大型齿圈的热处理渗碳淬火

大齿圈热处理工艺预案
两个品种的大齿圈（工号分别为JG22006、JG14024，数量分别为2件和4件，材料均为20CrMnMo）即将投入热处理进行渗碳淬火，为争取顺利完成热处理试制任务，特分析此次试制任务难点并制订工艺预案与应急预案如下：
1.任务难点
1.1齿圈热后金相组织要求高：按JB/T6141.3标准检验，碳化物≤3级、残余奥氏体和马氏体≤2级、铁素体≤4级、晶粒度≤5级，其中尤以马氏体级别难于满足。

1.2与金相组织相比，变形问题是更大的困难所在。

齿圈齿顶直径分别为Ф2530、Ф2740，如此大的齿圈我厂从未生产过，无经验；齿圈壁厚相对较小，工艺尺寸分别为250、220mm，易产生椭圆变形，以直径更大、壁厚更小的JG14024为甚；JG14024齿宽260mm，与直径之比为0.095，太小，易出现端面挠曲变形；双联齿的JG22006总高度达945mm，太高，不易产生端面挠曲，但会带来上下两端锥度畸变。

目前热前齿顶圆和公法线尺寸系参照其他厂经验而设定，按此，渗碳淬火后需产生 1.7‰左右的平均涨大量方能较好地符合图纸要求和后序磨齿需要要因我厂与其他厂的生产过程条件可能存在差异，此次试制能否达到该平均涨大量目标还未为可知，如实际涨大量小于或远小于目标量，则很可能出现齿面磨不光的情况。

为防止此情况发生，热处理过程中须采取各种措施，除尽量实现该目标涨大量外，还应尽量减小前述畸变量，较为理想的目标是：齿顶椭圆≤1.5mm、端面挠曲≤0.8mm、全齿公法线长度变
动量≤1.2mm(JG22006：≤1.5mm)。

2.工艺预案
2.1工艺曲线
按前述难点分析和要求，制订渗碳淬火工艺曲线如下：
2.2工艺说明及要求
2.2.1装炉
2.2.1.1装炉量
从经济性和为获得更大的涨大量出发，最好取大的装炉量。

装炉量大，
可方便获得高的淬火油温，油温越高，涨大量越大。

如2件JG22006和4件JG14024分别共炉，单炉工件散热面积低于大重行星轮工件散热面积，因此应不存在额外的淬火安全隐患；尽管油温高会降低冷却能力，但仍不会低于重齿的盐浴冷速。

2.2.1.2工件支承
工件须妥善支承，以避免因装炉不当引起的附加变形。

从结构尺寸看，3点支承JG22006、8点支承JG14024 即可限制两圈的挠曲，但为尽量减小畸变，可适当增加支承点数。

为使底圈支承作业更方便、更有效，专用于大型齿轮、齿圈的垫块和斜楔块已投制，应可用于后一炉的生产作业。

底圈以上各圈间使用等高垫块，数目与底圈支承点数相同。

上下各支承点应在同一铅垂线上。

如使用斜楔块，装炉后须确认斜楔不会因振动等而松动。

2.2.1.3随炉试样
按机加工工艺卡确定的规格和数量，在装料区中部悬挂随炉金相试样和机械性能试样，金相试样悬挂在靠近齿圈内侧处，应注意防止齿圈上的防渗涂料流淌到试样上。

2.2.2工艺设定说明
2.2.2.1阶段升温，减小工件加热时内部温差，减少加热变形。

2.2.2.2工件深层较深（JG22006：DCp=4.6-5.0；JG14024：DCp=
3.3-3.8），仍采用相对较低的渗碳温度（920℃），以减小畸变。

曲线中强渗、扩散时间为暂定，具体视工艺模拟和试验情况确定。

2.2.2.3渗碳结束后，如曲线所示，工件在炉内先随炉冷却，后罐外鼓风冷，
既要以低冷速冷却，减小畸变，又要防止冷速过低而析出网状碳化物进而导致最终碳化物超级。

2.2.2.4高温转变后重新加热淬火，以达最终金相组织和表面硬度要求。

最终加热的温度和时间参数是保证显微组织和硬度的关键，曲线中时间参数为暂定，具体执行时参考设备记录曲线中罐内外温差而定。

淬火冷却操作要求如曲线所示。

只要油温不高于110℃，便不启动油槽外循环冷却，以便保持高油温，增大涨大量；搅拌淬火冷却一段时间，至心部开始马氏体转变后停止搅拌，降低工件内外温差和马氏体转变速度，减小畸变。

当然，停止搅拌会使淬火油存在温度场差，上层油温高于下层，可能使淬火后上层工件涨大量大于下层工件，工件上端涨大量大于下端，尽管加大了锥度畸变，但从保证齿部有磨量的角度考虑，这是有利的。

也可断续短时搅拌。

生产准备时就应检查搅拌泵运转情况，四台泵必须能同时运转。

淬火入油时工件应与油槽同心。

3.应急预案
尽管上述工艺已经充分考虑并经多方讨论，但经上述工艺过程处理后，也仍可能有不符合预期要求的情况发生，应具体问题具体分析，探讨采取返工、返修措施以满足符合性要求的可行性。

现就可能出现的意外情况预案如下：
3.1显微组织不合格
3.1.1残余奥氏体超级可返回火。

返回火时可提高温度和/或延长时间。

3.1.2碳化物、马氏体和铁素体超级通常须重新淬火进行返修。

如果
碳化物形态和分布不良，可能需要消网处理。

3.2表面硬度不合格通常情况是工件硬度偏低。

首先确认检查结果的准确性；然后参考随炉试样的硬度和组织情况，分析原因；如系工件表面残奥高，可返回火；如系表面碳浓度不足，则需提高温度重新加热淬火，甚至可能需补渗碳后淬火。

3.3畸变超要求工件太大，难于整形，应通过过程控制防止畸变超差；如仍然发生，应对过程进行检查、纠正或改进并验证；超差工件如系椭圆或/和挠曲，将很难矫正，若能满足后序加工的最低余量要求，则应尽量寻求让步接收；如系锥度，颠倒上下端面重新加热淬火可在相当程度上减小锥度，但可能会加大椭圆等畸变，所以若能满足后序加工的最低余量要求，仍应尽量寻求让步接收。

3.4平均涨大量过大或不足
3.4.1平均涨大量过大齿部平均涨大量大于目标量，可能会带来磨齿后齿面硬化层深度低于图纸要求、齿顶圆直径大于图纸要求的状况。

需参考椭圆、锥度、挠曲和公法线变动量大小等，判断是否会出现以上状况；如果是，则应综合评估后采取相应对策，对热处理而言，可能需要采取的返工措施是补渗碳，加大硬化层深度。

3.4.2平均涨大量不足齿部平均涨大量低于目标量，可能会带来磨齿时余量不够齿部磨不光、齿顶圆直径小于图纸要求的状况。

需参考椭圆、锥度、挠曲和公法线变动量大小等，判断是否会出现以上状况；如果是，则必须采取挽救措施。

通常，只要变形趋势是涨大，返淬火则可在一定程度上加大涨大量，淬火次数越多，总平均涨大量越大，但通常热处理规范要
求淬火次数不宜大于3次；另外，返淬火可能使畸变也发生叠加，尤其是锥度，故返淬火前必须颠倒上下齿轮间及同一齿轮上下端的位置关系。