案例分享：薄壁齿圈渗碳淬火畸变控制
齿圈（见图1）设计所用材料为20Cr2Ni4A，其主要化学成分和临界点见表1，齿圈要求整体渗碳，渗碳层深0.9~1.2mm，表面硬度≥60HRC，内花键参数见表2。从齿圈的结构分析，花键为内花键，壁薄，热处理时更容易产生畸变，畸变控制难度加大。
图1 齿圈简图
①RJJ-90井式渗碳炉，有效尺寸φ600mm×900mm，最高工作温度950℃，加热功率90kW，最大装炉量500kg。②Aichelin转炉，有效尺寸φ400mm×70mm。表1 20Cr2Ni4A齿轮材料的主要化学成分与临界点
表2 花键参数
20Cr2Ni4A钢合金元素总含量（质量分数）大于5%，属高合金渗碳钢。该钢种淬透性高，具有优良的综合力学性能，特别是Ni含量较高，使钢具有良好的强韧性和淬透性。20Cr2Ni4A钢的合金元素Cr、Ni均能推迟奥氏体转变，因此该钢过冷奥氏体在珠光体区间的稳定性很高，即使空冷也发生贝氏体转变。表层渗碳后，由于碳和合金元素的综合作用，使贝氏体转变曲线大大右移，贝氏体等温转变图“鼻尖”的孕育期由渗碳前的十几秒推迟到二十几分钟，可以空淬成马氏体或贝氏体。该材料在渗碳处理后，表层的碳及其他合金元素大量溶入到奥氏体中，显著提高了奥氏体的合金化程度，其渗碳层与心部的马氏体转变点（Ms）为271℃，而渗碳层的马氏体转变点（Ms）降至80~90℃，这样就大大提高了过冷奥氏体的稳定性，经渗碳空冷后表层组织为马氏体及大量残留奥氏体，从而影响淬火后的硬度。要消除大量残留奥氏体，不能像一般低合金渗碳钢那样采用直接淬火法，经二次淬火反而使残留奥氏体增多导致硬度下降。对这类高合金渗碳钢有其独特的处理方法，即渗碳后于650℃高温回火。回火时，在一定的温度下，从残留奥氏体中析出碳化物的过程是一个原子扩散过程。温度越高越有利于扩散，析出碳化物增多，使残留奥氏体的过饱和度减小，有利于残留奥氏体转变。但回火温度也不能太高，因为高碳表面层的奥氏体，温度约为700℃，过高的回火温度容易引起相变，反而使奥氏体中溶入更多的碳和合金元素，提高了奥氏体的稳定性，增加残留奥氏体量。
热处理畸变是零件热处理后其形状和尺寸发生变化的一种物理现象。引起热处理畸变需要具备三个条件：应力、塑性、作用时间。薄壁齿圈的畸变特征主要体现为锥度、圆度、内外径的涨缩和端面翘曲。（1）粗加工后将零件调质至28~32HRC，这样既有助于改善可加工性，提高零件表面加工精度，又能最大限度地减少粗加工中产生的残余应力，为后期的渗碳、淬火提供良好的条件，从而控制变形量。（3）渗碳空冷，高温回火后测量齿圈的外径，圆度大的增加压力校圆处理，使齿圈的圆度控制在0.2mm以内。热处理生产所用工艺：渗碳→高温回火→校圆→带心轴淬火→两次低温回火→抛丸。检查试样用同炉的φ32mm圆棒试样。（1）渗碳：930℃强渗期2.5~3h，碳势1.18%CP左右，扩散期1.5h，碳势0.68%CP左右；降温至800℃后出炉空冷。（2）高温回火：650℃保温2h，冷至550℃出炉。（3）对圆度变形大的齿圈进行压力校圆处理，使变形量控制在0.2mm以内。（4）带心轴淬火：温度800℃，碳势0.85%CP，保温时间1.5h，用分级淬火油，淬火油温65℃，淬火时间1min。（5）两次低温回火：根据实测硬度值确定为140℃，保温4h。（1）组织形态。试样的显微金相组织如图2所示，组织为隐针马氏体+少量铁素体+少量残留奥氏体。
图2 显微金相组织
（2）表面硬度。在齿圈的花键齿面和端面检测硬度在60~61HRC，其中齿面硬度稍高。
图3 硬度梯度
（4）在四件齿圈的端面分别作标记1~4号，经热处理后测量圆度和内花键M值都满足要求（见表3、表4），其中圆跳动在0.08~0.15mm变动，M值在0.11~0.17mm。表3 外径热处理后数据 （mm）
表4 花键M值热后数据表 （mm）
经检测，齿圈的各项热处理技术要求均达标，畸变也均控制在合理范围内，为以后生产此类薄壁齿圈提供了理论依据。为了满足20Cr2Ni4A齿圈的技术条件，需要对材料的特性、机加工工艺流程以及渗碳和淬回火的全过程进行细致的分析，通过采取以下针对性的措施，使齿圈渗碳淬火畸变控制在合格范围内。（1）增加调质处理，改善可加工性，提高零件表面加工精度，消除粗加工中产生的残余应力。（2）齿圈渗碳空冷，高温回火后在圆度较大的情况下可进行校圆处理。（3）对薄壁内花键类零件需要设计合适的工装进行压淬处理，以控制内花键的变形。（4）采取合理的装炉方式能适当减小变形。
作者：唐富生
单位：杭州前进齿轮箱集团股份有限公司
来源：《金属加工（热加工）》杂志
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