宋 阳，蔺小庆
(宝鸡法士特齿轮有限责任公司，陕西 宝鸡 722409)
二轴一档齿轮是重型矿用车变速箱的重要零部件，工作时承受较大的弯曲应力和接触应力，其结构如图1所示，材料为8620RH，齿轮模数为4.9。生产中发现该齿轮在渗碳淬火、回火后，存在心部硬度偏低的质量问题，严重影响生产进度。心部硬度会直接影响渗碳齿轮的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，同时还对热处理变形有较大的影响[1]。本文对影响齿轮心部硬度的各种因素进行分析和总结，从热处理工艺和零件材料两方面提出解决齿轮心部硬度偏低的有效措施。
图1 齿轮结构示意图Fig.1 Schematic diagram of gear structure
该齿轮的生产工艺流程为：原材料→锻造→正火→机加工→渗碳淬火、回火→金相检验→强化喷丸→检验→机加工→终检。
热处理技术要求：表面硬度为58～63 HRC，心部硬度≥25 HRC，心部硬度检测位置如图2所示；
有效硬化层深HV513为0.84～1.34 mm；
马氏体、残余奥氏体组织为1～5级，不允许有网状、半网状碳化物，非马氏体≤0.02 mm。
图2 齿轮心部硬度检测位置Fig.2 Core hardness detection position of gear
2.1 齿轮结构
该齿轮结构为圆柱齿轮，具有轮幅厚、尺寸大等特点。齿轮在加热保温完成后的淬火冷却过程中，由于齿轮轮幅蓄热量较大，冷却速度较慢，因此容易造成齿轮心部硬度偏低的质量问题。
2.2 热处理工艺
渗碳淬火设备为爱协林公司的箱式多用炉，以氮气和甲醇为载气，以催渗剂为富化气，淬火油为好富顿G油，油温为70 ℃，搅拌速度为1000 r/min。热处理工艺曲线如图3所示。
图3 热处理工艺曲线Fig.3 Heat treatment process curve
2.2.1淬火油温
采用同一台设备在相同热处理工艺下进行工艺试验，淬火油温分别为60、70和80 ℃时，零件的心部硬度见表1。由表1可知，不同淬火油温下零件心部硬度并没有明显变化。理论上，提高淬火油温，淬火油的冷却速度会略有提高。这是因为淬火油的温度越高，粘度越低，淬火油的流动性就越好，故冷速会略有提高。但淬火油温提高的同时，与工件之间的温差会减小，带走的热量就会减少[2]。因此，对于在正常油温使用范围内，升高油温会提高或降低冷速尚不明确。
表1 不同淬火油温下零件心部硬度
2.2.2淬火温度
采用相同的热处理工艺，并满足零件变形要求，淬火温度分别为840、850和860 ℃时，零件的心部硬度见表2。由表2可知，随着淬火温度的提高，心部硬度略有提高，但仍处于技术要求的下限。这是因为提高淬火温度会使得工件与淬火油之间的温差变大，带走的热量增多，致使冷却速度有所提升，从而提高心部硬度。
表2 不同淬火温度下零件心部硬度
2.2.3淬火介质
采用相同的热处理工艺，将两批零件分别在好富顿K-2000和G淬火油中进行冷却，两种淬火介质的理化参数对比见表3，零件的心部硬度见表4。由表4可知，经K-2000淬火油淬火冷却后零件的心部硬度要略高于G油，且满足技术要求，但仍处于技术要求下限。这是因为K-2000淬火油比G油具有更低的运动粘度，体现出更好的流动性；
同时还具有更快的高低温冷速，尤其是低温冷速，能提高心部冷却时的热量传递速度，在马氏体转变区体现更好的冷却能力，从而提高零件的心部硬度。
表3 不同淬火介质理化参数对比
表4 不同淬火介质下零件心部硬度
2.3 齿轮材料
齿轮材料的化学成分确定了材料端淬值的范围，对于某一特定结构的齿轮，端淬值对心部硬度起决定性作用。原齿轮材料为8620RH，经过多轮工艺试验，该零件的心部硬度值均处于技术要求的下限。为了提高其心部硬度，经过对比分析成分、使用性能，选择淬透性更好的F0111材料(公司内部牌号)。两种材料的主要化学成分见表5，与8620RH材料相比，F011材料的碳含量提高了0.01%～0.02%，Mn含量提高了0.02%～0.03%，可提高心部的淬硬性。
齿轮材料更换为F0111材料，随机抽取6炉零件进行剖切，其心部硬度见表6。由表6可知，心部硬度有了明显提升，且基本稳定。因此，在淬火油温、淬火介质等条件不变的前提下，高淬透性材料可明显提高齿轮心部硬度[3]。
表5 8620RH和F0111材料主要化学成分(质量分数，%)
表6 8620RH和F0111材料齿轮的心部硬度
钢的淬透性表示钢的淬透能力，主要是保证不同大小齿轮的心部硬度，以满足接触疲劳强度和弯曲疲劳强度要求。心部硬度与材料淬透性有关，淬透性好的材料淬火后心部硬度值高。因此不同技术要求的产品，应匹配能满足心部硬度要求的材料，且同一牌号材料化学成分波动过大，也会影响材料的心部硬度[4-5]。
1)提高淬火温度、使用冷却速度更快的淬火油均可以提高齿轮的心部硬度，但由于零件结构及材料淬透性有限，心部硬度提高的幅度并不明显。
2)提高淬火油温，可使淬火油粘度降低，冷速提高；
但淬火油与工件的温差减少，带走的热量减少，冷速降低。因此提高淬火油温是否能提高心部硬度尚不明确。
3)使用高淬透性材料，可明显提高齿轮的心部硬度，保证零件质量。因此不同结构及大小的渗碳齿轮匹配合适的材料显得至关重要。
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