薄片齒輪淬火中易變形，告訴你一招解決這個問題。
薄片齒輪應用較為廣泛，如儀器儀表類、航空航天類等領域，由于該領域對薄片齒輪的精密度要求較高，所以在加工生產中一定要保證其加工精度，嚴格控制其變形量。本文以3Cr13鋼為基體，介紹了一種新的強化淬火熱處理工藝。
1.工藝特征與工藝試驗
3Cr13是一種常見的不銹鋼，有較好的淬透性、淬硬性、抗氧化性和耐蝕性，可油淬、硝鹽淬、空冷淬。表1為3Cr13鋼化學成分和臨界溫度值。表2為回火時間對硬度的影響。
表1 3Cr13鋼化學成分（質量分數，%）和臨界溫度
C | Si | Mn | Cr | Ac1/℃ | Ac3/℃ |
0.25~0.34 | ≤0.60 | ≤0.60 | 12~14 | 800 | 1100 |
表2 回火時間對硬度的影響 （HRC）
回火溫度/℃ | 回火時間/min | |||
30 | 50 | 120 | 240 | |
530~540 | 48 | 46 | 39~40 | 35~36 |
550~560 | 46 | 42~43 | 34.5 | 33 |
570~580 | 40~41 | 35~36 | 32 | 30~30.5 |
590~600 | 33.5 | 32 | 29.5 | 28 |
圖1表明，隨著淬火溫度升高，硬度、強度增加，但伸長率σ、斷面收縮率ψ和沖擊韌性α降低，幾乎成反比例變化。當淬火溫度過低，小于等于950℃時，主要碳化物和合金元素未充分溶解到奧氏體中去，基體組織含碳量和合金元素較多，奧氏體合金化不充分，有較多過剩碳化物、殘余網狀碳化物和“α”鐵素體相。當未溶碳化物呈鏈狀不均勻分布時，破壞基體連續性，淬火后出現雙相組織，導致強度、韌性的抗蝕性急劇降低。當淬火溫度過高，大于1000℃時，出現粗晶粒，殘余奧氏體增多，增大變形，導致硬度、強度、塑性和韌性均降低。當淬火溫度大于1200℃時發生“δ”鐵素體共析轉變，淬火后出現馬氏體加δ相雙相組織。總之，淬火溫度愈高，奧氏體中溶解碳和合金元素愈多，奧氏體合金化程度增大，晶粒愈粗，淬火后得到過飽和的粗馬氏體，經中、高溫回火析出碳化物就愈多且強烈，加上高溫淬火產生過多殘余奧氏體和出現“δ”鐵元素，淬火組織為雙相或多相組織，易形成正負微電池作用，導致腐蝕。同時，粗大晶粒將降低綜合力學性能。當淬火溫度適中時。即能使碳化物和合金元素溶解，奧氏體均勻化，晶粒細，淬火后得到單一均勻的低碳馬氏體。加上選擇最佳回火溫度。能獲得既有良好綜合力學性能又有高的抗蝕性能。
圖1 淬火溫度與力學性能關系（試樣經600℃、2h回火）
圖2表明，隨著淬火溫度升高和在400℃以上回火時抗蝕性下降，約500℃回火時降至最大峰值，淬火溫度愈高，抗蝕性降低愈多；但當回火溫度低于400℃時，隨淬火溫度提高，抗蝕性提高。因低溫回火時僅從馬氏體中析出少量彌散碳化物，基本仍保持高于11%含Cr量，因此，抗腐蝕性較高。電鏡觀察發現，淬火馬氏體在較高溫度回火后緩慢冷卻過程中有類似S、P等夾雜物和Cr的沉淀物脆性相沿晶界析出，析出物經電解侵蝕易脫落，顯示出清晰晶界，但回火快冷不易發現，說明有明顯的二類可逆回火脆性特征。
圖2 回火溫度對3Cr13鋼耐腐蝕性影響
圖3表明，淬火溫度一定時，不同回火溫度對力學性能影響。回火溫度小于等于500℃，有高的硬度和強度，但塑韌性較低，隨著回火溫度逐漸升高，塑韌性逐漸升高，硬度與強度逐漸降低，幾乎成反比例變化。
圖3 回火溫度對3Cr13力學性能影響
2.淬火強化工藝
工藝流程：粗加工→去應力退火→精加工→微變形淬火→冷處理→回火→成品。
圖4 3Cr13薄片齒輪淬火強化工藝
（1）裝夾與預熱
將齒輪裝夾在有環形槽的心棒上，槽深5mm，槽寬5.3~5.5mm，槽與槽之間間隔3~4mm，裝夾的作用是防止淬火加熱和冷卻時激烈擺動引起變形。裝夾后放在有支承架的已升溫至500℃電爐中預熱，預熱保溫后置于已升溫至860℃左右的鹽浴爐中進行二次預熱。齒輪放入后切斷電源，防止因電磁作用鹽浴翻動導致變形。
（2）淬火加熱
齒輪經第二次中溫鹽爐保溫后輕輕取出轉入已升溫至1030℃的高溫鹽浴爐中，切斷電源后平穩放入。切斷電源等于切斷電磁作用，防止因鹽浴翻動導致變形。讓其自然降溫至1000℃，需3~5min。正好是保溫時間，然后取出空冷，趁高溫將一片片齒輪放在平板壓力機上壓平，壓平后放在另一平臺鐵板上冷卻至室溫。經檢查淬火硬度≥52HRC，淬火組織為低碳馬氏體和少量殘留奧氏體。
（3）冷處理
3Cr13鋼淬火后約有10%殘留奧氏體，即使少量殘留奧氏體構成雙相組織，將降低抗蝕性，齒輪運行時殘留奧氏體會引起誘發馬氏體相變而產生微量變形，這對精密齒輪也是不允許的。冷處理能使殘留奧氏體轉變為馬氏體，起到提高抗蝕性、硬度、耐磨性、抗疲勞、穩定組織和減少變形的作用。冷處理在干冰加酒精容器中進行，在-60℃保溫后取出空冷至室溫。
（4）裝胎具回火
薄片齒輪經壓平淬火后99%已達到微變形，僅少量超差，一起裝胎具回火。胎具心軸類似雙頭螺栓，外徑小于齒輪內圓，兩頭墊片比齒輪外徑大10~20mm。齒輪片裝上心軸后，兩頭用墊片和螺母擰緊。裝電爐回火1h后取出再次擰緊螺母，反復3次后取出油冷，防止出現第二類回火脆性。冷透后檢查變形量、硬度和取試樣，作力學性能試驗。試驗表明，變形量、硬度和力學性能合格率均為100%，抗蝕性比原工藝提高兩倍以上。
3.結語
（1）淬火加熱斷電保溫，避免因電磁作用導致鹽浴翻動造成變形和裝胎具壓緊超塑性回火，達到薄片齒輪微變形，合格率100%。
（2）采用1000℃短時保溫空冷淬火，獲得均勻的低碳板條馬氏體和少量的殘留奧氏體組織，經冷處理使殘余奧氏體轉變為馬氏體，得到幾乎單一的低碳馬氏體。實踐表明3Cr13鋼單一的馬氏體抗蝕性最好。經較低溫度回火僅析出少量彌散碳化物，保持良好抗蝕性和強韌性。
作者：趙玉凱
單位：鄭州機械研究所
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