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某行星齿轮的渗碳淬火工艺优化


为提升行星齿轮的精度、强度、可靠性等关键质量指标,对其热处理工艺进行优化。采取渗碳后降温直接淬 火的方法,大大降低了行星齿轮的变形量,并且通过关键参数的调整,组织、硬度等各项指标均符合技术要求。青岛齿轮厂家

海洋石油钻井平台在我国是新兴的产业。众所周知,南海蕴藏着丰富的石油资源,但是以我国目前的技术,却无法实施大部分的石油开采。这其中最重要的原因就是我国的石油钻井平台在技术上存在瓶颈,现有的平台关键部件多数为进口,但我们国家从未停止研发。目前我公司生产的少齿差行星齿轮就是用于海洋石油钻井平台,是该平台的爬升系统齿轮箱中的重要部件,其精度、强度、可靠性等质量指标关系着整个钻井平台的稳定运行。热处理是该产品生产过程中 很重要的环节,其渗碳淬火后的组织、硬度等直接决定了该产品性能,热处理后的变形又影响到后续加工的精度。因此,做好该产品的热处理至关重要。该行星齿轮具有模数小、形状扁平的结构特点,行星齿轮示意图见图1。青岛齿轮定做

图 1  某行星齿轮示意图(mm)

齿轮的材料牌号为18CrNiMo7-6,其化学成分见表1。
表1  18CrNiMo7-6钢行星齿轮的化学成分(质量分数,% )

齿轮的技术要求相当高,见表 2。
表2  行星齿轮热处理技术要求

01
工艺优化前情况

渗碳淬火工艺采用1次加热淬火, 该产品的原装炉方式为渗碳时均布平放在工装上, 然后淬火时重新装炉, 将所有行星齿轮悬挂在特定工装上。 图2、3为具体装炉方式,渗碳淬火工艺见图4。 青岛精密齿轮
在原工艺下, 产品的热处理质量检查结果见表 3。
表3  原工艺下热处理质量检测结果

与表2对比可看出, 硬度偏低, 基本在58~59HRC之间,处于下限。 另外在各个不同装炉位置随机抽取10件行星齿轮,编号记为1#~10# ,检测齿轮的4点变形情况,结果见表4。 可以看出变形较大,椭圆及翘曲比较严重,对后续的磨削极其不利, 无法达到要求的精度。
表 4   原工艺下行星齿轮变形情况(mm)

02
分析及优化方案

由于该行星齿轮较为扁平的结构特点, 高温下容易产生翘曲变形。再加上工装已使用了一段时间, 不会完全平整。行星齿轮平放在工装上,难免会有些不平整,在930℃高温下产生蠕变,在加热及冷却过程热应力的作用下,加剧了它的变形。针对此情况,考虑将渗碳平放装炉改为悬挂装炉方式,仍采用渗碳后重新加热淬火的方式,淬火装炉方式不变,热处理工艺不变。渗碳装炉方式见图5。
表5  二次工艺优化后行星齿轮变形情况(mm)

一次工艺优化后组织很好,硬度偏低,变形较原渗碳平放装炉方式后有了较大改善, 但仍有部分工件磨削精度不达标。进行二次工艺优化。仍按前淬火装炉方式装炉渗碳, 将重新加热淬火改为渗碳后不出炉降温直接淬火,具体工艺见图6。
表6  二次工艺优化后热处理质量检测结果

根据优化后工艺,减少了加热及冷却次数,且淬火奥氏体化温度降至810℃,热应力造成的变形也将随之减少。该工艺除了可以要求渗碳减少变形外,还能使表面硬度大大提高。由于该产品层深浅,渗碳时间短,工件表面高碳区域(C≥0.8%)小, 经过渗碳冷却及原工艺淬火加热的过程中, 由于在800℃以下较长时间没有还原性气氛保护, 表面易氧化脱碳, 而渗碳后直接降至800℃以上出炉淬火可解决该问题,从而使硬度提高。另外,由于减少了渗碳冷却及原工艺淬火再加热的时间, 并省去了重新装架装炉的工序,大大节约了成本,缩短了生产周期,效率得到很大提高。

该工艺方案同样具有风险,由于减少了热处理加热次数,组织晶粒粗大。渗碳后降温直接淬火,使马氏体针粗大,残奥较多。针对可能出现的晶粒度、 组织问题,将渗碳温度由930℃降低至900℃,淬火奥氏体化保温温度由原来的825 ℃降至810℃,淬火保温时碳势由0.72%降至0.7%。由于淬火奥氏体化温度的降低,更多的碳化物从奥氏体中弥散析出, 再加上淬火时碳势的降低使得表层碳浓度降低,在这两方面作用下,溶于奥氏体中的碳减少。因此,马氏体开始转变温度Ms点提高,淬火冷至室温时奥氏体向马氏体转变充分,且奥氏体稳定化程度降低,残奥也随之减少。另外,晶粒度随着渗碳温度及奥氏体化温度的降低而变得细小, 故而马氏体针不至于太粗大,保证了表面的组织。对于心部,完全奥氏体化相变点温度Ar3约790℃(18CrNiMo7-6),渗碳后冷却至810℃后淬火, 可保证心部不析出大量游离铁素体,心部硬度也不至于。

03
优化后结果

经过第二次工艺优化后, 同样在各个不同装炉位置随机抽取10件行星齿轮, 编号记为11#~20# , 检测齿轮变形情况,结果见表5。工变形情况大有改善,椭圆度及翘曲度明显减小。此外,热处理质量检测结果见表6,从该检测结果看出,各项组织均符合技术要求,其中硬度为60~61HRC,与原工艺相比提高了近2HRC。表面组织及心部组织见图7。对照图谱看到马氏体针较细小, 残奥在10%以下,心部只有极少量游离铁素体出现。
04
结论

(1) 该扁平类形状结构的行星齿轮适合悬挂渗碳及淬火,对防齿轮变形有利。
(2) 渗碳后降温直接淬火, 可将工件变形控制在极小的范围之内,变形件椭圆度及翘曲度较小。
(3) 为保证渗碳后降温直接淬火后的组织,可将渗碳温度、淬火奥氏体化温度及碳势适当降低。