采煤機(jī)齒條熱處理變形原因與控制措施
2021-02-07袁岳東
（常熟天地煤機(jī)裝備有限公司）
（常熟天地煤機(jī)裝備有限公司）
某短壁采煤機(jī)調(diào)高齒條如圖所示，是一個(gè)典型的極容易彎曲變形的軸類零件。該齒條設(shè)計(jì)精度高，加工難度大，必須對加工基準(zhǔn)、齒形加工及熱處理工藝進(jìn)行分析和控制，特別是在齒條滲碳和淬火及冷處理過程中的變形進(jìn)行分析和控制。由于該材料的淬透性很高，齒條又是單面齒形，變形無法避免。
滲碳淬火后一般用冷校直的方法進(jìn)行修正，由于是滲碳整體淬火不管是齒條表面還是心部硬度多很高，在校直時(shí)容易產(chǎn)生微裂紋甚至發(fā)生斷裂。同時(shí)由于變形大，冷校的效果不理想，采用預(yù)留加工余量的方式來修正消除變形量，最終使齒條有效硬化深淺不一，硬度不均勻度加大，殘余應(yīng)力分布不均勻等問題，影響最終的制造精度、降低承載能力和使用壽命，滲碳和淬火過程中產(chǎn)生的變形控制已成為齒條制造過程中的技術(shù)關(guān)鍵之一。
1.齒條熱處理變形現(xiàn)狀
（1）齒條技術(shù)要求
材料為18Cr2Ni4WA，長1836mm，直徑245mm，模數(shù)25，齒數(shù)21.5，齒距78.54mm，齒距偏差±0.03mm，精度等級7GK GB/T 10096—1988。齒面滲碳淬火，有效硬化層2.50～3.00mm。淬火硬度56～60HRC，心部硬度35～41HRC。
（2）齒條加工工藝路線
下料→鍛造→正火+回火→車→消應(yīng)力→銑→滲碳+淬火→磨外圓→車→磨平面→精銑（齒形）→鉗→檢驗(yàn)。
（3）熱處理變形狀態(tài)
該齒條為長軸類非對稱齒輪滲碳件。2.0t吉埃斐密封箱式多用爐生產(chǎn)生產(chǎn)線設(shè)備，齒面朝上水平3點(diǎn)支撐放置滲碳淬火。在熱處理過程中受熱應(yīng)力、組織應(yīng)力以及附加應(yīng)力等綜合作用的結(jié)果，齒條變形很大，并且呈扭曲變形，齒條變形情況：齒條呈齒面方向向上翹曲呈凸面歪曲，歪曲變形量在1.55～7.80mm；小平面?zhèn)葟澰?.58～1.20mm，呈凹面；齒條長度方向總體縮短，縮短量在0.85～1.80mm；棒間距呈不同程度增大，增大在0.40～0.78mm；軸徑呈脹大趨勢，脹大在0.35～0.55mm。
2.齒條變形原因
（1）熱應(yīng)力引起的變形
熱處理工件變形的變化是由于內(nèi)應(yīng)力和外應(yīng)力綜合作用形成的，在加熱和冷卻過程中工件的各部分溫度差異，熱脹冷縮不均，內(nèi)部就產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力。該齒條形狀相對復(fù)雜（底部及單側(cè)為平面，齒底部到軸中心線很近）、齒部表面積明顯大于下平面、又是不對稱結(jié)構(gòu)工件，在加熱和冷卻過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力更大。當(dāng)應(yīng)力值超過材料的屈服強(qiáng)度，就要發(fā)生塑性畸變，由此發(fā)生工件產(chǎn)生翹曲、扭曲等變形。加熱溫度越高，熱應(yīng)力越大，變形越大；冷卻速度越快，變形越大。在熱應(yīng)力占主導(dǎo)時(shí)，工件向快冷面齒面凸起歪曲。
（2）組織應(yīng)力引起的變形
組織應(yīng)力引起變形是由零件在滲碳、淬火、冷處理過程中由于組織轉(zhuǎn)變所造成組織比容（體積）變化的不一致所造成的，組織改變引起的體積變化可見表1。
馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)的體積變化將產(chǎn)生不同的相變畸變量，這就可能造成不同的變形量，鋼中含碳越高，則轉(zhuǎn)變馬氏體時(shí)的比體積變化越大，見表2，即膨脹量越大。奧氏體中含碳量越高，變形越大；形成的馬氏體量越多，變形越大；殘留奧氏體和未溶碳化物越少，變形越大。
1.齒條熱處理變形現(xiàn)狀
（1）齒條技術(shù)要求
材料為18Cr2Ni4WA，長1836mm，直徑245mm，模數(shù)25，齒數(shù)21.5，齒距78.54mm，齒距偏差±0.03mm，精度等級7GK GB/T 10096—1988。齒面滲碳淬火，有效硬化層2.50～3.00mm。淬火硬度56～60HRC，心部硬度35～41HRC。
（2）齒條加工工藝路線
下料→鍛造→正火+回火→車→消應(yīng)力→銑→滲碳+淬火→磨外圓→車→磨平面→精銑（齒形）→鉗→檢驗(yàn)。
（3）熱處理變形狀態(tài)
該齒條為長軸類非對稱齒輪滲碳件。2.0t吉埃斐密封箱式多用爐生產(chǎn)生產(chǎn)線設(shè)備，齒面朝上水平3點(diǎn)支撐放置滲碳淬火。在熱處理過程中受熱應(yīng)力、組織應(yīng)力以及附加應(yīng)力等綜合作用的結(jié)果，齒條變形很大，并且呈扭曲變形，齒條變形情況：齒條呈齒面方向向上翹曲呈凸面歪曲，歪曲變形量在1.55～7.80mm；小平面?zhèn)葟澰?.58～1.20mm，呈凹面；齒條長度方向總體縮短，縮短量在0.85～1.80mm；棒間距呈不同程度增大，增大在0.40～0.78mm；軸徑呈脹大趨勢，脹大在0.35～0.55mm。
2.齒條變形原因
（1）熱應(yīng)力引起的變形
熱處理工件變形的變化是由于內(nèi)應(yīng)力和外應(yīng)力綜合作用形成的，在加熱和冷卻過程中工件的各部分溫度差異，熱脹冷縮不均，內(nèi)部就產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力。該齒條形狀相對復(fù)雜（底部及單側(cè)為平面，齒底部到軸中心線很近）、齒部表面積明顯大于下平面、又是不對稱結(jié)構(gòu)工件，在加熱和冷卻過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力更大。當(dāng)應(yīng)力值超過材料的屈服強(qiáng)度，就要發(fā)生塑性畸變，由此發(fā)生工件產(chǎn)生翹曲、扭曲等變形。加熱溫度越高，熱應(yīng)力越大，變形越大；冷卻速度越快，變形越大。在熱應(yīng)力占主導(dǎo)時(shí)，工件向快冷面齒面凸起歪曲。
（2）組織應(yīng)力引起的變形
組織應(yīng)力引起變形是由零件在滲碳、淬火、冷處理過程中由于組織轉(zhuǎn)變所造成組織比容（體積）變化的不一致所造成的，組織改變引起的體積變化可見表1。
馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)的體積變化將產(chǎn)生不同的相變畸變量，這就可能造成不同的變形量，鋼中含碳越高，則轉(zhuǎn)變馬氏體時(shí)的比體積變化越大，見表2，即膨脹量越大。奧氏體中含碳量越高，變形越大；形成的馬氏體量越多，變形越大；殘留奧氏體和未溶碳化物越少，變形越大。
表1 鋼淬火、回火時(shí)的體積變化（計(jì)算值）
注：wC表示淬火鋼馬氏體中的含碳量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）。
表2 馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)的體積變化與含碳量的關(guān)系
注：wC表示淬火鋼馬氏體中的含碳量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）。
（3）殘余應(yīng)力引起的變形
鍛造造成的應(yīng)力、機(jī)械加工（車削 、銑齒）造成的加工應(yīng)力，如果在熱處理前不采取措施預(yù)以消除和減少，在滲碳淬火過程中，必將加大齒條熱處理變形。
（4）滲碳淬火過程引起的變形
齒條采用航空滲碳材料18Cr2Ni4WA制造。由于含有較多的鉻、鎳、鎢合金元素，抑制了過冷奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的速度，因而淬透性極大，滲碳淬火后，強(qiáng)度和韌性都極好。該材料在滲碳處理后，表層的碳與合金元素大量溶入到奧氏體中，顯著提高了奧氏體的合金度，貝氏體轉(zhuǎn)變曲線大大右移，在空冷條件根據(jù)裝爐及齒輪尺寸也能轉(zhuǎn)變成含量不同的貝氏體和馬氏體，由于工藝的復(fù)雜性，該材料制造的齒輪在熱處理后變形比較大，這是由于齒輪經(jīng)過多次加熱與冷卻，因此變形比較大。滲碳后的滲層的Ms溫度點(diǎn)從滲碳前的310℃下降到80～90℃。這種滲層與心部所含碳量差異使淬火時(shí)產(chǎn)生心表馬氏體轉(zhuǎn)變的倒逆順序。這種相變順序有時(shí)受到齒輪尺寸、裝爐方式條件及冷卻條件的影響而改變，所以使齒條在熱處理時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力變得相當(dāng)復(fù)雜，齒輪變形程度也變得比較離散。
齒條滲碳淬火冷卻時(shí)，由于表層高碳的緣故，使的馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)（Ms）變的很低，而心部馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)仍然在較高點(diǎn)，一般情況下，在尺寸不大時(shí)，冷卻速度較大的情況下，心部低碳的奧氏體首先向低碳的貝氏體及馬氏體轉(zhuǎn)變，體積增大，而此時(shí)，高碳的表層組織從高溫的淬火溫度到Ms溫度點(diǎn)時(shí)是以熱應(yīng)力為主的熱脹冷縮區(qū)，兩者之間產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致齒條的兩對應(yīng)面產(chǎn)生歪曲應(yīng)力而變形，變形趨勢有齒一面呈凹陷，雖然其后溫度降到表面較低的Ms以下時(shí)，發(fā)生馬氏體相變而發(fā)生體積增大，但由于心部已形成強(qiáng)度較高的貝氏體及馬氏體，阻礙了變形的發(fā)展，使變形維持到低溫。
然而，事實(shí)上，本項(xiàng)目齒條的截面積比較大，又是高淬透性材料，其彎曲變形是齒面呈向上拱起的。在實(shí)際冷卻過程中，輪齒表面要比心部及齒對面平面首先發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，這是由于齒部冷卻明顯快于對面平面冷卻速度。加上表面積又大，使馬氏體轉(zhuǎn)變速度和數(shù)量要快和多，馬氏體轉(zhuǎn)變引起的體積膨脹量要明顯高于對面平面，在熱應(yīng)力、組織應(yīng)力綜合作用下的齒條向有齒的一面向上拱起彎曲。由于內(nèi)外Ms溫度點(diǎn)的差異，此時(shí)心部的冷卻速度也足以發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，因而心部的體積膨脹使齒輪表面形成殘余拉應(yīng)力狀態(tài)，這種拉應(yīng)力更一步加急了齒條變形。再者心部低碳馬氏體的體積變化遠(yuǎn)小于表層先已經(jīng)形成的高碳馬氏，表層高碳馬氏體有很高的屈服強(qiáng)度，不足以引起塑性壓縮而使變形反向，最后變形仍然保持在齒面拱起變形。
3.減少和控制齒條滲碳淬火變形的措施
（1）機(jī)械加工工藝優(yōu)化
為降低齒條滲碳淬火側(cè)彎的變形，對機(jī)械加工工藝進(jìn)行了優(yōu)化，齒條側(cè)面小平面在滲碳淬火后再在立式加工中心上進(jìn)行銑削，通過試驗(yàn)，齒條側(cè)彎控制在0.30～0.50mm，變形量明顯改善。
（2）增加中間消應(yīng)力
鋼件在熱處理淬火中產(chǎn)生的變形與開裂原因是比較復(fù)雜的，由于機(jī)械加工應(yīng)力增大了熱處理淬火變形，而使工件尺寸超差產(chǎn)生廢品的情況時(shí)有發(fā)生。工件經(jīng)機(jī)械加工后，其表面層都存在殘余應(yīng)力。有殘余應(yīng)力的零件處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)。一旦其內(nèi)部的平衡條件被打破，內(nèi)應(yīng)力的分布就會發(fā)生變化，從而引起新的變形，特別是幾何形狀不對稱零件在熱處理時(shí)更易產(chǎn)生翹曲變形。為控制減少熱處理變形在齒條銑齒加工后滲碳前增加一道550℃的消應(yīng)力處理。
（3）優(yōu)化熱處理工藝
低的淬火加熱溫度，高的冷卻介質(zhì)溫度可以有效減少和改善淬火變形量，將齒條淬火溫度從790℃±5℃降低到770℃±5℃，淬火冷卻介質(zhì)溫度從60℃提高到85℃。
（4）預(yù)加應(yīng)力，約束變形淬火
為控制齒條變形量，利用正反向應(yīng)力的相互抵消作用，在齒條淬火時(shí)，齒面上方中間預(yù)加一定壓力進(jìn)行約束變形淬火。根據(jù)齒條在高、低溫下的熱強(qiáng)度計(jì)算結(jié)合齒條變形數(shù)據(jù)，在齒條淬火時(shí)增加420kg左右的配重壓力可以明顯減小和控制齒條的翹曲及彎曲量，試驗(yàn)證實(shí)，齒條直線度在0.35~0.85mm，符合精加工前變形量要求。
4.結(jié)語
控制長軸類非對稱齒輪滲碳淬火變形是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，也是熱處理工作者的永久課題。
（1）齒條側(cè)平面安排在滲碳淬火后加工能有效控制齒條側(cè)彎變形量。
（2）增加消應(yīng)力及調(diào)整淬火工藝參數(shù)對改善齒條變形有效。
（3）從試驗(yàn)結(jié)果來看，采用預(yù)加應(yīng)力約束變形淬火方法對減小和控制齒條滲碳淬火彎曲變形量是切實(shí)可行的。該工藝技術(shù)對其他非對稱軸桿類零件滲碳淬火變形控制有一定的參考價(jià)值。
鍛造造成的應(yīng)力、機(jī)械加工（車削 、銑齒）造成的加工應(yīng)力，如果在熱處理前不采取措施預(yù)以消除和減少，在滲碳淬火過程中，必將加大齒條熱處理變形。
（4）滲碳淬火過程引起的變形
齒條采用航空滲碳材料18Cr2Ni4WA制造。由于含有較多的鉻、鎳、鎢合金元素，抑制了過冷奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的速度，因而淬透性極大，滲碳淬火后，強(qiáng)度和韌性都極好。該材料在滲碳處理后，表層的碳與合金元素大量溶入到奧氏體中，顯著提高了奧氏體的合金度，貝氏體轉(zhuǎn)變曲線大大右移，在空冷條件根據(jù)裝爐及齒輪尺寸也能轉(zhuǎn)變成含量不同的貝氏體和馬氏體，由于工藝的復(fù)雜性，該材料制造的齒輪在熱處理后變形比較大，這是由于齒輪經(jīng)過多次加熱與冷卻，因此變形比較大。滲碳后的滲層的Ms溫度點(diǎn)從滲碳前的310℃下降到80～90℃。這種滲層與心部所含碳量差異使淬火時(shí)產(chǎn)生心表馬氏體轉(zhuǎn)變的倒逆順序。這種相變順序有時(shí)受到齒輪尺寸、裝爐方式條件及冷卻條件的影響而改變，所以使齒條在熱處理時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力變得相當(dāng)復(fù)雜，齒輪變形程度也變得比較離散。
齒條滲碳淬火冷卻時(shí)，由于表層高碳的緣故，使的馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)（Ms）變的很低，而心部馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)仍然在較高點(diǎn)，一般情況下，在尺寸不大時(shí)，冷卻速度較大的情況下，心部低碳的奧氏體首先向低碳的貝氏體及馬氏體轉(zhuǎn)變，體積增大，而此時(shí)，高碳的表層組織從高溫的淬火溫度到Ms溫度點(diǎn)時(shí)是以熱應(yīng)力為主的熱脹冷縮區(qū)，兩者之間產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致齒條的兩對應(yīng)面產(chǎn)生歪曲應(yīng)力而變形，變形趨勢有齒一面呈凹陷，雖然其后溫度降到表面較低的Ms以下時(shí)，發(fā)生馬氏體相變而發(fā)生體積增大，但由于心部已形成強(qiáng)度較高的貝氏體及馬氏體，阻礙了變形的發(fā)展，使變形維持到低溫。
然而，事實(shí)上，本項(xiàng)目齒條的截面積比較大，又是高淬透性材料，其彎曲變形是齒面呈向上拱起的。在實(shí)際冷卻過程中，輪齒表面要比心部及齒對面平面首先發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，這是由于齒部冷卻明顯快于對面平面冷卻速度。加上表面積又大，使馬氏體轉(zhuǎn)變速度和數(shù)量要快和多，馬氏體轉(zhuǎn)變引起的體積膨脹量要明顯高于對面平面，在熱應(yīng)力、組織應(yīng)力綜合作用下的齒條向有齒的一面向上拱起彎曲。由于內(nèi)外Ms溫度點(diǎn)的差異，此時(shí)心部的冷卻速度也足以發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，因而心部的體積膨脹使齒輪表面形成殘余拉應(yīng)力狀態(tài)，這種拉應(yīng)力更一步加急了齒條變形。再者心部低碳馬氏體的體積變化遠(yuǎn)小于表層先已經(jīng)形成的高碳馬氏，表層高碳馬氏體有很高的屈服強(qiáng)度，不足以引起塑性壓縮而使變形反向，最后變形仍然保持在齒面拱起變形。
3.減少和控制齒條滲碳淬火變形的措施
（1）機(jī)械加工工藝優(yōu)化
為降低齒條滲碳淬火側(cè)彎的變形，對機(jī)械加工工藝進(jìn)行了優(yōu)化，齒條側(cè)面小平面在滲碳淬火后再在立式加工中心上進(jìn)行銑削，通過試驗(yàn)，齒條側(cè)彎控制在0.30～0.50mm，變形量明顯改善。
（2）增加中間消應(yīng)力
鋼件在熱處理淬火中產(chǎn)生的變形與開裂原因是比較復(fù)雜的，由于機(jī)械加工應(yīng)力增大了熱處理淬火變形，而使工件尺寸超差產(chǎn)生廢品的情況時(shí)有發(fā)生。工件經(jīng)機(jī)械加工后，其表面層都存在殘余應(yīng)力。有殘余應(yīng)力的零件處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)。一旦其內(nèi)部的平衡條件被打破，內(nèi)應(yīng)力的分布就會發(fā)生變化，從而引起新的變形，特別是幾何形狀不對稱零件在熱處理時(shí)更易產(chǎn)生翹曲變形。為控制減少熱處理變形在齒條銑齒加工后滲碳前增加一道550℃的消應(yīng)力處理。
（3）優(yōu)化熱處理工藝
低的淬火加熱溫度，高的冷卻介質(zhì)溫度可以有效減少和改善淬火變形量，將齒條淬火溫度從790℃±5℃降低到770℃±5℃，淬火冷卻介質(zhì)溫度從60℃提高到85℃。
（4）預(yù)加應(yīng)力，約束變形淬火
為控制齒條變形量，利用正反向應(yīng)力的相互抵消作用，在齒條淬火時(shí)，齒面上方中間預(yù)加一定壓力進(jìn)行約束變形淬火。根據(jù)齒條在高、低溫下的熱強(qiáng)度計(jì)算結(jié)合齒條變形數(shù)據(jù)，在齒條淬火時(shí)增加420kg左右的配重壓力可以明顯減小和控制齒條的翹曲及彎曲量，試驗(yàn)證實(shí)，齒條直線度在0.35~0.85mm，符合精加工前變形量要求。
4.結(jié)語
控制長軸類非對稱齒輪滲碳淬火變形是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，也是熱處理工作者的永久課題。
（1）齒條側(cè)平面安排在滲碳淬火后加工能有效控制齒條側(cè)彎變形量。
（2）增加消應(yīng)力及調(diào)整淬火工藝參數(shù)對改善齒條變形有效。
（3）從試驗(yàn)結(jié)果來看，采用預(yù)加應(yīng)力約束變形淬火方法對減小和控制齒條滲碳淬火彎曲變形量是切實(shí)可行的。該工藝技術(shù)對其他非對稱軸桿類零件滲碳淬火變形控制有一定的參考價(jià)值。
來源：《金屬加工：熱加工》2017年 第7期