我公司承接了某大型礦車減速器內(nèi)齒圈表面離子氮化任務，該齒圈（見附圖）為特殊的雙聯(lián)、薄壁結構并要求很高的精度等級，左端模數(shù)11.7、右端模數(shù)8.7，材料為40CrNiMo。由于采用磨齒成品后再氮化的工藝，氮化是齒輪的最后一道工序，要保證齒輪的高精度等級，就要求氮化變形要嚴格控制。而目前實際生產(chǎn)中，氮化后的畸變一直是困擾國內(nèi)外熱處理生產(chǎn)的難題。一旦變形不能有效控制，降低了齒輪的精度等級，整個齒輪傳動系統(tǒng)運行時會產(chǎn)生沖擊振動和噪聲，降低運行的可靠性并影響整機壽命。本文通過工藝創(chuàng)新和試驗驗證，使齒圈氮化變形問題基本得到解決。
大型雙聯(lián)齒圈材料、技術要求及加工工藝
（1）化學成分
齒圈化學成分見表1。
表1齒圈化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%)
|
元素 |
C |
Smax |
Pmax |
Mn |
Si |
Cr |
Ni |
Mo |
|
要求值 |
0.37～0.44 |
0.035 |
0.035 |
0.5～0.8 |
0.17～0.37 |
0.6～0.9 |
1.25～1.65 |
0.15～0.25 |
|
檢測1 |
0.41 |
0.01 |
0.006 |
0.61 |
0.22 |
0.62 |
1.25 |
0.19 |
|
檢測2 |
0.42 |
0.01 |
0.005 |
0.61 |
0.22 |
0.62 |
1.25 |
0.18 |
（2）技術要求
調(diào)質(zhì)硬度280～310HBW。氮化層深0.3～0.5mm，白亮層＜0.01mm，表面硬度53.5HRC（HR15N檢測試塊表面硬度）。
（3）加工工藝
齒圈主要工序：
鍛造→正火→調(diào)質(zhì)→立車→插齒→退火→立車→插齒→立磨→穩(wěn)定時效→磨齒→氮化→成品檢驗。
常規(guī)工藝熱處理工藝：
鍛造廠正火處理；調(diào)質(zhì)工序為（850±10）℃×（3～4）h，油冷；退火工序為（530±10）℃×（3～4）h，爐冷；氮化工序為（510±10）℃×（10～12）h，爐冷。
創(chuàng)新工藝：
正火工序為（880±10）℃×（3～4）h，空冷；調(diào)質(zhì)工序為（850±10）℃×（3～4）h，水淬油冷；退火工序為（530±10）℃×（3～4）h，爐冷，升降溫速度≤50℃/h；穩(wěn)定時效工序為（510±10）℃×（3～4）h，爐冷，升降溫速度≤25℃/h；氮化工序為（510±10）℃×（10～12）h，爐冷，升降溫速度≤25℃/h，改進裝爐方式，輔助加熱裝置。
試驗結果
（1）力學性能
齒圈左端面加高50mm切割后加工試棒，采用水淬油冷工藝生產(chǎn)出的齒圈力學性能滿足要求，如表2所示。
表2齒圈調(diào)質(zhì)后力學性能結果
|
|
Rp0.2 |
A5 |
Z |
AKU |
硬度 |
|
|
Rm |
/MPa |
（%） |
（%） |
/J |
HBW |
|
|
/MPa |
|
|
|
|
|
|
|
要求值 |
785 |
640 |
12 |
38 |
39 |
280～310 |
|
檢測1 |
973 |
819 |
17 |
60 |
65 |
295 |
|
檢測2 |
983 |
838 |
16 |
58 |
61 |
298 |
（2）退火后變形檢測
粗開齒之后，零件表面由于加工產(chǎn)生的應力很大，需要增加去應力退火工序。為了控制后續(xù)氮化產(chǎn)生的變形，需要嚴格控制升降溫速度和保溫溫度。退火后檢測變形情況，橢圓0.05mm。
（3）時效處理后變形檢測
粗磨齒后，零件仍然會產(chǎn)生加工應力，也需要退火，但是如果在普通電爐退火的話，表面會產(chǎn)生輕微氧化，會對氮化產(chǎn)生影響，所以在氮化爐時效處理。這樣做有幾點好處：進一步消除加工應力；檢測變形情況，為下一步加工做準備；試驗氮化工裝、裝胎方式是否合理。時效前、后變形情況如表3、4所示。
表3 齒圈時效處理前變形測量數(shù)據(jù)
|
Mn=8.7 |
fHα |
ffα |
fHβ |
ffβ |
Fp |
|
1 |
14.7 |
4.6 |
1.8 |
3.2 |
72.3 |
|
2 |
13.1 |
4 |
12.6 |
3.6 |
|
3 |
14.9 |
3.8 |
4.7 |
2.4 |
|
Mn=11.7 |
fHα |
ffα |
fHβ |
ffβ |
Fp |
|
1 |
-3.4 |
3.6 |
7.6 |
2.2 |
145 |
|
2 |
-1.7 |
3.7 |
6.4 |
1.7 |
|
3 |
3.7 |
2.8 |
7.9 |
2.3 |
表4 齒圈穩(wěn)定時效后變形測量數(shù)據(jù)
|
Mn=8.7 |
fHα |
ffα |
fHβ |
ffβ |
Fp |
|
1 |
12.4 |
7.5 |
5.2 |
2.4 |
80.9 |
|
2 |
11.5 |
3.5 |
6.6 |
2.7 |
|
3 |
10.4 |
4 |
8.4 |
2.7 |
|
Mn=11.7 |
fHα |
ffα |
fHβ |
ffβ |
Fp |
|
1 |
-3.1 |
3.5 |
6.5 |
2.1 |
155 |
|
2 |
3.1 |
3 |
17.4 |
2.8 |
|
3 |
-3.4 |
3.2 |
2.9 |
1.7 |
穩(wěn)定時效前、后數(shù)據(jù)對比，齒廓傾斜偏差（fHα）、齒廓形狀偏差（ffα）、螺旋線傾斜偏差（fHβ）、螺旋線形狀偏差等偏差不大（ffβ），精度等級都小于7級，齒距累積總偏差達（Fp）到9級精度。說明齒圈直徑方向上有一定的變形，經(jīng)測量齒圈直徑方向漲大0.15mm。
（4）氮化變形檢測
利用三坐標檢測設備檢測齒圈變形情況，具體數(shù)據(jù)如表5所示。
表5 齒圈氮化后變形測量數(shù)據(jù)
|
Mn=8.7 |
fHα |
ffα |
fHβ |
ffβ |
Fp |
|
1 |
-1 |
2.5 |
14 |
2.6 |
16.6 |
|
2 |
-1.2 |
3.4 |
13.4 |
3 |
|
3 |
0.9 |
2.9 |
16.9 |
2.7 |
|
Mn=11.7 |
fHα |
ffα |
fHβ |
ffβ |
Fp |
|
1 |
10 |
6.6 |
2.5 |
5.6 |
22 |
|
2 |
9.9 |
4.2 |
5.6 |
2.7 |
|
3 |
11.4 |
4.4 |
7.3 |
2.5 |
變形影響因素分析
（1）調(diào)質(zhì)
將淬火工藝從油冷改為水淬油冷，對于后續(xù)控制變形的優(yōu)點是：
①提高齒圈的淬硬層深度，采用油冷工藝，滾齒后齒圈只有齒頂一部分處于淬硬層，采用水淬油冷工藝，滾齒后齒圈的齒頂與齒根都處于淬硬層，減小由于組織差異而導致的變形量。
②提高齒圈心部硬度，材料高溫塑變抗力提高。
③提高回火溫度，消除應力充分。
（2）退火及穩(wěn)定時效
在精磨齒前增加一次穩(wěn)定時效處理，減小插齒、粗磨齒產(chǎn)生的加工應力。去應力退火創(chuàng)造了兩個有利條件：
①加熱溫度低、熱應力小。
②加熱速度慢，溫度梯度小。
這兩點都有利于應力釋放和扭曲晶格回復進程緩慢，從而變形減小。
（3）離子氮化
在入爐初期，各部位存在的溫差較大，所產(chǎn)生的熱應力足以使率先達到高溫的部位發(fā)生塑變而引起變形。升溫速度及氨氣流量也是影響滲氮質(zhì)量的重要因素?？刂频瘯r的升、降溫速度≤25℃/h，增加輔助加熱裝置，提高齒圈各部位的加熱均勻性，避免溫差產(chǎn)生熱應力而導致的變形。
結語
（1）通過調(diào)整冷加工工序，改進預備熱處理方式、消除應力方式，采用創(chuàng)新的氮化工藝，齒圈基體強度得到提高，離子氮化齒圈的畸變得到有效控制，突破了大型礦車減速機的生產(chǎn)瓶頸，填補了國內(nèi)在該領域的空白。
（2）根據(jù)數(shù)據(jù)分析，齒距累積總偏差（Fp）這項數(shù)據(jù)還是存在一定波動，需要進一步研究。
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