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            大型齒圈的深層滲碳工藝優化

            作者:浙江三歡齒輪有限公司 瀏覽: 發表時間:2022-01-10 11:02:54

            大型齒圈的深層滲碳工藝優化

            1.技術參數

            硬齒面大型中心傳動齒輪減速器是一家公司的旗艦產品。由于市場行情井噴,訂單超過100單,單重3860公斤,材質20CrMnMo。每臺減速機含I級齒圈2件,齒圈外形尺寸ф 2791 mm× ф 2250 mm× 264 mm,徑寬比(直徑/齒)熱處理技術要求見表1??梢?,滲碳淬火硬化層深度≥3.6≤3mm,端面翹曲≤3mm,根據相關文獻可知,大齒圈深度滲碳淬火的難點包括變形控制和微觀組織。這也是本文的技術風險點。

            表1一級齒圈熱處理技術要求

            滲碳工藝層深度/毫米

            3.6~4.1/HV550

            硬化硬度

            58~64

            金相組織

            根據JB/T6141.3《重載齒輪滲碳質量檢驗》

            碳化物:≤3級,馬氏體,殘余奧氏體,鐵素體:≤4級。

            熱處理變形/毫米

            端部翹曲≤3°

            2.容量估計

            第一類齒圈熱處理設備為VBS 2800/2500滲碳爐,其設計能力計算見表2??梢钥闯?,生產是按照常規熱處理工藝(滲碳+高溫回火+淬火)來組織的,整個熱處理過程約350天,給進度帶來了前所未有的壓力。

            表2 VBES 2800/2500滲碳爐設計能力計算表

            VBES2800/2500滲碳爐參數

            熱處理零件的充電參數

            工作尺寸/毫米

            Ф2800×2500

            實際充電尺寸/毫米

            Ф2791×1056

            (可裝4件)

            90℃材料架負荷/噸

            17

            實際裝載重量/噸

            15

            容量估計

            累積滲碳和淬火爐次數

            50個熔爐(總共200個,每個熔爐4個)

            滲碳淬火周期/天

            熱處理過程總時間/天

            350

            二、工藝方案

            如前所述,本文的研究重點包括三個方面:組織形式、變形控制和生產率。為了解決碳化物形態問題,作者經過多年努力,探索推廣了緩沖滲碳工藝(如圖1a所示)。在此基礎上,本文進行了進一步的優化,優化后的緩沖過程曲線如圖1b所示。為了減少翹曲,增加充電容量,本文對充電模式進行了改進,常規和改進后的充電模式分別如圖2a和圖2b所示。

            大型齒圈滲碳裝料模式

            1.常規深層滲碳工藝

            (1)裝料爐

            參考表1,常規熔爐裝料的物理照片如圖2a所示。采用傳統的碳鋼焊接料架,在930℃抗蠕變性差,使用一爐后料架翹曲變形超過3毫米。

            (2)過程曲線

            常規工藝曲線如圖1a所示。滲碳爐溫度為860℃,工件容易發生較大變形。由于料架變形和高溫出爐的雙重影響,每爐次翹曲變形超過4mm,約有兩個一級尺寸齒圈返工修正。

            2.深層滲碳優化工藝

            (1)裝料爐

            本文經過長期研究發現,減速器內二等大齒圈(材質:20CrMnMo,齒寬約500mm),滲碳淬火翹曲變形得到控制(小于2mm)。根據這一經驗,本文將一種工業廢料齒圈轉化為一種新型工具,如圖3所示。在報廢的齒圈外圓上焊接16個支撐塊,使其直徑擴大到2700mm,增加與工件的接觸面積,有效裝爐尺寸可達ф 2800 mm× ф 2100 mm,使用3號爐后,上下端面可銑成平面,重新投入使用。

            大型齒圈新的裝爐工具

            使用新工裝(無料架)的裝爐方式如圖2b所示,一級大型齒圈的裝爐能力由4臺提升至8臺。

            (2)過程曲線

            優化后的緩沖滲碳工藝曲線如圖2b所示,不同于優化前860℃滲碳,高溫回火后再加熱到660℃。滲碳后,采用快速冷卻至660℃的方法進行高溫回火。

            (3)優化測試

            優化后的工藝采用快速冷卻,但爐內冷卻速度低于爐內慢冷坑,網狀碳化物易在滲層表面析出。本文嘗試調整冷卻碳勢的思路,達到防止不良碳化物析出和保證齒面硬度的雙重目的。本文設計了三組不同冷卻碳勢的工藝試驗。

            試驗對象為φφ25mm圓形試棒(材質:20CrMnMo),工藝流程:緩沖滲碳(如圖1b所示)→淬火→低溫回火。如表3所示,滲碳和冷卻時的三組工藝試驗分別采用了0.8%、0.7%和0.6%的碳勢,淬火和低溫回火的工藝參數完全一致。

            表3三組工藝試驗的工藝參數

            a

            b

            c

            冷卻碳勢/%

            0.80

            0.70

            0.60

            淬火過程

            850℃,1小時

            低溫回火

            200℃,2h

            三.結果和分析

            1.滲透層結構

            本文采用LYMPUS-GX71顯微鏡,根據JB/T 6141.3重載齒輪金相標準,分別對三組試驗中滲層表面的顯微組織進行了評價,如圖4所示??梢钥闯?,工藝A獲得了不良的角塊狀碳化物,工藝B和工藝c獲得了分散的粒狀碳化物。

            不同冷卻碳勢的滲碳表面結構

            2.表面硬度

            本文用MH-60顯微維氏硬度計測試了三種不同試驗的表面硬度。如表4所示??梢钥闯?,工藝A和工藝B獲得的齒面硬度較高,而工藝C獲得的齒面硬度較低。

            從圖4和表4可以看出,工藝B(冷卻碳勢:0.7%)滲碳層表面粒狀碳化物分散,表面硬度為59HRC,達到了試驗目的。

            表4不同冷卻碳勢的表面硬度

            a

            b

            c

            冷卻碳勢/%

            0.80

            0.70

            0.60

            齒面硬度HRC

            (距離表面0.1毫米)

            62.4

            59.7

            56.1

            冷卻碳勢為0.7的緩沖滲碳已延長20多爐,第一階段約為3.9mm/HV550,滲碳層深度大齒圈滲碳層深度大。真實齒面硬度為59.3~60.5HRC,符合技術要求。

            3.變形統計

            采用新工裝后齒圈滲碳淬火翹曲的統計見表5??梢钥吹烬X圈使用新工裝后翹曲明顯改善,從優化前的4mm以上降低到1.5 mm以下。

            表5 I/kloc-0級/使用新工裝后的變形統計

            4.成本分析

            工藝優化前后成本的粗略比較如表6所示??梢钥闯?,通過工藝優化,生產能力(充電能力)提高了50%;效率(周期縮短)提高40%以上;年成本降低約100萬元。

            表6流程優化前的成本對成本分析

            優化項目

            優化前

            優化后

            熔爐工件數量

            裝料重量/千克

            15440

            30880

            200件齒圈累積熱處理

            50

            25

            200件齒圈累計處理周期/天

            350

            200

            總成本/萬元

            250

            150

            四.結論

            (1)快速冷卻至660℃,直接高溫回火,優化深滲碳淬火工藝,冷卻碳勢設定為0.7%。得到以下結果:滲碳層表面的粒狀碳化物分散;滲碳層深度為3.9mm/HV550,齒面硬度為59.3~60.5HRC,滿足技術要求。

            (2)通過使用新的裝爐夾具,一級大齒圈的翹曲變形從4毫米以上降低到1.5毫米以下。

            (3)通過工藝優化,產能提升50%;效率提高40%以上;年成本降低100萬元。

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