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大型矿车双联内齿圈氮化的变形失效分析

嘉峪检测网        2023-01-13 18:43

我公司承接了某大型矿车减速器内齿圈表面离子氮化任务,该齿圈(见附图)为特殊的双联、薄壁结构并要求很高的精度等级,左端模数11.7、右端模数8.7,材料为40CrNiMo。由于采用磨齿成品后再氮化的工艺,氮化是齿轮的最后一道工序,要保证齿轮的高精度等级,就要求氮化变形要严格控制。而目前实际生产中,氮化后的畸变一直是困扰国内外热处理生产的难题。一旦变形不能有效控制,降低了齿轮的精度等级,整个齿轮传动系统运行时会产生冲击振动和噪声,降低运行的可靠性并影响整机寿命。本文通过工艺创新和试验验证,使齿圈氮化变形问题基本得到解决。
 
大型双联齿圈材料、技术要求及加工工艺
 
(1)化学成分
 
齿圈化学成分见表1。
 
表1齿圈化学成分(质量分数)  (%)
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
检测1 0.41 0.01 0.006 0.61 0.22 0.62 1.25 0.19
检测2 0.42 0.01 0.005 0.61 0.22 0.62 1.25 0.18
 
 
(2)技术要求
 
调质硬度280~310HBW。氮化层深0.3~0.5mm,白亮层<0.01mm,表面硬度53.5HRC(HR15N检测试块表面硬度)。
 
(3)加工工艺
 
齿圈主要工序:
 
锻造→正火→调质→立车→插齿→退火→立车→插齿→立磨→稳定时效→磨齿→氮化→成品检验。
 
常规工艺热处理工艺:
 
锻造厂正火处理;调质工序为(850±10)℃×(3~4)h,油冷;退火工序为(530±10)℃×(3~4)h,炉冷;氮化工序为(510±10)℃×(10~12)h,炉冷。
 
创新工艺:
 
正火工序为(880±10)℃×(3~4)h,空冷;调质工序为(850±10)℃×(3~4)h,水淬油冷;退火工序为(530±10)℃×(3~4)h,炉冷,升降温速度≤50℃/h;稳定时效工序为(510±10)℃×(3~4)h,炉冷,升降温速度≤25℃/h;氮化工序为(510±10)℃×(10~12)h,炉冷,升降温速度≤25℃/h,改进装炉方式,辅助加热装置。
 
试验结果
 
(1)力学性能
 
齿圈左端面加高50mm切割后加工试棒,采用水淬油冷工艺生产出的齿圈力学性能满足要求,如表2所示。
 
表2齿圈调质后力学性能结果
  Rp0.2 A5 Z AKU 硬度  
Rm /MPa (%) (%) /J HBW  
/MPa            
要求值 785 640 12 38 39 280~310
检测1 973 819 17 60 65 295
检测2 983 838 16 58 61 298
 
 
(2)退火后变形检测
 
粗开齿之后,零件表面由于加工产生的应力很大,需要增加去应力退火工序。为了控制后续氮化产生的变形,需要严格控制升降温速度和保温温度。退火后检测变形情况,椭圆0.05mm。
 
(3)时效处理后变形检测
 
粗磨齿后,零件仍然会产生加工应力,也需要退火,但是如果在普通电炉退火的话,表面会产生轻微氧化,会对氮化产生影响,所以在氮化炉时效处理。这样做有几点好处:进一步消除加工应力;检测变形情况,为下一步加工做准备;试验氮化工装、装胎方式是否合理。时效前、后变形情况如表3、4所示。
 
表3 齿圈时效处理前变形测量数据
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 齿圈稳定时效后变形测量数据
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
 
稳定时效前、后数据对比,齿廓倾斜偏差(fHα)、齿廓形状偏差(ffα)、螺旋线倾斜偏差(fHβ)、螺旋线形状偏差等偏差不大(ffβ),精度等级都小于7级,齿距累积总偏差达(Fp)到9级精度。说明齿圈直径方向上有一定的变形,经测量齿圈直径方向涨大0.15mm。
 
(4)氮化变形检测
 
利用三坐标检测设备检测齿圈变形情况,具体数据如表5所示。
 
表5 齿圈氮化后变形测量数据
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
 
 
变形影响因素分析
 
(1)调质
 
将淬火工艺从油冷改为水淬油冷,对于后续控制变形的优点是:
 
①提高齿圈的淬硬层深度,采用油冷工艺,滚齿后齿圈只有齿顶一部分处于淬硬层,采用水淬油冷工艺,滚齿后齿圈的齿顶与齿根都处于淬硬层,减小由于组织差异而导致的变形量。
 
②提高齿圈心部硬度,材料高温塑变抗力提高。
 
③提高回火温度,消除应力充分。
 
(2)退火及稳定时效
 
在精磨齿前增加一次稳定时效处理,减小插齿、粗磨齿产生的加工应力。去应力退火创造了两个有利条件:
 
①加热温度低、热应力小。
 
②加热速度慢,温度梯度小。
 
这两点都有利于应力释放和扭曲晶格回复进程缓慢,从而变形减小。
 
(3)离子氮化
 
在入炉初期,各部位存在的温差较大,所产生的热应力足以使率先达到高温的部位发生塑变而引起变形。升温速度及氨气流量也是影响渗氮质量的重要因素。控制氮化时的升、降温速度≤25℃/h,增加辅助加热装置,提高齿圈各部位的加热均匀性,避免温差产生热应力而导致的变形。
 
结语
 
(1)通过调整冷加工工序,改进预备热处理方式、消除应力方式,采用创新的氮化工艺,齿圈基体强度得到提高,离子氮化齿圈的畸变得到有效控制,突破了大型矿车减速机的生产瓶颈,填补了国内在该领域的空白。
 
(2)根据数据分析,齿距累积总偏差(Fp)这项数据还是存在一定波动,需要进一步研究。

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来源:《金属加工(热加工)》