我公司承接了某大型矿车减速器内齿圈表面离子氮化任务，该齿圈（见附图）为特殊的双联、薄壁结构并要求很高的精度等级，左端模数11.7、右端模数8.7，材料为40CrNiMo。由于采用磨齿成品后再氮化的工艺，氮化是齿轮的最后一道工序，要保证齿轮的高精度等级，就要求氮化变形要严格控制。而目前实际生产中，氮化后的畸变一直是困扰国内外热处理生产的难题。一旦变形不能有效控制，降低了齿轮的精度等级，整个齿轮传动系统运行时会产生冲击振动和噪声，降低运行的可靠性并影响整机寿命。本文通过工艺创新和试验验证，使齿圈氮化变形问题基本得到解决。
大型双联齿圈材料、技术要求及加工工艺
（1）化学成分
齿圈化学成分见表1。
表1齿圈化学成分（质量分数） （%)
|
元素 |
C |
Smax |
Pmax |
Mn |
Si |
Cr |
Ni |
Mo |
|
要求值 |
0.37～0.44 |
0.035 |
0.035 |
0.5～0.8 |
0.17～0.37 |
0.6～0.9 |
1.25～1.65 |
0.15～0.25 |
|
检测1 |
0.41 |
0.01 |
0.006 |
0.61 |
0.22 |
0.62 |
1.25 |
0.19 |
|
检测2 |
0.42 |
0.01 |
0.005 |
0.61 |
0.22 |
0.62 |
1.25 |
0.18 |
（2）技术要求
调质硬度280～310HBW。氮化层深0.3～0.5mm，白亮层＜0.01mm，表面硬度53.5HRC（HR15N检测试块表面硬度）。
（3）加工工艺
齿圈主要工序：
锻造→正火→调质→立车→插齿→退火→立车→插齿→立磨→稳定时效→磨齿→氮化→成品检验。
常规工艺热处理工艺：
锻造厂正火处理；调质工序为（850±10）℃×（3～4）h，油冷；退火工序为（530±10）℃×（3～4）h，炉冷；氮化工序为（510±10）℃×（10～12）h，炉冷。
创新工艺：
正火工序为（880±10）℃×（3～4）h，空冷；调质工序为（850±10）℃×（3～4）h，水淬油冷；退火工序为（530±10）℃×（3～4）h，炉冷，升降温速度≤50℃/h；稳定时效工序为（510±10）℃×（3～4）h，炉冷，升降温速度≤25℃/h；氮化工序为（510±10）℃×（10～12）h，炉冷，升降温速度≤25℃/h，改进装炉方式，辅助加热装置。
试验结果
（1）力学性能
齿圈左端面加高50mm切割后加工试棒，采用水淬油冷工艺生产出的齿圈力学性能满足要求，如表2所示。
表2齿圈调质后力学性能结果
|
|
Rp0.2 |
A5 |
Z |
AKU |
硬度 |
|
|
Rm |
/MPa |
（%） |
（%） |
/J |
HBW |
|
|
/MPa |
|
|
|
|
|
|
|
要求值 |
785 |
640 |
12 |
38 |
39 |
280～310 |
|
检测1 |
973 |
819 |
17 |
60 |
65 |
295 |
|
检测2 |
983 |
838 |
16 |
58 |
61 |
298 |
（2）退火后变形检测
粗开齿之后，零件表面由于加工产生的应力很大，需要增加去应力退火工序。为了控制后续氮化产生的变形，需要严格控制升降温速度和保温温度。退火后检测变形情况，椭圆0.05mm。
（3）时效处理后变形检测
粗磨齿后，零件仍然会产生加工应力，也需要退火，但是如果在普通电炉退火的话，表面会产生轻微氧化，会对氮化产生影响，所以在氮化炉时效处理。这样做有几点好处：进一步消除加工应力；检测变形情况，为下一步加工做准备；试验氮化工装、装胎方式是否合理。时效前、后变形情况如表3、4所示。
表3 齿圈时效处理前变形测量数据
|
Mn=8.7 |
fHα |
ffα |
fHβ |
ffβ |
Fp |
|
1 |
14.7 |
4.6 |
1.8 |
3.2 |
72.3 |
|
2 |
13.1 |
4 |
12.6 |
3.6 |
|
3 |
14.9 |
3.8 |
4.7 |
2.4 |
|
Mn=11.7 |
fHα |
ffα |
fHβ |
ffβ |
Fp |
|
1 |
-3.4 |
3.6 |
7.6 |
2.2 |
145 |
|
2 |
-1.7 |
3.7 |
6.4 |
1.7 |
|
3 |
3.7 |
2.8 |
7.9 |
2.3 |
表4 齿圈稳定时效后变形测量数据
|
Mn=8.7 |
fHα |
ffα |
fHβ |
ffβ |
Fp |
|
1 |
12.4 |
7.5 |
5.2 |
2.4 |
80.9 |
|
2 |
11.5 |
3.5 |
6.6 |
2.7 |
|
3 |
10.4 |
4 |
8.4 |
2.7 |
|
Mn=11.7 |
fHα |
ffα |
fHβ |
ffβ |
Fp |
|
1 |
-3.1 |
3.5 |
6.5 |
2.1 |
155 |
|
2 |
3.1 |
3 |
17.4 |
2.8 |
|
3 |
-3.4 |
3.2 |
2.9 |
1.7 |
稳定时效前、后数据对比，齿廓倾斜偏差（fHα）、齿廓形状偏差（ffα）、螺旋线倾斜偏差（fHβ）、螺旋线形状偏差等偏差不大（ffβ），精度等级都小于7级，齿距累积总偏差达（Fp）到9级精度。说明齿圈直径方向上有一定的变形，经测量齿圈直径方向涨大0.15mm。
（4）氮化变形检测
利用三坐标检测设备检测齿圈变形情况，具体数据如表5所示。
表5 齿圈氮化后变形测量数据
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Mn=8.7 |
fHα |
ffα |
fHβ |
ffβ |
Fp |
|
1 |
-1 |
2.5 |
14 |
2.6 |
16.6 |
|
2 |
-1.2 |
3.4 |
13.4 |
3 |
|
3 |
0.9 |
2.9 |
16.9 |
2.7 |
|
Mn=11.7 |
fHα |
ffα |
fHβ |
ffβ |
Fp |
|
1 |
10 |
6.6 |
2.5 |
5.6 |
22 |
|
2 |
9.9 |
4.2 |
5.6 |
2.7 |
|
3 |
11.4 |
4.4 |
7.3 |
2.5 |
变形影响因素分析
（1）调质
将淬火工艺从油冷改为水淬油冷，对于后续控制变形的优点是：
①提高齿圈的淬硬层深度，采用油冷工艺，滚齿后齿圈只有齿顶一部分处于淬硬层，采用水淬油冷工艺，滚齿后齿圈的齿顶与齿根都处于淬硬层，减小由于组织差异而导致的变形量。
②提高齿圈心部硬度，材料高温塑变抗力提高。
③提高回火温度，消除应力充分。
（2）退火及稳定时效
在精磨齿前增加一次稳定时效处理，减小插齿、粗磨齿产生的加工应力。去应力退火创造了两个有利条件：
①加热温度低、热应力小。
②加热速度慢，温度梯度小。
这两点都有利于应力释放和扭曲晶格回复进程缓慢，从而变形减小。
（3）离子氮化
在入炉初期，各部位存在的温差较大，所产生的热应力足以使率先达到高温的部位发生塑变而引起变形。升温速度及氨气流量也是影响渗氮质量的重要因素。控制氮化时的升、降温速度≤25℃/h，增加辅助加热装置，提高齿圈各部位的加热均匀性，避免温差产生热应力而导致的变形。
结语
（1）通过调整冷加工工序，改进预备热处理方式、消除应力方式，采用创新的氮化工艺，齿圈基体强度得到提高，离子氮化齿圈的畸变得到有效控制，突破了大型矿车减速机的生产瓶颈，填补了国内在该领域的空白。
（2）根据数据分析，齿距累积总偏差（Fp）这项数据还是存在一定波动，需要进一步研究。
