9310钢大直径薄腹板齿轮热处理变形控制研究

吴平

摘 要：通过优化9310钢的渗碳工艺，分析影响大直径薄腹板齿轮热处理变形的因素，实现了热处理工艺参数的固化。结果表明：采用循环脉冲真空渗碳技术实现了0.5-0.6mm浅渗碳层深度的精确控制，大直径薄腹板齿轮需设计专用淬火模具配合淬火压床控制腹板变形，可控制淬火后腹板跳动≤0.08mm，设计与内花键模数匹配的淬火心模控制内花键淬火变形，热后内花键尺寸公差控制在0.05mm范围内。

关键词：9310钢;齿轮;真空渗碳;淬火模具

中图分类号：TG161 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）06-0098-02

0 引言

航空齿轮作为航空发动机的关键零部件，可靠、准确地齿轮传动是保证发动机寿命的必要条件。目前齿轮的制造误差如渗层深度超差、内花键精度达不到设计要求、薄腹板零件热处理变形不合格等因素制约着齿轮的寿命，因此，优化工艺方法，控制齿轮的渗层深度及热处理变形是提高航空发动机产品性能的必要手段[1]。

9310钢属于低碳合金钢，是航空工业中常用的渗碳齿轮钢。该材料淬透性较差，但渗碳层扩散速度极快，渗层深度不易控制。现有一种航空齿轮，结构为薄腹板且含内花键，在产品加工的过程中，渗层深度和热处理变形不符合技术要求。因此，本文主要对9310钢薄腹板且含内齿的零件进行工艺研究，通过对比分析，得出最优的工艺参数，为同类型零件的热处理加工提供技术参考。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

某型号9310钢制齿轮零件，零件渗碳淬火结构如图1所示。采用零件切取齿形试样，用于渗碳参数确认。

1.2 试验方法

（1）将齿形试样分别采用真空渗碳技术进行渗碳处理，实现渗碳层深度0.5-0.6mm的精确控制。

（2）齿轮零件渗碳淬火验证，采用确定的渗碳试验参数进行渗碳处理，结合优化设计的淬火模具，调整淬火参数，控制内花键和腹板的变形，确定合理的工艺参数，零件图形如图1所示。

真空渗碳的主要参数如下：

渗碳温度：880℃-920℃;渗碳气氛为乙炔和氮气。

淬火方式主要如下：

通过压床进行淬火，设计淬火模具，内花键的淬火变形采用淬火心模进行控制，腹板变形通过压力点匹配的上下模具进行控制。

2 试验结果与分析

2.1 真空渗碳技术分析

常规的渗碳方式为可控气氛渗碳，主要是由载气添加富化气（甲醇+丙烷等）在高温下产生渗碳气氛，零件加热到奥氏体化温度并置于富碳气氛中时表面吸收碳，并按化学势梯度向内扩散来创建一个富碳表面和随低碳钢心部递减的碳浓度分布。真空渗碳技术是近年新兴的渗碳技术，采用循环脉冲方式，获得表面渗碳的效果。相比于可控气氛渗碳，真空渗碳最大的优点是绿色环保、自动化程度高，控制精度更好。因此，针对该零件的的渗碳工艺优先选取真空渗碳技术。

9310钢齿形试样采用真空渗碳方式进行渗碳后的检测结果如表1所示，可以看出，渗碳参数经多次验证后，渗碳深度基本一致，工艺参数重复性好。渗碳层和非渗碳层的显微组织如图2所示，渗层组织含大量的粒状碳化物，非渗层组织主要由板条马氏体组成，含少量的碳化物，符合HB5492的显微组织要求。

2.2 热处理变形控制分析

本文针对的为含内花键薄腹板的齿轮零件，技术要求齿部和内花键渗碳，渗层深度为0.5-0.6mm。渗碳层硬度≥58HRC，非渗碳层硬度33-43HRC，该零件腹板薄约为10mm，直径约为Φ200，是典型的大腹板零件，渗碳淬火后需保证内花键热后尺寸在0.06mm公差范围内，同时齿端面跳动≤0.10mm。

淬火变形主要是由于热应力和组织应力产生，因此为实现变形的精确控制，本文主要从两个方面进行优化。

2.2.1 渗碳工艺

齿轮渗碳淬火过程中，由于齿轮装炉方式不当、渗碳温度过高以及升温速率过快等原因引起的变形，在淬火过程中不但难以修复并有增大的趋势[2]。因此对装炉方式进行优化，制作专用的渗碳垫，支撑腹板装炉，避免腹板因受热向下弯曲变形。优化渗碳参数，采用阶段式升温预热的方式，使零件各部位受热均匀，避免因组织转变不及时造成的变形。

2.2.2 淬火工艺

淬火过程作为最终的热处理工序，是零件整个热加工过程中产生变形最大的环节，也是形成最终性能的环节，因此采用以下方式进行变形控制：（1）淬火温度越高，零件在冷却过程中产生的组织应力就越大，变形越难控制。因此，在选择淬火温度时，应在保证组织奥氏体化的同时，尽量选择较低的淬火温度，减少组织转变产生的变形，同时也可以有效控制渗碳层碳原子向非渗碳层的扩散，有助于实现渗碳深度的精确控制。（2）腹板变形控制采用压床淬火，零件腹板直径大且薄，需通过压力点对应的上模与下模控制齿端面的变形，调整压力使之变形控制在合理的范围内。（3）内花键精度控制一般采用预留变形量和花键心模来控制变形，因预留变形量方式，常常与零件淬火状态有关，自由淬火时变形量存在一定波动，难以实现精确控制[3]。而采用花键心模淬火，是将设计好的花键心模套进零件内花键处，通过调节心模尺寸来控制内花键淬火变形，实现内花键变形的精确控制，根据该设计理念，该零件需设计淬火心模控制内花键变形。

2.3 渗碳淬火工艺优化分析

为实现渗层深度和淬火变形的精确控制，零件渗碳及淬火的参数均需进行优化，通过第2节分析可知，渗碳装炉方式、升温速率、淬火方式均与变形存在着密切的关系，因此按照零件的技术要求，确定了热处理主要参数，如表2所示。

零件按表2参数渗碳淬火后，渗碳层金相组织、渗层深度、表面硬度等检测结果如表3所示，可以看出，真空渗碳可精确控制渗碳深度在0.10mm的范围内。

淬火变形控制采用压床配合花键心模进行，模具示意图如图3所示。可以看出，压床淬火时，内花键套花键心模以控制内花键淬火变形;控制腹板变形的模具分为上模和下模，其中上模包括内环模具和涨环模具，内环模具作用于腹板外端靠近外齿区域，涨环模具作用于内侧端面，所述的上模模具均设置了与接触面相匹配的模压面;下模分为底模和支撑环，底模支撑腹板外端靠近外齿区域，支撑环支撑杆部轴肩区域，所述的下模模具均设置了与接触面相匹配的支撑面且下模与上模压力点对应。压床淬火模具整体设计合理，易变形位置均设置了控制方案，冷却油流通顺畅保证各部位冷却均匀。零件经淬火后，内花键的变形控制在0.05mm内，腹板齿端面跳动在0.08mm内，符合技术要求。为同结构零件的淬火变形控制提供了技术参考。

3 结语

本文主要對9310钢大直径薄腹板零件的渗碳淬火工艺进行优化研究，采用先进的真空渗碳技术，分析淬火变形控制的影响因素，通过试验确定了合理的热处理参数，得出以下结论：（1）通过采用真空渗碳技术，实现了9310钢0.5mm-0.60mm渗层深度的精确控制;（2）通过分析零件整体淬火变形趋势，设计了淬火心模及整体淬火模具结构，使得淬火冷却油路合理分配，保证各位置冷却均匀，确保内花键及腹板变形均匀，实现了内花键和腹板变形的精确控制。

参考文献

[1] 李茂山，吴光英.金属热处理的现状及发展趋势[J].国外金属热处理，1998（1）：5-7.

[2] 韩丕伟.内花键齿轮热处理变形控制[J].现代零部件，2013（3）：66-68.

[3] 陈葵，黄星星，刘坚，等.带内齿和内花键的汽车齿轮热处理变形控制方法[J].汽车齿轮，2012（4）：1-6.