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解析重型变速箱范围档齿座热处理变形处理及控制
2018-04-03 09:42:16· 来源：每天学点热处理 作者：宋庭慧
范围档同步器齿座是变速箱高低档切换的重要零件，材料为20CrMnTiH。由于该零件外径有Φ200mm，而总高只有30.5mm，所以该零件热处理不宜采用变形较大的渗碳直淬工艺，我公司采用的热处理工艺为：渗碳空冷→二次加热→压淬→清洗、回火。
范围档同步器齿座是变速箱高低档切换的重要零件，材料为20CrMnTiH。由于该零件外径有Φ200mm，而总高只有30.5mm，所以该零件热处理不宜采用变形较大的渗碳直淬工艺，我公司采用的热处理工艺为：渗碳空冷→二次加热→压淬→清洗、回火。该零件要控制的主要尺寸参数是外齿公法线值及内花键M值，在进行压淬后，大部分时候上述二个尺寸参数都能得到有效控制，但有时会成批出现不明原因的变形量变大、超差，导致产品报废。我们对此进行了分析研究，试图找出引起变形量超差的主要原因，并进行改善，将变形控制在公差范围内。
1. 齿座变形情况
在某批零件又出现变形超差的情况后，我们对同一批次的零件毛坯进行了隔离，将毛坯分成两组，第一组正常进行机加工，并对其分别进行了热前、渗碳空冷、压淬等各个阶段尺寸变化情况的跟踪检验。另一组待查明变形原因后再处理。表1为第一组跟踪检验的5个工件的数据：
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表1中，超差尺寸已用粗字体标出，由表中数据可以看出，热前尺寸比较稳定，渗碳空冷后，公法线尺寸变动较大、超差严重，压淬后超差有加剧的趋势；而内花键M值渗碳空冷后变动较大，压淬后由于淬火芯轴的支撑、补偿作用，有部分尺寸可以得到纠正，但个别变动太大的尺寸连淬火芯轴也无法纠正。
2.齿座淬火变形分析及解决措施
同步器齿座截面薄厚不均匀，淬火冷却初期，薄壁部位冷却速度快、热收缩较大，厚壁部位冷却速度慢、热收缩较小，因此产生的热应力大小不一样，从而导致工件各部位塑性变形也不一样。通过对齿座外径的检验还发现Φ200的尺寸在淬火后形成喇叭口状，因此在通常情况下，我公司采用的渗碳空冷+二次加热压淬的热处理方式通过淬火压模来补偿不同应力产生的不同塑性变形，可以使工件的变形控制在规定范围内。但该批工件在渗碳空冷后就产生很大变形，且压淬后也无法得到有效控制，说明其变形程度已超出淬火压模能控制的尺寸范围。经过分析讨论，初步怀疑毛坯的等温正火处理不好，从而组织应力过大，在热处理后与加工应力一起释放导致零件变形不可控制。我公司的齿座毛坯由外协厂家提供正火处理，金相检验该批零件的一件毛坯后，在100倍金相显微镜下观察毛坯正火组织见图2：
从图2可以看出，同步器齿座正火组织不好，带状较为严重，说明此批零件没有严格执行毛坯的等温正火工艺，也证明我们的初步判断没有错。为了进一步查找渗碳空冷后变形严重的
其它原因，我们观察了渗碳空冷的装夹方式及工装使用情况。根据调查，该齿座渗碳空冷时使用了工艺规定的平装方式并没有违反工艺要求，但使用的平装格架有部分变形严重，中间凹下去很多，这可能也是渗碳空冷后工件变形较大的原因之一。
根据分析的原因，变形问题可以从毛坯等温正火及渗碳空冷装夹方式两方面进行改善。首先利用车间***多用炉将第二组隔离的毛坯进行了等温正火处理，处理工艺采用960℃保温150min，随炉缓冷至880℃再空冷。处理后金相检验毛坯，100倍金相显微镜下观察毛坯正火组织见图3：
从图3可以看出，重新等温正火后的金相组织得到很大改善，珠光体和铁素体分部均匀，也进一步验证了毛坯供应商没有严格按照等温正火工艺对该批同步器齿座毛坯进行处理。与此同时，为了保证渗碳空冷时避免外力因素对工件变形的干扰，我们更换了一批平装格架，将一些中凹的格架淘汰，使工件在渗碳时能平整放置。准备就绪后，我们将重新等温正火后的毛坯再次按照第一组的方法进行机加工并对各阶段尺寸进行跟踪检验。根据检验结果，这一组毛坯所加工的零件在压淬后二个关键尺寸全部合格，个别渗碳空冷后略有超差的尺寸也在压淬后得到纠正，表2为第二组改善后跟踪检验的5个工件的数据：
本次改善后，我公司又对后续零件进行了同样的处理，压淬后的齿座成品合格率大大提升，有效的降低了该种同步器齿座的废损率。
3.总结
(1) 通过此次改善处理，证明淬火压模只能在一定范围内保证零件的关键尺寸，如零件变形太大则无法保证；同时进一步证明渗碳钢毛坯的预处理即等温正火的重要性。
(2) 此次改善为公司减少了大量废损，也让公司领导在技术层面对毛坯的等温正火有了更深的认识，从而有助于提高热处理在机加工行业中的地位。
(3) 通过此项改善还说明压淬前的渗碳空冷环节也很重要，事实上要保证热处理工件的变形得到有效控制和有规律可循，在其从毛坯到成品的各个环节都要把控好才能做到。
1. 齿座变形情况
在某批零件又出现变形超差的情况后，我们对同一批次的零件毛坯进行了隔离，将毛坯分成两组，第一组正常进行机加工，并对其分别进行了热前、渗碳空冷、压淬等各个阶段尺寸变化情况的跟踪检验。另一组待查明变形原因后再处理。表1为第一组跟踪检验的5个工件的数据：
表1中，超差尺寸已用粗字体标出，由表中数据可以看出，热前尺寸比较稳定，渗碳空冷后，公法线尺寸变动较大、超差严重，压淬后超差有加剧的趋势；而内花键M值渗碳空冷后变动较大，压淬后由于淬火芯轴的支撑、补偿作用，有部分尺寸可以得到纠正，但个别变动太大的尺寸连淬火芯轴也无法纠正。
2.齿座淬火变形分析及解决措施
同步器齿座截面薄厚不均匀，淬火冷却初期，薄壁部位冷却速度快、热收缩较大，厚壁部位冷却速度慢、热收缩较小，因此产生的热应力大小不一样，从而导致工件各部位塑性变形也不一样。通过对齿座外径的检验还发现Φ200的尺寸在淬火后形成喇叭口状，因此在通常情况下，我公司采用的渗碳空冷+二次加热压淬的热处理方式通过淬火压模来补偿不同应力产生的不同塑性变形，可以使工件的变形控制在规定范围内。但该批工件在渗碳空冷后就产生很大变形，且压淬后也无法得到有效控制，说明其变形程度已超出淬火压模能控制的尺寸范围。经过分析讨论，初步怀疑毛坯的等温正火处理不好，从而组织应力过大，在热处理后与加工应力一起释放导致零件变形不可控制。我公司的齿座毛坯由外协厂家提供正火处理，金相检验该批零件的一件毛坯后，在100倍金相显微镜下观察毛坯正火组织见图2：
从图2可以看出，同步器齿座正火组织不好，带状较为严重，说明此批零件没有严格执行毛坯的等温正火工艺，也证明我们的初步判断没有错。为了进一步查找渗碳空冷后变形严重的
其它原因，我们观察了渗碳空冷的装夹方式及工装使用情况。根据调查，该齿座渗碳空冷时使用了工艺规定的平装方式并没有违反工艺要求，但使用的平装格架有部分变形严重，中间凹下去很多，这可能也是渗碳空冷后工件变形较大的原因之一。
根据分析的原因，变形问题可以从毛坯等温正火及渗碳空冷装夹方式两方面进行改善。首先利用车间***多用炉将第二组隔离的毛坯进行了等温正火处理，处理工艺采用960℃保温150min，随炉缓冷至880℃再空冷。处理后金相检验毛坯，100倍金相显微镜下观察毛坯正火组织见图3：
从图3可以看出，重新等温正火后的金相组织得到很大改善，珠光体和铁素体分部均匀，也进一步验证了毛坯供应商没有严格按照等温正火工艺对该批同步器齿座毛坯进行处理。与此同时，为了保证渗碳空冷时避免外力因素对工件变形的干扰，我们更换了一批平装格架，将一些中凹的格架淘汰，使工件在渗碳时能平整放置。准备就绪后，我们将重新等温正火后的毛坯再次按照第一组的方法进行机加工并对各阶段尺寸进行跟踪检验。根据检验结果，这一组毛坯所加工的零件在压淬后二个关键尺寸全部合格，个别渗碳空冷后略有超差的尺寸也在压淬后得到纠正，表2为第二组改善后跟踪检验的5个工件的数据：
本次改善后，我公司又对后续零件进行了同样的处理，压淬后的齿座成品合格率大大提升，有效的降低了该种同步器齿座的废损率。
3.总结
(1) 通过此次改善处理，证明淬火压模只能在一定范围内保证零件的关键尺寸，如零件变形太大则无法保证；同时进一步证明渗碳钢毛坯的预处理即等温正火的重要性。
(2) 此次改善为公司减少了大量废损，也让公司领导在技术层面对毛坯的等温正火有了更深的认识，从而有助于提高热处理在机加工行业中的地位。
(3) 通过此项改善还说明压淬前的渗碳空冷环节也很重要，事实上要保证热处理工件的变形得到有效控制和有规律可循，在其从毛坯到成品的各个环节都要把控好才能做到。
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