本文研究的最終傳動齒圈（見圖1）為拖拉機裝置上的一個重要部件，材質為20CrMnTi，產品經過前期鍛造、正火、機械加工至最終尺寸，轉入熱處理淬火工序，該產品熱處理技術要求：齒面淬火硬度：58～63HRC，心部硬度35～48HRC，有效硬化層深度Dc=0.5～0.8mmHV1，表面組織：殘留奧氏體（A’）+回火馬氏體（M回），1～5級合格，機械加工方面對熱處理工序后提出允許的淬火變量見表1。
表1允許的淬火變形量
淬火前 | 淬火后 |
Φ356mm外圓對B面的平面度跳動≤0.04 | Φ356mm外圓對B面的平面度跳動≤0.20 |
Φ298mm外圓對A面的平面度跳動≤0.04 | Φ298mm外圓對A面的平面度跳動≤0.20 |
1.變形分析
（1）內應力的影響
零件淬火、回火及表面淬火、化學熱處理后都能產生變形，其中淬火變形最為嚴重。淬火引起的變形是由組織轉變產生體積變形和淬火時熱應力和組織應力引起的形狀變形引起。淬火冷卻前期，主要是熱應力起作用，在淬火冷卻的后期，起主導作用的是組織應力。
淬火時，奧氏體向馬氏體轉變，伴隨比體積的直徑縮小，馬氏體的比體積大于奧氏體，轉變結果引起體積膨脹，對于20CrMnTi低碳合金鋼來說，合金元素多，Ms點較低，殘留奧氏體量較多，組織應力引起的變形小，變形常以熱應力為主，適當降低淬火溫度, 可減小淬火時的熱應力。
（2）工件結構尺寸的影響
傳動齒圈結構如圖1所示，該零件外圓Φ356mm、Φ298mm之間有一個凹凸的臺階，內圈為傳動齒，14個定位孔呈不對稱形狀分布，零件淬火時由于定位孔分布不均勻，在加熱和冷卻時，即孔徑在A-A方向上縮小, 在B-B 方向上漲大, 使孔產生橢圓, 由于孔分布不均勻, 孔的變形使齒輪的公法線長度變動量增加，如圖2所示。另外齒輪為盤形零件采用齒輪軸線與冷卻油液面垂直的入油方式淬火時易產生翹曲變形，淬火過程中應避免重疊堆放，減少重力影響，齒圈間應有間距，確保圓周冷卻均勻。因此，需調整合適的裝夾方式。
2.工藝試驗
采用二種方案進行工藝試驗，技術要求為滲層深度：0.5～0.8（550HV1）；表面硬度：58～63HRC；表面組織：馬氏體+殘留奧氏體（1～5級合格）；心部硬度：35～48 HRC。
方案1：多用爐內富化氣為丙烷C3H8，NH3經過加減壓過濾后通入爐內。設備PHQ（F）-10密封箱式多用爐，裝爐量10件，平放（裝夾方式），經過180℃±10℃回火120min（見圖3A）。
方案2：多用爐內富化氣為丙烷C3H8，NH3經過加減壓過濾后通入爐內。設備PHQ（F）-10密封箱式多用爐，裝爐量10件，吊裝（裝夾方式），經過180℃±10℃回火120min（見圖3B）。
（a）方案1
（b）方案2
圖3 20CrMnTi傳動齒圈熱處理
3.熱處理后性能檢測分析
金相檢測抽檢結果如表2所示，熱后機械尺寸檢測結果如表3所示。
表2金相檢測抽檢結果
檢測項目 | 工藝1 | 工藝2 | ||||
表面硬度（HRC） | 58 | 59 | 59 | 58 | 58 | 59 |
金相組織（級） | A’ | M | F | A’ | M | F |
3 | 3 | — | 2 | 2 | — | |
心部硬度（HRC） | 41 | 41 | 41 | 37 | 37 | 37 |
滲層深度（550HV1）/mm | 0.62 | 0.54 | ||||
表3熱后機械尺寸檢測結果
工藝1 | 工藝2 |
Φ356mm外圓對B面的平面度跳動量0.30～0.45mm | Φ356mm外圓對B面的平面度跳動量0.1～0.18mm |
Φ298mm外圓對A面的平面度跳動量0.10～0.15mm | Φ298mm外圓對A面的平面度跳動量0.12～0.18mm |
降低共滲及淬火溫度，保證足夠的擴散時間，不僅可以降低熱應力的影響，也有利于滲層馬氏體組織的細化，還可以減少橢圓度；提高淬火冷卻介質溫度，減少淬火變形；入油方式改為齒輪軸線與冷卻油液面平行的吊裝方式,使齒輪冷卻較均勻，減小淬火時的熱應力。
經過工藝1、工藝2的比較，之后又經過10個批次的工藝2生產試驗，該零件Φ356mm外圓對B面平面度跳動量合格率均超過95%以上工藝取得較為滿意的結果。
4.結語
通過分析，變形以熱應力為主，因此采取了一系列措施降低熱應力，如為減少齒圈變形，強滲時加熱溫度取下限（850℃），保溫時間安排合理，降代淬火溫度（825℃），并盡量保持零件各部分溫度均勻一致時淬火，油溫適當提高（120℃），以減少淬火畸變傾向，工件應根據其形狀采取了正確的裝夾（采用吊裝），經過理論分析，制定相應的工藝并付諸試驗，對減少變形方法，在工作中取得一定成效。
作者：吳華，卞云霞
單位：山推工程機械股份有限公司
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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