常州精密钢管博客

20CrMnTi拖拉机传动齿圈淬火变形的控制

本文研究的最终传动齿圈(见图1)为拖拉机装置上的一个重要部件,材质为20CrMnTi,产品经过前期锻造、正火、机械加工至最终尺寸,转入热处理淬火工序,该产品热处理技术要求:齿面淬火硬度:58~63HRC,心部硬度35~48HRC,有效硬化层深度Dc=0.5~0.8mmHV1,表面组织:残留奥氏体(A’)+回火马氏体(M回),1~5级合格,机械加工方面对热处理工序后提出允许的淬火变量见表1。

1允许的淬火变形量

淬火前

淬火后

Φ356mm外圆对B面的平面度跳动≤0.04

Φ356mm外圆对B面的平面度跳动≤0.20

Φ298mm外圆对A面的平面度跳动≤0.04

Φ298mm外圆对A面的平面度跳动≤0.20


 


1.变形分析

(1)内应力的影响

零件淬火、回火及表面淬火、化学热处理后都能产生变形,其中淬火变形最为严重。淬火引起的变形是由组织转变产生体积变形和淬火时热应力和组织应力引起的形状变形引起。淬火冷却前期,主要是热应力起作用,在淬火冷却的后期,起主导作用的是组织应力。


淬火时,奥氏体向马氏体转变,伴随比体积的直径缩小,马氏体的比体积大于奥氏体,转变结果引起体积膨胀,对于20CrMnTi低碳合金钢来说,合金元素多,Ms点较低,残留奥氏体量较多,组织应力引起的变形小,变形常以热应力为主,适当降低淬火温度, 可减小淬火时的热应力。  


(2)工件结构尺寸的影响

传动齿圈结构如图1所示,该零件外圆Φ356mm、Φ298mm之间有一个凹凸的台阶,内圈为传动齿,14个定位孔呈不对称形状分布,零件淬火时由于定位孔分布不均匀,在加热和冷却时,即孔径在A-A方向上缩小, 在B-B 方向上涨大, 使孔产生椭圆, 由于孔分布不均匀, 孔的变形使齿轮的公法线长度变动量增加,如图2所示。另外齿轮为盘形零件采用齿轮轴线与冷却油液面垂直的入油方式淬火时易产生翘曲变形,淬火过程中应避免重叠堆放,减少重力影响,齿圈间应有间距,确保圆周冷却均匀。因此,需调整合适的装夹方式。



2.工艺试验

采用二种方案进行工艺试验,技术要求为渗层深度:0.5~0.8(550HV1);表面硬度:58~63HRC;表面组织:马氏体+残留奥氏体(1~5级合格);心部硬度:35~48 HRC。


方案1:多用炉内富化气为丙烷C3H8,NH3经过加减压过滤后通入炉内。设备PHQ(F)-10密封箱式多用炉,装炉量10件,平放(装夹方式),经过180℃±10℃回火120min(见图3A)。


方案2:多用炉内富化气为丙烷C3H8,NH3经过加减压过滤后通入炉内。设备PHQ(F)-10密封箱式多用炉,装炉量10件,吊装(装夹方式),经过180℃±10℃回火120min(见图3B)。


 (a)方案1 

(b)方案2

图3  20CrMnTi传动齿圈热处理


3.热处理后性能检测分析


金相检测抽检结果如表2所示,热后机械尺寸检测结果如表3所示。

2金相检测抽检结果

检测项目

工艺1

工艺2

表面硬度(HRC

58

59

59

58

58

59

金相组织(级)

A’

M

F

A’

M

F

3

3

2

2

心部硬度(HRC

41

41

41

37

37

37

渗层深度(550HV1/mm

0.62

0.54

 3热后机械尺寸检测结果

工艺1

工艺2

Φ356mm外圆对B面的平面度跳动量0.30~0.45mm

Φ356mm外圆对B面的平面度跳动量0.1~0.18mm

Φ298mm外圆对A面的平面度跳动量0.10~0.15mm

Φ298mm外圆对A面的平面度跳动量0.12~0.18mm

降低共渗及淬火温度,保证足够的扩散时间,不仅可以降低热应力的影响,也有利于渗层马氏体组织的细化,还可以减少椭圆度;提高淬火冷却介质温度,减少淬火变形;入油方式改为齿轮轴线与冷却油液面平行的吊装方式,使齿轮冷却较均匀,减小淬火时的热应力。


经过工艺1、工艺2的比较,之后又经过10个批次的工艺2生产试验,该零件Φ356mm外圆对B面平面度跳动量合格率均超过95%以上工艺取得较为满意的结果。


4.结语


通过分析,变形以热应力为主,因此采取了一系列措施降低热应力,如为减少齿圈变形,强渗时加热温度取下限(850℃),保温时间安排合理,降代淬火温度(825℃),并尽量保持零件各部分温度均匀一致时淬火,油温适当提高(120℃),以减少淬火畸变倾向,工件应根据其形状采取了正确的装夹(采用吊装),经过理论分析,制定相应的工艺并付诸试验,对减少变形方法,在工作中取得一定成效。

作者:吴华,卞云霞

单位:山推工程机械股份有限公司

来源:《金属加工热加工)》杂志





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