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              齒輪零件熱處理變形及控制方法

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              掃一掃!齒輪零件熱處理變形及控制方法掃一掃!
              人氣:-發表時間:2020-10-26 16:38【

              現代工業的發展對齒輪傳動精度的要求越來越高,既要求承載能力高,使用壽命長,安全可靠,同時還要求體積小、質量輕、傳動平穩噪聲低,而能達到以上各項要求的只有滲碳淬火并磨齒的齒輪。然而,熱處理變形卻一直是我國齒輪生產中.需要攻克的一道難關。這是由于影響滲碳熱處理變形的因素太多,包括材料的化學成分和淬透性、齒輪的幾何形狀、預先熱處理的組織、零件裝夾方式、淬火溫度和時間淬火介質、淬火方式等。

              1、熱處理變形原因

              淬火時,淬火應力越大,相變越不均勻;比容差越大,則淬火變形越嚴重。通過對齒輪滲碳淬火冷卻時各部位的冷卻速度、組織及硬度狀態比較分析,可以發現各部位冷卻速度的不同導致產生熱應力,由冷速不均勻所導致組織轉變的不同時性會造成組織應力。

              2、影響齒輪熱處理變形的因素及控制方法

              2.1齒輪設計

              齒輪結構

              齒輪的結構,例如形狀、尺寸等是影響熱處理變形的因素之一。動錐齒輪模型,其齒部厚度Lo與齒座厚度L的比例影響齒輪底面變形,當L≥Lo時,齒輪底面變形。要比L<L時小;內環與外徑的尺寸比例,有無螺紋孔都會影響齒輪的變形;此外由形狀、尺寸引起的不同部位的冷卻速率不同,所產生的熱應力不同,也會導致齒輪不規則的變形。

              機械加工

              齒輪的熱處理變形與機械加工相關,機械加工會產生加工應力,受切削工藝不當、刀具用鈍等因素的影響,會造成更復雜的應力狀態,這種應力在熱處理過程中得以釋放,由于齒輪在高溫下的強度較低,釋放的應力會導致齒輪的塑形變形。

              此外,齒輪不同的切齒方式會在表層形成不同的應力狀態,導致其變形傾向也不盡相同,因此必須采用合理的加工工藝,降低加工應力。當通過一些手段措施將齒輪的變形波動控制

              在一定范圍之內,可以對齒輪在熱前的尺寸進行調整,即預留加工余量以補償熱處理產生的變形量。

              2.2原材料

              齒輪熱處理變形是齒輪在熱處理過程中,因齒輪各部位組織結構不同或組織轉變不同時所產

              生的尺寸和形狀的變化。因此,由于材料的不穩定和缺陷而導致的齒輪熱處理過程中變形失控已成為影響精度的關鍵之一凹。

              淬透性

              在相同熱處理工藝條件下,齒輪各部分的冷卻速率相同,但由于材料淬透性不同會導致齒輪各部分,特別是心部位置相變進程不同,最終轉變組織也不同。通常,對于淬透性較低的材料,齒輪心部以鐵素體和貝氏體為主,齒輪變形較小;對于高淬透性材料,齒輪心部以低碳馬氏體和貝氏體為主,齒輪變形較大。通過實際生產檢驗和熱處理工藝模擬發現,對于不同淬透性材料而言,齒輪底面變形趨勢和規律也不同。

              嚴格控制淬透性帶寬是控制熱處理變形的重要手段之一,材料化學成分不同會導致淬透性不

              同,因此淬透性的波動受到材料化學成分波動的影響。控制淬透性帶寬就需要嚴格控制材料化學成分的波動。

              組織缺陷

              a.帶狀組織多數為沿軋制方向呈現層狀分布或條帶狀分布的鐵素體與珠光體,帶狀組織的形

              成與成分的偏析有關,元素貧瘠區的Ar3比富集區的高,相變過程中在貧瘠區首先析出鐵素體,而多余的碳元素則擴散到富集區發生珠光體轉變,從而形成帶狀組織。帶狀組織會導致材料的各向異性,造成齒輪在熱處理過程中出現不規則的變形。有研究結果表明,含有帶狀組織的22CrMo齒輪鋼在不同方向試樣的淬火變形量呈現明顯各向異性,垂直于軋制帶的膨脹量明顯大于軋制帶方向。不同帶狀組織的合金元素富集程度不同,導致相變產生的塑性應變制約相鄰帶的膨脹變形,熱軋態22CrMo齒輪鋼淬火膨脹呈現無規律性。

              b.奧氏體晶粒度是影響齒輪熱處理變形的重要因素之一。具有粗晶粒的材料熱處理變形明顯比具有細晶粒材料的大,由于奧氏體晶粒度不同,淬火后的馬氏體粗細不同,即粗大的奧氏體晶粒淬火后轉變為粗大的馬氏體,導致產生的組織應力也相應的變大,因此熱處理變形量就會增大。

              c.混晶組織是在細晶粒上分布著粗大的晶粒,兩者晶粒度差別在3級以上,表現為晶粒大小混雜,無規律性。奧氏體晶粒異常長大導致混晶組織,混晶嚴重的組織因鍛造時不同晶粒變形率不同,加之結構遺傳效應,原始晶粒粗大的部位正火后晶粒仍然粗大,尤其是目前常用的20CrMnTi鋼,同爐鍛造正火的鍛件晶粒差別達3~4級。晶粒不均勻,尤其是局部晶粒粗大會使齒輪滲碳后出現粗大組織和網狀碳化物,從而導致淬透性不同,產生不均勻變形凹。

              2.3熱處理工藝

              裝料方式\掛件

              齒輪進行滲碳熱處理加工時,常常需要在高溫狀態下持續放置數小時甚至十幾個小時的時

              間,因此零件在高溫狀態下由于自重而引起的蠕變也是齒輪最終變形的原因之一。可見,研究齒輪裝爐裝載方法對克服蠕變而引起的熱處理平面度變形是十分必要的。

              齒輪零件滲碳時一般采用平放裝載和吊掛裝載兩種裝爐方式,視零件的具體結構而定。有研

              究表明凹,平裝零件變形合格率比吊裝零件變形合格率高很多,前者的合格率比后者的合格率高約25個百分點。又如,齒輪穿串式裝爐滲碳,如果每串裝的過多的話,每串下部齒輪將因自重而產生變形或粘連。

              淬火溫度

              齒輪在滲碳加熱和冷卻過程中產生的熱應力和組織應力是造成熱處理平面度變形的重要因

              素。淬火溫度過高,易造成淬火后馬氏體針粗大,從而降低齒輪的韌性、疲勞強度,并使組織應力引起的淬火變形量增加。有研究表面,采用850淬火的齒輪零件變形合格率比采用870淬火的零件合格率高9.1個百分點。適當降低滲碳及淬火溫度對減小變形是有利的,但淬火溫度不能太低,否則,對于有效尺寸較大的工件心部就可能留有較多的鐵素體組織。

              淬火介質和方式

              一般來說,淬火介質冷卻速度愈快,零件的變形就愈大,淬火介質冷卻速度愈低,零件的變形就愈小,這是因為,當冷卻速度愈快,冷卻過程中在熱應力作用下產生的不均勻塑性變形愈大。理想的淬火介質是在Ms點以上快速冷卻,而在Ms點以下發生馬氏體轉變時冷卻相對慢一些,以使馬氏體轉變時產生的熱應力和組織應力最小,這樣就可以有效地減小淬火變形。正確的選擇淬火介質和淬火方法,在滿足性能要求的前提下,應選用較為緩和的淬火介質或采用分級淬火、等溫淬火。例如,對于中等尺寸或薄小零件,采用馬氏體分級淬火可大幅度降低零件變形的分散度。此外,淬火介質的攪拌速度對變形也有影響,一般來說攪拌速度高會加劇變形,但同時攪拌速度高,油的流動性好,使工件能夠冷卻均勻,又有利于減小變形。對于不同的零件需要通過試驗來確定不同的攪拌速度。

              壓淬

              采用壓床淬火是目前熱處理生產中限制汽車從動錐齒輪淬火變形最有效的手段之一,改變壓床參數可以進一步減小熱處理變形。例如,根據齒輪底面的變形規律,改變壓床底面角度,使齒輪底面產生一個反方向的預變形,這樣就可以明顯地降低齒輪底面變形,此方法適用于底面變形較大的齒輪零件。

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