大型齒圈的深層滲碳工藝優化

1.技術參數

硬齒面大型中心傳動齒輪減速器是一家公司的旗艦產品。由于市場行情井噴，訂單超過100單，單重3860公斤，材質20CrMnMo。每臺減速機含I級齒圈2件，齒圈外形尺寸ф 2791 mm× ф 2250 mm× 264 mm，徑寬比(直徑/齒)熱處理技術要求見表1?？梢?，滲碳淬火硬化層深度≥3.6≤3mm，端面翹曲≤3mm，根據相關文獻可知，大齒圈深度滲碳淬火的難點包括變形控制和微觀組織。這也是本文的技術風險點。

表1一級齒圈熱處理技術要求

滲碳工藝層深度/毫米

3.6~4.1/HV550

硬化硬度

58~64

金相組織

根據JB/T6141.3《重載齒輪滲碳質量檢驗》

碳化物:≤3級，馬氏體，殘余奧氏體，鐵素體:≤4級。

熱處理變形/毫米

端部翹曲≤3°

2.容量估計

第一類齒圈熱處理設備為VBS 2800/2500滲碳爐，其設計能力計算見表2?？梢钥闯?，生產是按照常規熱處理工藝(滲碳+高溫回火+淬火)來組織的，整個熱處理過程約350天，給進度帶來了前所未有的壓力。

表2 VBES 2800/2500滲碳爐設計能力計算表

VBES2800/2500滲碳爐參數

熱處理零件的充電參數

工作尺寸/毫米

Ф2800×2500

實際充電尺寸/毫米

Ф2791×1056

(可裝4件)

90℃材料架負荷/噸

17

實際裝載重量/噸

15

容量估計

累積滲碳和淬火爐次數

50個熔爐(總共200個，每個熔爐4個)

滲碳淬火周期/天

七

熱處理過程總時間/天

350

二、工藝方案

如前所述，本文的研究重點包括三個方面:組織形式、變形控制和生產率。為了解決碳化物形態問題，作者經過多年努力，探索推廣了緩沖滲碳工藝(如圖1a所示)。在此基礎上，本文進行了進一步的優化，優化后的緩沖過程曲線如圖1b所示。為了減少翹曲，增加充電容量，本文對充電模式進行了改進，常規和改進后的充電模式分別如圖2a和圖2b所示。

大型齒圈滲碳裝料模式

1.常規深層滲碳工藝

(1)裝料爐

參考表1，常規熔爐裝料的物理照片如圖2a所示。采用傳統的碳鋼焊接料架，在930℃抗蠕變性差，使用一爐后料架翹曲變形超過3毫米。

(2)過程曲線

常規工藝曲線如圖1a所示。滲碳爐溫度為860℃，工件容易發生較大變形。由于料架變形和高溫出爐的雙重影響，每爐次翹曲變形超過4mm，約有兩個一級尺寸齒圈返工修正。

2.深層滲碳優化工藝

(1)裝料爐

本文經過長期研究發現，減速器內二等大齒圈(材質:20CrMnMo，齒寬約500mm)，滲碳淬火翹曲變形得到控制(小于2mm)。根據這一經驗，本文將一種工業廢料齒圈轉化為一種新型工具，如圖3所示。在報廢的齒圈外圓上焊接16個支撐塊，使其直徑擴大到2700mm，增加與工件的接觸面積，有效裝爐尺寸可達ф 2800 mm× ф 2100 mm，使用3號爐后，上下端面可銑成平面，重新投入使用。

大型齒圈新的裝爐工具

使用新工裝(無料架)的裝爐方式如圖2b所示，一級大型齒圈的裝爐能力由4臺提升至8臺。

(2)過程曲線

優化后的緩沖滲碳工藝曲線如圖2b所示，不同于優化前860℃滲碳，高溫回火后再加熱到660℃。滲碳后，采用快速冷卻至660℃的方法進行高溫回火。

(3)優化測試

優化后的工藝采用快速冷卻，但爐內冷卻速度低于爐內慢冷坑，網狀碳化物易在滲層表面析出。本文嘗試調整冷卻碳勢的思路，達到防止不良碳化物析出和保證齒面硬度的雙重目的。本文設計了三組不同冷卻碳勢的工藝試驗。

試驗對象為φφ25mm圓形試棒(材質:20CrMnMo)，工藝流程:緩沖滲碳(如圖1b所示)→淬火→低溫回火。如表3所示，滲碳和冷卻時的三組工藝試驗分別采用了0.8%、0.7%和0.6%的碳勢，淬火和低溫回火的工藝參數完全一致。

表3三組工藝試驗的工藝參數

組

a

b

c

冷卻碳勢/%

0.80

0.70

0.60

淬火過程

850℃，1小時

低溫回火

200℃，2h

三.結果和分析

1.滲透層結構

本文采用LYMPUS-GX71顯微鏡，根據JB/T 6141.3重載齒輪金相標準，分別對三組試驗中滲層表面的顯微組織進行了評價，如圖4所示?？梢钥闯?，工藝A獲得了不良的角塊狀碳化物，工藝B和工藝c獲得了分散的粒狀碳化物。

不同冷卻碳勢的滲碳表面結構

2.表面硬度

本文用MH-60顯微維氏硬度計測試了三種不同試驗的表面硬度。如表4所示?？梢钥闯?，工藝A和工藝B獲得的齒面硬度較高，而工藝C獲得的齒面硬度較低。

從圖4和表4可以看出，工藝B(冷卻碳勢:0.7%)滲碳層表面粒狀碳化物分散，表面硬度為59HRC，達到了試驗目的。

表4不同冷卻碳勢的表面硬度

組

a

b

c

冷卻碳勢/%

0.80

0.70

0.60

齒面硬度HRC

(距離表面0.1毫米)

62.4

59.7

56.1

冷卻碳勢為0.7的緩沖滲碳已延長20多爐，第一階段約為3.9mm/HV550，滲碳層深度大齒圈滲碳層深度大。真實齒面硬度為59.3~60.5HRC，符合技術要求。

3.變形統計

采用新工裝后齒圈滲碳淬火翹曲的統計見表5?？梢钥吹烬X圈使用新工裝后翹曲明顯改善，從優化前的4mm以上降低到1.5 mm以下。

表5 I/kloc-0級/使用新工裝后的變形統計

畫

4.成本分析

工藝優化前后成本的粗略比較如表6所示?？梢钥闯?，通過工藝優化，生產能力(充電能力)提高了50%；效率(周期縮短)提高40%以上；年成本降低約100萬元。

表6流程優化前的成本對成本分析

優化項目

優化前

優化后

熔爐工件數量

四

八

裝料重量/千克

15440

30880

200件齒圈累積熱處理

50

25

200件齒圈累計處理周期/天

350

200

總成本/萬元

250

150

四.結論

(1)快速冷卻至660℃，直接高溫回火，優化深滲碳淬火工藝，冷卻碳勢設定為0.7%。得到以下結果:滲碳層表面的粒狀碳化物分散；滲碳層深度為3.9mm/HV550，齒面硬度為59.3~60.5HRC，滿足技術要求。

(2)通過使用新的裝爐夾具，一級大齒圈的翹曲變形從4毫米以上降低到1.5毫米以下。

(3)通過工藝優化，產能提升50%；效率提高40%以上；年成本降低100萬元。

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