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            上海熱處理廠有限公司大型齒輪深層滲碳淬火變形原因分析及其控制  2007/3/10 
             
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            1 引言

               

                齒輪的變形直接關系到齒輪強度、精度等質量指標。.對于滲碳淬火的齒輪,特別是大型齒輪,其變形量很大,且難以控制。較大的變形不僅會使磨量增加,成本提高,而且影響齒輪制造精度,降低承載能力,最終壽命也會大大下降。熱處理變形主要是由于工件在機加工時產生的殘余應力,熱處理過程中產生的熱應力和組織應力以及工件自重變形等共同作用而產生的。影響齒輪滲碳淬火變形的因素很多,包括齒輪的幾何形狀、原材料及冶金質量、鍛造和機加工的殘余應力、裝料方式和熱處理工藝及設備等諸方面。掌握變形規律,減少齒輪滲碳淬火變形,能夠提高齒輪的承載能力和使用壽命,對縮短制造周期,降低生產成本也都具有重要意義。

               

                2 滲碳淬火齒輪變形規律

                對大型齒輪質量和壽命影響最大的變形來自齒輪外徑、公法線長度和螺旋角等。一般說來,變形趨勢如下:

                2.1 大型齒輪變形規律:滲碳淬火后齒頂圓外徑呈明顯脹大趨勢,且上下不均勻呈錐形;徑長比(齒輪外徑/齒寬)越大,外徑脹大量越大。碳濃度失控偏高時,齒輪外徑呈收縮趨勢。

                2.2 大型齒輪軸變形規律:齒頂圓外徑呈明顯收縮趨勢,但一根齒軸的齒寬方向上,中間呈縮小,兩端略有脹大(如下圖表)。

               

                未處理 處理后 相 差

                外 徑

                1 1067.61 +0.16

                2 1067.45 1066.49 -0.96

                3 1066.49 -0.96

                4 936.15 935.03 -1.12

                5 1066.81 -0.64

                6 1067.45 1066.81 -0.64

                7 1068.40 +0.95

               

               

                表1,大型齒輪軸熱處理徑向變形

               

                2.3 齒圈變形規律:大型齒圈經滲碳淬火后,其外徑均脹大,齒寬大小不同時,齒寬方向呈錐形或腰鼓形。

               

                3 滲碳淬火齒輪變形原因

               

                3.1 滲碳件變形的實質

                滲碳的低碳鋼,原始相結構是由鐵素體和少量珠光體組成,鐵素體量約占整個體積的80%。當加熱至AC1以上溫度時,珠光體轉變為奧氏體,900℃鐵素體全部轉變為奧氏體。920—940℃滲碳時,零件表面奧氏體區碳濃度增加至0.6—1.2%,這部分碳濃度高的奧氏體冷至600—650℃才開始向珠光體、索氏體轉變,而心部區的低碳奧氏體在900℃即開始分解為鐵素體,冷至550℃左右全部轉變完成。心部奧氏體向鐵素體轉變是比容增大的過程,表層奧氏體冷卻時是熱收縮量增加的變化過程。在整個冷卻過程中,心部鐵素體生成時總是受著表層高碳奧氏體區的壓應力。此外,大型齒輪由于模數大、滲層深,滲碳時間較長,由于自重影響,也會增加變形。

                3.2 淬火變形的原因

                工件淬火時,淬火應力越大,相變越不均勻,比容差越大,則淬火變形越嚴重。淬火變形還與鋼的屈服強度有關,塑性變形抗力越大,其變形程度就越小。

                從齒輪和齒輪軸滲碳淬火冷卻各部位冷卻速度、組織及硬度狀態比較分析,可以發現上中下各部位冷卻速度的差別,以及表面、過渡區、心部冷卻速度差別,和其組織轉變的不同時性是造成齒輪變形的主要原因。減小變形也要通過提高各環節的均勻性來實現。

               

                4 減小和控制滲碳淬火齒輪變形的措施

               

                4.1 控制原材料減小變形

                我國高速重載齒輪行業目前普遍使用的鋼種有20CrMnMo、20CrNi2Mo、17Cr2Ni2Mo、20Cr2Ni4等,由于受到冶煉水平等影響,原材料質量狀況不盡人意。同時由于進貨渠道不同,質量也有較大波動,給變形控制帶來很大難度?傮w來說,原材料對變形的影響如下:

                (1) 材料淬透性是影響熱處理變形的主要因素之一,淬透性帶寬較小變形較;反之則變形較大。

                (2) 鋼的冶金質量:鋼材經過真空脫氣處理后,材料純凈度提高,雜質含量少,晶粒度均勻,以氧化物為主的夾雜物大幅度減少.在這方面,國外的冶金質量控制得較好,而國內齒輪鋼化學成份波動較大,有害夾雜物含量高,鋼錠偏析嚴重,這對齒輪變形控制造成先天性缺陷?煽偨Y如下:

                (a)鋼材晶粒度對變形有著明顯的影響,隨著晶粒度尺寸增加,變形加大.因而要嚴格控制晶粒度尺寸及混晶。大型齒輪通常要求晶粒度在5級以上。

                (b) 隨著鋼材淬透性的增加,變形率增大。因而在設計齒輪選材時,只要淬透性能滿足要求即可.但應盡可能控制好淬透性帶, 以利于變形規律的統計和摸索。

                (c) 馬氏體相變點Ms對變形的影響是隨著Ms點降低,變形增大。一般C、Mn含量較高的鋼材具有較低的Ms點,因而從變形的角度考慮,鋼材中C、Mn含量盡可能控制在較低的范圍內。

                (3)鍛件質量

                (a) 合理的鍛造流線和鍛造比;

                (b) 嚴格控制鍛件利用率;

                (c) 加強鍛后熱處理控制。

                4.2 設計和機加工的預先控制

                4.2.1 合理的設計

                零件的結構、用材、技術要求對其熱處理工藝性能有很大的影響。處理好它們之間的關系,對減少淬火變形大有益處。

                (1) 合理的零件結構:合理結構即零件在設計時其形狀應盡可能簡單,分布均勻、對稱,力求在零件上避免盲孔、尖棱等。由于零件設計不合理,往往在淬火時應力分布不均勻,而產生不規則變形。

                因此,零件設計時,在滿足使用性能的條件下,要盡可能兼顧熱處理變形。

                (2) 選材:零件在選材時,首先應保證使用性能的要求,同時還要考慮熱處理工藝性能及經濟的合理性。既不能為降低成本采用熱處理工藝性能較差的材料,又不能盲目提高成本,一般應遵循以下原則:

                • 依據材料熱處理性能選材。一般情況選材原則是要以較緩和的冷卻方法來達到淬硬零件目的。

                • 將材料和熱處理方法結合起來選材.在使用性能允許情況下,可通過改變熱處理方法來達到設計要求,即將選材與熱處理方法有機的結合起來。

                •合理力學性能要求.設計者除在材料與力學性能之間進行合理搭配外,應考慮某些零件局部的特殊要求,以免降低熱處理工藝性能,造成不必要的變形,甚至產生不合格品。

                4.2.2 適當的機加工

                機加工由于進給量、工件各部位加工余量及加工差異,可導致工件各部位應力性質不同和應力分部不均衡,致使工件在淬火時發生變形。為此,應考慮:

                (1) 加工方法與變形關系; 在工件的成形加工過程中,可能會采用車、滾、鏜、磨等不同的加工方法,從而使工件的各部位應力分布不均衡,淬火時產生較大變形. 反過來,則可通過改變局部的加工方法,使該部分殘留的應力對減少變形有利,從而達到減少變形的目的。

                (2) 加工量與變形;工件各部分加工量不同或人為地造成加工量的不同,均會給工件熱處理后的變形造成不良影響。

                (3) 機加工工序與變形;合理地安排機加工工序,協調好機加工與熱處理之間的關系,對減少淬火變形大有益處。特別是那些形狀不對稱或帶有長槽類工件,這點尤為重要。例如在易變形的齒圈淬火前增加一道去應力工序,磨齒后再進行一次低溫回火。

                4.2.3 變形的預補償

                (1) 對大型齒圈,可針對滲碳淬火后齒頂圓漲大規律,預先車小齒頂圓;

                (2)對大型齒軸的螺旋角,可采取滾齒時預補償辦法達到減小螺旋角變形的目的。

                4.3 熱處理工藝操作與變形關系

                4.3.1 預先熱處理

                采用適當的預先熱處理方法,可有效減小后續熱處理的變形。對齒輪和齒輪軸,由于退火周期長,成本高,目前一般采用正火回火處理,而大型齒圈則采用調質作為預先熱處理。

                4.3.2 滲碳與淬火溫度

                通常采用的滲碳溫度為920—930℃.采用稀土催滲技術時,加入稀土元素后,在滲碳周期相當的前提下,可使滲碳溫度由930℃降為860~880℃.在改善滲層組織、節能、延長設備壽命的同時,還可以明顯減少滲碳件的變形.但目前催滲技術在大型齒輪深層滲碳變形控制方面還有待進一步研究。

                淬火溫度對工件的淬火變形影響很大,淬火變形趨勢一般規律如下圖。根據此規律,可以通過調整淬火溫度來達到減少變形的目的,或將預留機加工量同淬火溫度經熱處理試驗后合理選擇使用。一般情況下,淬火溫度越高均使工件變形增大.這是由于增加了工件截面上的溫差,使熱應力增加,同時由于過高的加熱溫度,使奧氏體晶粒長大,降低了塑性變形的抗力,從而增大了淬火變形。從減少變形出發,盡量選擇淬火下限溫度是有利的。

                淬火溫度

                a) b) c) d) e) f) g) h)

               

               

                4.3.3 加熱速度

                當工件內部存在較大的機加工殘余應力,而工件截面差別又較大時, 升溫速度影響更大。工件快速加熱會產生較大熱應力,與工件內殘余應力和相變組織應力相互作用,如應力方向一致,產生迭加或合成的應力很容易使高溫狀態下零件產生變形。

                4.3.4 淬火保溫時間

                保溫時間的選擇除保證工件透燒,淬火后達到要求的硬度或其它力學性能外,還要考慮它對淬火變形的影響。延長淬火保溫時間,實際上就相應地提高了淬火溫度。

                4.3.5 裝爐方法

                工件在加熱時擺放形式不合理,則會產生因工件自重而引起的變形,或因工件之間相互擠壓產生變形,或工件堆放過密造成加熱及冷卻不均而產生變形。因而裝爐要均勻,各種齒輪軸滲碳淬火時可設計相應的工裝進行壓緊,以減少變形。齒輪要根據形狀分別采用平放或垂直放方法,減小變形。

               

                4.3.6 滲碳淬火設備

                良好的滲碳淬火設備是減小齒輪變形的重要手段,對大型齒輪尤為重要。大型齒輪采用井式氣體滲碳爐進行滲碳淬火時,應滿足控溫精度±1℃;爐溫均勻度±7℃;碳勢均勻度±0.05%。

               

                4.3.7 淬火介質與設備

                在保證工件淬火硬度要求下,一般選用冷卻較緩和的介質,同時還要控制好介質的溫度。對于淬火冷卻設備,要保證工件淬火時冷卻均勻,避免使淬火油溫的溫差較大,因而要求安裝加熱裝置和攪拌裝置。通過對比, 在保證硬度情況下,熱油淬火變形要比冷油淬火變形小。

                淬火過程中,發生的變形是由于內部殘余應力分布不均勻,應力性質與大小受多種因素影響.單項因素或多項因素同時起作用時,淬火介質溫度是重要因素。就目前使用的淬火油來講,其溫度對冷卻速度并無明顯影響,但對變形影響較大。所以在滿足使用性能的前提下,往往采用熱油淬火。

                5 結束語

                以上介紹了影響變形的幾個比較主要的因素.此外還有滲碳件的質量(分布均勻的硬化層,緩和的硬度梯度,良好的金相組織);回火方面的控制等等。針對變形控制,還有采用分級、等溫淬火;采用專用夾具和淬火壓床等?傊,齒輪變形是一個復雜的系統工程,是各種因素綜合作用的結果,可歸結為“均勻”二字,只要做到材料均勻,形狀均勻、加熱和冷卻均勻,各個環節都均勻,就不會有變形問題.實際上這是不可能的,所以變形是不可避免的.到目前為止,大型齒輪的變形控制依然是一個長期的課題,但是只要有針對性的采取措施控制變形,就會使變形量盡可能地減小。

             
             
                  
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