齿轮热处理及质量控制

齿轮热处理及质量控制数控部刘明齿轮加工工艺过程坯料热(正)切齿表面硬化处理(淬火、氰化、氮化）精加工（磨齿）齿轮类零件常用材料及热处理方法一、齿轮材料的基本要求1、齿面要硬，齿芯要韧2、易于加工及热处理3、在交变荷载和冲击荷载下有足够的弯曲强度二、常用材料及热处理方法序号齿轮类型钢材热处理1汽车变速器和差速器齿轮20CrMo20CrMnTi渗碳40Cr碳氮共渗2汽车驱动桥主动及从动圆柱、圆锥齿轮，差速器行星和半轴齿轮20CrMo、20CrMnTi20CrMnMo、20SiMnVB渗碳3汽车启动电机齿轮20Cr、20CrMo、20CrMnTi渗碳4汽车曲轴正时齿轮40、45、40Cr调质5汽车里程表齿轮20碳氮共渗6拖拉机传动齿轮、动力传动装置中的圆柱齿轮及轴齿轮20Cr、20CrMo、20CrMnTi、20CrMnMo、20SiMnNB渗碳7拖拉机曲轴正时齿轮，凸轮轴齿轮，液压泵驱动齿轮45调质8汽车、拖拉机液压泵齿轮40、45调质汽车齿轮类零件一般推荐用油齿轮类型推荐用油汽车变速箱齿轮DNHI-TEMPXDNHI-TEMPA汽车后桥齿轮DNMASTERQUENCHADNBRIGHTQUENCH汽车发动机曲轴DNQUENCHUS一般渗碳小模数齿轮DNHI-TEMPXDNHI-TEMPA大模数齿轮DNBRIGHTQUENCH汽车中间轴DNBRIGHTQUENCH影响光亮性的主要因素热处理常见问题及对策1.调质齿轮的常见缺陷及防止措施序号缺陷名称产生原因防止措施1硬度偏低齿轮钢材含碳量偏低；淬火加热规范不当；表面脱碳；淬火冷却不足；回火温度偏高；材料选择不当检查钢材化学成分；调整加热淬火规范；降低回火温度；更换钢材2调质深度不足选材不当，钢材碳含量或合金元素含量偏低，淬火规范不当根据齿轮模数和尺寸选用合适淬透性钢材；检查钢材化学成分；调整加热冷却规范；大模数齿轮采用开齿调质3硬度不均匀钢材原始组织不良；淬火冷却不均匀；淬火回火加热温度不均匀检查钢材质量；重新进行一次正火或退火；加强冷却液的饿循环；改善淬火回火温度均匀度2渗碳和碳氮共渗齿轮的常见缺陷及防止措施序号缺陷名称产生原因防止措施1毛坯硬度偏高正火温度偏低或保温时间不足使组织中残留少量硬度较高（≥250HV）的魏氏组织，正火温度超过钢材晶粒显著长大的温度应重新制定正火工艺；检查控温仪表，校准温度，控制正火冷却速度2毛坯硬度偏低正火冷却过缓重新正火，加强冷却3带状偏析钢材合金元素和杂质偏析，一般正火难以消除更换材料4层渗不足碳势偏低；温度偏低；温度偏低或渗期不足提高碳势；检查炉温，调整工艺，延长渗碳（共渗）时间5渗层过渗碳势过高，渗碳（共渗）温度偏高；渗期过长降低碳势；缩短周期，调整工艺6渗层不均炉内各部分温度不均匀；碳势不均匀；炉气循环不佳；工件相互碰撞；齿面有脏物；渗碳时在齿面结焦齿轮表面清洗干净；合理设计夹具；防止齿轮相互碰撞；在齿轮料盘上加导流罩，保证炉内各部温度均匀；严格控制渗碳剂中不饱和碳氢化合物7表面碳浓度过高形成大块碳（氮）化合物网炉气碳势过高，强渗时间过长降低碳势，缩短强渗时间；如果渗层深度允许，可在较低碳势炉中进行扩散处理；适当提高淬火温度；进行一次渗层的球化退火8表面残留奥氏体过多碳（氮）含量过高；渗后冷却过快，碳（氮）量析出不够，淬火温度偏高调整渗碳（共渗）工艺控制碳（氮）含量；从渗碳（共渗）炉或预冷炉中出炉温度不宜过高；降低淬火温度9表面碳含量过低炉气碳势过低，炉温偏高；扩散时间过长提高碳势；检查炉温，调整强渗与扩散时间的比例10表层马氏体针粗大淬火温度偏高降低淬火温度11表层出现非马氏体组织升温排气不充分；炉子密封性差，漏气，使表层合金元素氧化，淬火冷却速度低从设备和工艺操作上减少空气进入炉内；适当提高淬火冷却速度；在渗碳最后10min左右通入适量氨气12表层脱碳渗后出炉温度过高；炉子出现严重漏气；淬火时产生氧化防止炉子漏气；降低出炉温度；控制淬火时炉内气氛；盐炉淬火脱氧要充分；补渗碳13心部硬度偏低淬火温度过低；冷却速度不当，心部游离铁素体过多；选材不当提高淬火温度；加强淬火冷却；采用两次淬火；更换材料14畸变淬火温度偏高；冷却方法不当；夹具设计不合理，材料选择不当调整淬火工艺，合理设计夹具，改善冷却条件，改换钢材渗碳处理一般针对低碳钢和低碳合金钢,增加工件表面含碳量,以提高淬火强度和硬度.渗碳层深度与渗碳温度的选择渗碳层深度/mm渗碳温度/℃0.35—0.65880±100.65—0.85900±100.85—1.0以上920±10不同渗碳温度下,渗层深度与渗碳时间的关系渗碳时间/h渗碳层深度/mm875℃900℃925℃20.640.770.8940.841.061.2781.271.521.80121.561.852.21161.802.132.54202.02.392.84242.182.623.10302.462.953.48362.743.203.81影响齿轮热处理畸变的主要因素影响因素造成齿轮变形的原因设计形状对称性及截面均匀性差，轮辐刚度差材料晶粒度不均匀，带状组织严重，淬透性带锻造锻造流线不对称，锻后冷却不均匀预备热处理加热温度过高或过低，冷却不均匀切削加工切削量过大，工艺孔位置安排不当最终热处理加热温度过高或过低，冷却不均匀淬火冷却中的质量问题及解决办法不管是渗碳淬火,碳氮共渗还是整体加热淬火,齿轮淬火冷却过程中可能出现的热处理质量问题主要有:1.淬火后硬度不足.淬火硬度不均,淬火硬化深度不够2.淬火后心部硬度过高3.淬火变形超差4.淬火开裂5.油淬后表面光亮度不够工厂出现的这类质量问题往往与齿轮的材质,前处理,淬火加热和淬火冷却有关.在排除材料,前处理和淬火加热中的问题后,淬火介质及相关技术的作用就显得特别突出了.1.硬度不足及硬化深度不够淬火冷却速度偏低是造成齿轮硬度不足,硬度不均和硬化深度不够的原因.对于淬火油来说,油的蒸汽膜阶段短、中温冷速快、且低温冷速快，往往能获得高而均匀的淬火硬度和足够的淬硬深度。工件装挂方式对淬火效果也有明显影响要使淬火油流动畅通，并配备和使用好搅拌装置，才能得到更好的效果。2、淬火后心部硬度过高这类问题与所选介质冷速过快或介质的低温冷速过高有关。解决办法之一是改换淬火油来满足要求。二是加入适当的添加剂来降低淬火油的中低温冷速。办法之三是改用淬透性更低的钢种。3、淬火变形的问题淬火变形是齿轮热处理中最麻烦的问题，因为这个牵涉到很多方面，所以解决时候也是综合措施。主要原因为冷却速度不足和冷却不均，解决方法为提高冷却速度并设法实现均匀冷却，最好采用等温分级油来控制变形4、齿轮的淬火开裂主要出现在感应加热淬火中，选用好的水性淬火介质，这个问题就可以解决5、光亮问题有这方面要求的场合，应当选用光亮淬火油或快速光亮淬火油。通常，淬火油的光亮性好则冷却速度不够高，而冷却速度高的则往往光亮性不好。此外，热油的光亮性一般也较差，可以换新油或补加光亮性的添加剂。齿轮调质工艺及质量控制一、调质处理设备1、加热设备加热设备能根据工艺要求控制炉温。在设备的有效加热区内，其保温温度偏差最大不超过+15℃。2、冷却设备及介质淬火冷却设备应具有循环冷却装置或搅拌装置，以保证齿轮毛坯获得足够而均匀的冷却。齿轮毛坯淬火冷却时，介质温度应控制在：水温《40℃;油温《80℃.二、齿轮调质热处理工艺规程1、装炉前应检查工件表面质量，不允许有裂纹、折叠、严重磕碰等缺陷2、粗加上后调质的齿轮毛坯，应留有合理的加工余量3、齿轮毛坯的尖角处应倒角，断面突变处以圆弧过渡。4、齿轮毛坯应置于设备有效加热区内，相互之间应留有一定间距。5、淬火后应及时回火，一般间隔时间不超过4小时。6、淬火冷却时不应将齿轮毛坯堆放在冷却槽内，以防止冷却不均和产生过大的变形。三、调质齿轮质量控制与检测方法1、外观齿轮毛坯调质后，外观不得有裂纹及伤痕等缺陷。2、硬度调质后应进行硬度检验。调质齿轮硬度用布氏硬度标注，符号为HBS。3、硬度均匀性被检齿轮硬度应均匀，单件硬度差不大于30～40HBS，批量硬度差不大于40～50HBS。齿轮气体渗碳热处理工艺及其质量控制一、热处理设备技术要求转炉、密封箱式炉和井式气体渗碳炉等加热设备，其有效加热区内的温度应控制在预定值的+10℃以内。二、淬火冷却设备及冷却介质淬火冷却设备应具有可以控制的加热、冷却循环系统及搅拌装置。冷却介质应具有齿轮淬火所要求的冷却能力，且不易老化。三、回火设备：回火可采用连续式或周期式炉，其炉内有效加热区的温度应控制在预定值的+10℃以内四、工艺控制1、渗碳工艺规范装炉时对于中、小模数的薄壁齿轮应采用挂装或托垫形式的夹具，对带有花键孔的齿轮应支撑合理。齿轮装在夹具上时，轮齿之间不得有搭接，且齿轮工作面之间应留有足够的间隙。渗碳温度一般为890～930℃。对于要求渗层梯度平缓的齿轮，强渗后应进行扩散。但当要求有效硬化层深度小于1mm时，可不进行扩散。2、碳势控制原则强渗期碳势控制：一般情况下，在不出现碳黑及工作表面碳化物级别允许的前提下，在强渗期炉内应具有最高碳势，以获得最快的渗速。扩散期碳势控制：一般以工件表层达到设计要求的碳浓度确定炉内碳势。3、淬火工艺规范齿轮经气体渗碳后在渗碳炉内降温至840℃～860℃保温0.5～1小时，尔后投入淬火介质中冷却。4、回火工艺规范齿轮清洗后应及时低温回火，一般间隔不超过4小时。对于高镍铬钢大型齿轮要充分回火，一般为10～20小时。对于高精度齿轮，磨齿后应进行去应力回火，温度为140～160℃，保温时间不少于2小时齿轮热处理质量检验1、齿轮经热处理后，表面不得有氧化皮、碰伤、剥落、锈蚀等缺陷。2、在热处理和磨齿后，可靠度要求高的齿轮应100%检验，一般齿轮应进行抽检。磨加工后表面一般不允许有裂纹。齿轮气体碳氮共渗工艺及质量控制1、设备要求推荐采用连续式或箱形周期式可控气氛炉进行气体碳氮共渗，其有效加热区的温度波动范围应控制在设顶值+10℃。碳氮共渗所用料盘、挂具推荐采用耐热钢或耐热铸铁制造，使用中不允许有明显的变形。淬火冷却槽内应配置加热和循环冷却装置。冷却介质的温度在使用过程中应能较快的达到预定值+25℃。2、工艺控制碳氮共渗剂供碳剂：推荐采用醒酸乙脂、丙酮、甲烷、丙烷、丙丁烷等供氮剂：推荐采用氨气，也可采用尿素等供氮碳剂。装炉：齿轮应装在加热炉的有效加热区，装炉时要留一定间隙，以使炉内气氛均匀流动。3、工艺规程渗层深度小于0.5mm的碳氮共渗齿轮,共渗温度一般为820～840℃渗层深度为0.5～0.8mm的碳氮共渗齿轮,共渗温度一般为860～880℃渗层深度大于0.8mm时,推荐采用两段工艺规范.第一段采用900～920℃较高温度碳氮共渗或渗碳,然后降至840～860℃进行中温碳氮共渗,然后直接加热淬火4、质量控制与检验方法一、外观齿轮碳氮共渗后，表面不得有氧化皮、碰伤、剥落、锈蚀等缺陷。二、碳氮浓度碳氮共渗层表面至深度为0.1mm处的第一表层,平均碳浓度应控制在0.75%～0.95%,平均氮浓度应控制在0.15%～0.30%.三、硬度一般不低于57HRC,同批齿轮的硬度差不得大于5HRC.心部硬度一般应不低于30HRC.一、汽车渗碳齿轮金相1、碳化物级别(400×）常啮合齿轮1～5级合格,换档齿轮1～4级合格级别组织特征说明1无明显或极少量碳化物2碳化物呈颗粒状分布,数量极少3碳化物呈小块状,数量较多4碳化物呈小块状,个别处出现细条状,数量分布较深5碳化物呈块状,个别处呈断续网状分布6碳化物呈大块状,断续网状分布7碳化物呈大块状,连续网状分布8碳化物呈粗大状,连续网状分布2、残余奥氏体、马氏体级别（400×）1～5级合格级别残余奥氏体含量%马氏体针大小mm150.00302100.00503180.00804230.01255300.02006370.03807420.06008500.0880二重载齿轮渗碳金相组织评级马氏体和残留奥氏体级别图(400x）（1-4级合格）渗层（距表面0.05-0.15mm处）渗层(碳化物最严重处）以网状分布的碳化物