗(yàn)，該零件的心部硬度值均處于技術(shù)要求的下限。為了提高其心部硬度，經(jīng)過對(duì)比分析成分、使用性能，選擇淬透性更好的F0111材料(公司內(nèi)部牌號(hào))。兩種材料的主要化學(xué)成分見表5，與8620RH材料相比，F(xiàn)011材料的碳含量提高了0.01%～0.02%，Mn含量提高了0.02%～0.03%，可提高心部的淬硬性。

齒輪材料更換為F0111材料，隨機(jī)抽取6爐零件進(jìn)行剖切，其心部硬度見表6。由表6可知，心部硬度有了明顯提升，且基本穩(wěn)定。因此，在淬火油溫、淬火介質(zhì)等條件不變的前提下，高淬透性材料可明顯提高齒輪心部硬度[3]。

表5 8620RH和F0111材料主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表6 8620RH和F0111材料齒輪的心部硬度

鋼的淬透性表示鋼的淬透能力，主要是保證不同大小齒輪的心部硬度，以滿足接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度要求。心部硬度與材料淬透性有關(guān)，淬透性好的材料淬火后心部硬度值高。因此不同技術(shù)要求的產(chǎn)品，應(yīng)匹配能滿足心部硬度要求的材料，且同一牌號(hào)材料化學(xué)成分波動(dòng)過大，也會(huì)影響材料的心部硬度[4-5]。

3 結(jié)論

1)提高淬火溫度、使用冷卻速度更快的淬火油均可以提高齒輪的心部硬度，但由于零件結(jié)構(gòu)及材料淬透性有限，心部硬度提高的幅度并不明顯。

2)提高淬火油溫，可使淬火油粘度降低，冷速提高；但淬火油與工件的溫差減少，帶走的熱量減少，冷速降低。因此提高淬火油溫是否能提高心部硬度尚不明確。

3)使用高淬透性材料，可明顯提高齒輪的心部硬度，保證零件質(zhì)量。因此不同結(jié)構(gòu)及大小的滲碳齒輪匹配合適的材料顯得至關(guān)重要。