大型齒圈鍛件的熱處理

1、加工設計

齒圈鍛件工藝路線：鍛造-鍛后正、回火-粗車-調質預處理-半精車-人工時效-滾齒-滲碳淬火、回火-拋丸-精車-人工時效-精車-磨齒-成品。

2、預處理

預處理若采用正火加高溫回火，熱處理后組織為珠光體加鐵素體，甚至產生非平衡組織貝氏體，由于空氣冷卻不均勻，正火組織均勻性較差。由于油介質冷卻均勻性及速度均優于空氣，調質將獲得均勻的回火索氏體組織，可以改善或消除鍛造產生的原始組織不均勻性，使齒圈力學性能均勻性提高。鍛后正火熱處理可以改善鍛造組織，細化晶粒，調質預處理將均勻組織、減小后續熱處理畸變，兩者結合對于改善滲碳淬火組織及畸變十分有效。

3、滲碳裝爐

滲碳齒圈鍛件疊加，相當于增加齒寬，使徑長比減小，有利于減小翹曲、橢圓畸變。滲碳后冷卻時，疊加齒圈上下端面冷卻相對較快，其收縮量相對較大，產生腰鼓形特征。由于降溫至650℃之前在爐內冷卻，冷卻均勻，齒圈鍛件在剛性較差的高溫區產生的橢圓、翹曲畸變較小，所以僅產生腰鼓形特性。

4、滲碳工藝

工藝路線采用重新加熱淬火，重新加熱可防止20CrMnMo 長時間滲碳產生的晶粒粗化問題，同時可通過對滲碳后畸變測量、校正以及組織檢測來調整淬火工藝。滲碳升溫越快，產生熱應力越大，與殘余機加工應力疊加，將產生較大畸變，因此必須階梯升溫。滲碳必須低溫出爐，若760 ℃出爐，滲層將產生不均勻相變，將在次表面產生淬火馬氏體組織，比容增大，表面受拉應力，尤其在冬日，20CrMnMo鋼鍛件置入緩冷坑時，產生裂紋幾率大增，而且淬火馬氏體組織將使滲碳畸變增加。滲碳后期650℃保溫將使表面獲得均勻的共析組織，消除應力，為淬火做準備。

5、滲碳后校正

對于硝鹽介質而言，滲碳畸變量與淬火畸變量間存在一定比例關系，一般淬火橢圓畸變量在滲碳畸變基礎上增加30%～50%，一定意義上控制滲碳畸變即可有效控制淬火后畸變，因此控制滲碳畸變或者說控制淬火前畸變成為關鍵節點。若滲碳后檢測發現橢圓大則需進行校正。校正采用千斤頂對整體加熱齒圈橢圓短軸熱頂，若齒圈加熱溫度低，如280 ℃，此時齒圈強度高，且低溫時彈性區大，發生塑性變形難度大，隨著溫度升高，彈性區將減小，校正難度降低；若加熱溫度太高則操作困難，實踐證明加熱至550 ℃校正效果較好，彈性區大幅降低，低應力即可產生塑性變形。實踐證明滲碳后校正加去應力處理，淬火后畸變不會反彈，通過滲碳后校正有效解決淬火畸變累積問題。

6、淬火裝爐

齒圈鍛件上下端面熱量不平衡，冷卻時上端面散熱快，漲大量相對較大，硝鹽淬火畸變示意圖詳見圖7。滲碳后測量畸變，齒圈裝爐規則為上端面齒頂圓小于下端面齒頂圓，齒圈間墊塊隔開，淬火裝爐詳見圖8。根據滲碳后畸變情況調整淬火裝爐，滲碳腰鼓形特征分割于單個齒圈將產生某一錐度值。合理利用滲碳產生的腰鼓形，可以實現硝鹽淬火上下端冷卻差異導致的錐度與滲碳腰鼓錐度抵消，實現小錐度畸變。

7、淬火回火工藝

延長保溫時間等于變相提高淬火溫度，加大淬火畸變，因此奧氏體化溫度選擇830 ℃保溫4 h。與油相比，硝鹽介質使用溫度高，淬火溫升小，分級等溫淬火使表面馬氏體在空氣中轉變，冷卻緩慢，工件淬火畸變小。KNO3 + NaNO2硝鹽熔點為145 ℃，硝鹽使用溫度為160 ～ 180 ℃，冷卻能力較強，當鹽溫提高至200 ～ 220 ℃，同時含水量調節至0.9% 時，齒圈心部將獲得馬氏體加大量下貝氏體組織及極少量針狀鐵素體組織，保證心部性能同時產生小的畸變量。