张荣扣，李卫民，龚仁春，于荣波

（1.国汇机械制造泰州有限公司；2.泰州职业技术学院；3.江苏飞船股份有限公司，江苏 泰州 225300）

1 问题的提出

齿轮的热处理变形主要是由热处理应力造成的。凡是牵涉到热处理过程，都可能造成齿轮的变形，其中最终热处理对齿轮变形的影响最大。20CrMnTiH钢螺伞齿轮对热处理质量和尺寸要求很高，针对螺伞齿轮呈变形超差问题，为了能从根本上找到原因，对模数为3.6583的螺伞齿轮的生产全过程进行了跟踪，因主动齿的齿数为8，齿数较少，且在配对时以被动齿为主，所以重点针对被动齿的生产工艺（被动齿的生产工艺为：下料—锻造—调质—机加工—碳氮共渗—清洗—回火—喷丸—磨内孔—配对研磨—入库），从原材料着手，进行分析，找出可能引起变形的因素以及解决的方法。

2 生产工艺分析

2.1 原材料

原材料成分为C 0.214,Si 0.244,Mn 0.932,P 0.018,S 0.018,Cr 1.114,Ti 0.05。该成分与国标规定的成分相比较，符合要求。说明螺伞齿轮原材料没有问题，可以排除成分方面的问题。图1所示为20CrMnTiH螺伞齿轮原材料等轴晶粒带状组织图。采用锯床下料，尺寸为Ø70×106，共跟踪630只。放大100倍后检测，发现了等轴晶粒带状组织，晶粒大小分布均匀[1]。

图1 等轴晶粒带状组织100×

2.2 锻造工序

毛坯采用煤炉加热锻造，现场随机抽样八只，用误差为±15℃的光电测温仪测量始锻温度，在630只中随机抽了两只，一只始锻温度为1280℃（图2所示为1280℃锻件金相组织），另一只始锻温度为1180℃（图3所示为1180℃锻件金相组织）。钢的显微组织（100×）检验：基体组织为F+P呈网状分布，晶粒大小分布不均匀。

图2 1280℃锻件金相组织400×

图3 1180℃锻件金相组织400×

2.3 预先热处理

预先热处理采用两种工艺的预先热处理，一部分进行调质处理，另一部分进行正火处理，比较两种预先热处理工艺的作用以及对最终热处理的影响。

（1）调质。加热设备：RJJ-75-9T井式炉；装炉方式：采用圆形料筐整齐堆放，每筐（6×13只）80只左右；32℃水淬:830±5℃加热，保温3h；高温回火：720±5℃加热，保温3h，660±5℃出炉冷却。图4所示为调质处理后的回火索氏体组织[2]。

图4 回火索氏体 400×

（2）正火。加热设备：65KW台车炉RF3-65-10；加热温度：920℃；保温时间：3个小时；装炉量及方式：整齐堆放共135只；冷却方式：散开空冷（有部分堆在一起）。图5所示为正火处理后的铁素体+珠光体组织，组织分别比较均匀。

图5 组织为分布较均匀的铁素体+珠光体400×

两种预先热处理工艺都能细化晶粒，改善切削加工性。但正火与调质相比，大大降低了成本，只是对场地有较高的要求，要求有足够大的场地，便于散开空冷，这样才能冷却均匀，达到一定的冷速要求。

2.4 最终热处理

加热设备：Lsx-15连续炉。

图6 最终热处理工艺

工艺参数：脱脂温度484℃，透烧温度840℃，高温均热860℃，渗碳880℃，碳势1.18～1.20。扩散870℃，碳势0.95。低温均热800℃，碳势0.85。每节拍均为25分钟。淬火油温60℃，时间5分钟。清洗液温度75℃，时间5分钟。回火温度190℃，时间25分钟。

装炉方式：长方体料筐，每筐分为两排，每排放21只，一只料筐放42只，两只料筐叠起来放。

淬火后检查平面度结果：在标准平面上，把齿面放到平面上，用塞尺去测，若0.08mm的塞尺塞不过则为合格，若能通过，而0.1mm的不能通过则为待用，若0.1mm的能通过，则需上淬火压床重新淬火。正火的齿坯共135只，不合格5只，合格率为96.3%。调质的齿坯共168只，不合格3只，合格率为98.2%。

金相检验：随炉放进了四个试样，两个为经过正火处理的，另两个为调质处理的，且放在相邻的料筐里，第一只料筐里放置了一只正火的样和一只调质的样，第二只料筐里放了另外的两个样。主要是比较不同料筐的热处理工艺参数是否一致，以及不同的预先热处理工艺对最终热处理组织的影响[3]。

经比较，调质相邻两只料筐的样品的渗层深度和组织都满足检验要求。但正火处理的样品有一只料筐中出现了先共析铁素体，有可能是在两相区冷速过慢。

3 螺伞齿轮生产工艺改进

3.1 锻造温度的控制

锻造温度的高低对齿轮生产影响不大，但是温度过高会产生过热、过烧组织。对最终热处理和产品的质量都会产生较大的影响。建议锻造的始锻温度为1150℃～1120℃。

3.2 预先热处理

建议采用正火处理，工艺为台车炉加热温度为930℃，保温三个小时，然后出炉空冷，要求出炉时分散均匀，当冷速还不到要求时，可以用排风加快冷却，从而达到硬度的要求。

采用正火处理主要是从经济上考虑，采用正火工艺可以降低成本，提高效益。还有正火处理后的组织比调质的要粗一些，在高温条件下，晶粒大时，塑性较差，反而有利于提高高温时的屈服强度，抵抗变形的能力得到了提高。这样在加热时可以减小热应力，使变形降低。经过前期的试验，预先热处理为正火的齿轮的接触区的合格率为100%[4]。

3.3 中间热处理

由于机加工过程产生了一定的应力，在最终热处理释放出来，从而导致了变形的产生，为此建议采用一道去应力退火工艺。

3.4 最终热处理

（1）建议慢慢降低透烧温度，最终到750℃，每次试验降低20℃。这样的话温差只有200℃，可以降低加热过程中的拉应力，减小齿形的变形。

（2）对于淬火温度810℃，因为Ar3为775℃，建议降低到780℃，并把油温提高到80℃，甚至到100℃，这样的话可以在保证淬透的情况下，降低热应力，减小变形。

（3）建议采用160℃的马氏体分级油淬，热油——空冷分级淬火更有利于减少变形。对于模数较小的齿轮防止变形的方法为采用马氏体分级淬火，这样的话可以降低淬火时的应力，使淬火变形的倾向减小。因为采用这样的工艺可以使应力降低，残余奥氏体增加[5]。

4 结论

生产工艺改进后,重新进行20CrMnTiH螺伞齿轮的跟踪检查,平面度检查合格率为99%,接触区检验合格率为99%，总合格率达到98%。