大型齿圈锻件的热处理

1、加工设计

齿圈锻件工艺路线：锻造-锻后正、回火-粗车-调质预处理-半精车-人工时效-滚齿-渗碳淬火、回火-抛丸-精车-人工时效-精车-磨齿-成品。

2、预处理

预处理若采用正火加高温回火，热处理后组织为珠光体加铁素体，甚至产生非平衡组织贝氏体，由于空气冷却不均匀，正火组织均匀性较差。由于油介质冷却均匀性及速度均优于空气，调质将获得均匀的回火索氏体组织，可以改善或消除锻造产生的原始组织不均匀性，使齿圈力学性能均匀性提高。锻后正火热处理可以改善锻造组织，细化晶粒，调质预处理将均匀组织、减小后续热处理畸变，两者结合对于改善渗碳淬火组织及畸变十分有效。

3、渗碳装炉

渗碳齿圈锻件叠加，相当于增加齿宽，使径长比减小，有利于减小翘曲、椭圆畸变。渗碳后冷却时，叠加齿圈上下端面冷却相对较快，其收缩量相对较大，产生腰鼓形特征。由于降温至650℃之前在炉内冷却，冷却均匀，齿圈锻件在刚性较差的高温区产生的椭圆、翘曲畸变较小，所以仅产生腰鼓形特性。

4、渗碳工艺

工艺路线采用重新加热淬火，重新加热可防止20CrMnMo 长时间渗碳产生的晶粒粗化问题，同时可通过对渗碳后畸变测量、校正以及组织检测来调整淬火工艺。渗碳升温越快，产生热应力越大，与残余机加工应力叠加，将产生较大畸变，因此必须阶梯升温。渗碳必须低温出炉，若760 ℃出炉，渗层将产生不均匀相变，将在次表面产生淬火马氏体组织，比容增大，表面受拉应力，尤其在冬日，20CrMnMo钢锻件置入缓冷坑时，产生裂纹几率大增，而且淬火马氏体组织将使渗碳畸变增加。渗碳后期650℃保温将使表面获得均匀的共析组织，消除应力，为淬火做准备。

5、渗碳后校正

对于硝盐介质而言，渗碳畸变量与淬火畸变量间存在一定比例关系，一般淬火椭圆畸变量在渗碳畸变基础上增加30%～50%，一定意义上控制渗碳畸变即可有效控制淬火后畸变，因此控制渗碳畸变或者说控制淬火前畸变成为关键节点。若渗碳后检测发现椭圆大则需进行校正。校正采用千斤顶对整体加热齿圈椭圆短轴热顶，若齿圈加热温度低，如280 ℃，此时齿圈强度高，且低温时弹性区大，发生塑性变形难度大，随着温度升高，弹性区将减小，校正难度降低；若加热温度太高则操作困难，实践证明加热至550 ℃校正效果较好，弹性区大幅降低，低应力即可产生塑性变形。实践证明渗碳后校正加去应力处理，淬火后畸变不会反弹，通过渗碳后校正有效解决淬火畸变累积问题。

6、淬火装炉

齿圈锻件上下端面热量不平衡，冷却时上端面散热快，涨大量相对较大，硝盐淬火畸变示意图详见图7。渗碳后测量畸变，齿圈装炉规则为上端面齿顶圆小于下端面齿顶圆，齿圈间垫块隔开，淬火装炉详见图8。根据渗碳后畸变情况调整淬火装炉，渗碳腰鼓形特征分割于单个齿圈将产生某一锥度值。合理利用渗碳产生的腰鼓形，可以实现硝盐淬火上下端冷却差异导致的锥度与渗碳腰鼓锥度抵消，实现小锥度畸变。

7、淬火回火工艺

延长保温时间等于变相提高淬火温度，加大淬火畸变，因此奥氏体化温度选择830 ℃保温4 h。与油相比，硝盐介质使用温度高，淬火温升小，分级等温淬火使表面马氏体在空气中转变，冷却缓慢，工件淬火畸变小。KNO3 + NaNO2硝盐熔点为145 ℃，硝盐使用温度为160 ～ 180 ℃，冷却能力较强，当盐温提高至200 ～ 220 ℃，同时含水量调节至0.9% 时，齿圈心部将获得马氏体加大量下贝氏体组织及极少量针状铁素体组织，保证心部性能同时产生小的畸变量。

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