大直径薄壁型齿圈渗碳公法线尺寸变化规律摸索

■胡东辉

因生产需要，我公司热处理厂逐渐引进了能处理大直径齿圈的热处理渗碳设备。由于此类零件大多属于关键件，尺寸等要求比较严格，因而热处理的渗碳淬硬过程中，对零件尺寸变化的控制至关重要。与此同时，此类型零件往往渗层较深，在零件形状“单薄”条件下，非常容易造成零件变形严重。为服务生产，更好地满足渗碳后零件尺寸要求，故对该类型零件渗碳后公法线变形进行工艺摸索。

1. 热处理工艺及零件数据

采用4种不同直径的齿圈零件，经过不同的渗碳淬硬工艺，对比热处理前后齿轮的公法线变动，从而测出零件的大致尺寸变化。

（1）试验工艺与设备由于零件较大， 采用φ2500mm×2000mm爱协林井式渗碳炉，平装零件，垫平，除齿部外其余均匀涂防渗剂，并采用图1所示的热处理工艺。

（2）数据分析 图2～图5为参与试验的零件，表1为相应零件的具体数据和采用的工艺。对4种不同的零件，通过进行渗碳淬硬，测量热处理后的公法线尺寸，对比热处理前的公法线尺寸，具体数据如表2所示。

图1 热处理工艺曲线

图2 齿圈1

图3 齿圈2

图4 齿圈3

图5 齿圈4

根据W热后–W滚齿=热处理后公法线的涨量，计算出各齿圈的尺寸变化（见表3和图6），可以发现此类型零件变形量基本在0.5mm以上，甚至个别超过0.8mm。对于个别零件因壁厚更薄，如图4所示齿圈，公法线变动在0.46～0.72mm之间，使整个零件的公法线变化很大。

井式渗氮炉生产线

图6 各齿圈公法线涨量

2. 变形原因分析

零件虽然采用两种热处理工艺，但零件变形趋势一致，均涨大了0.5～0.8mm。

零件经过热处理后，产生热应力和组织应力，并且热应力和组织应力都会使淬火的工件形状发生变化（形状畸变）。在热应力方面，零件虽然缩小，但同时在冷却过程中，零件发生组织转变，即奥氏体向马氏体转变过程后，比体积变大（马氏体的比体积比奥氏体大），从而使零件直径尺寸增大。

在热应力中，由于表层和心部冷却速度不一致而形成温差。表面骤冷时，体积收缩较小；当表面冷却后，心部只发生冷却，体积却不能自由进行，从而使零件经热胀冷缩后，体积增大。这种体积增大现象受冷却速度、材料化学成分和热处理工艺等影响，当冷却速度增大，零件碳含量和合金成分越高时，体积变化越明显。

另外，受到其他因素影响，局部受力不均，造成翘曲，在同一齿形成锥度，导致整个零件的平面发生翘曲。

表1 各齿圈的各种参数和工艺方案

表2 各齿圈的渗碳淬硬后公法线数据 （mm）

表3 各齿圈的公法线涨量 （mm）

3. 结语

（1）热处理的热应力和组织应力无法避免，但是可以合理利用存在的变形，在冷加工滚齿时，适当减少磨量，以弥补热处理涨量。

（2）此类型零件的公法线涨量一般在0.5～0.8mm。