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航空齒輪熱處理工藝優(yōu)化試驗(yàn)研究

2022-06-17 17:20:56 作者：理化檢驗(yàn)物理分冊(cè) 來(lái)源：理化檢驗(yàn)物理分冊(cè) 分享至：

航空齒輪是發(fā)動(dòng)機(jī)中重要的傳動(dòng)元件，它的質(zhì)量和性能嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。齒輪性能是由材料的熱處理和機(jī)械加工共同決定的，齒輪熱處理是一項(xiàng)復(fù)雜的金相組織不斷發(fā)生變化的過(guò)程，熱處理的淬火溫度、回火次數(shù)等對(duì)齒輪性能有著至關(guān)重要的影響，故以12Cr2Ni4A材料的航空齒輪為研究對(duì)象，基于deform有限元軟件分析熱處理參數(shù)對(duì)航空齒輪性能的影響規(guī)律，優(yōu)化航空齒輪的熱處理工藝，最后基于理論分析進(jìn)行熱處理試驗(yàn)，得到在滿足使用要求的條件下，當(dāng)淬火溫度為800℃、回火2次時(shí)齒輪材料的各項(xiàng)性能達(dá)到最佳，驗(yàn)證了熱處理分析的正確性，優(yōu)化了齒面殘余應(yīng)力分布與微觀組織分布，降低了磨削裂紋的發(fā)生幾率。

引言

齒輪工作時(shí)轉(zhuǎn)速高、傳遞功率大，承受著交變和沖擊載荷，齒和齒之間互相嚙合而產(chǎn)生齒面接觸應(yīng)力、齒根彎曲應(yīng)力。對(duì)齒輪一般有以下幾方面的要求：齒型面有足夠的強(qiáng)度、抗磨損性能、硬度、接觸疲勞性能、高的耐磨性以及良好的綜合力學(xué)性能。上述要求通過(guò)熱處理來(lái)實(shí)現(xiàn)，12Cr2Ni4A材料熱處理的主要工藝，如表1所示。滲碳前的工藝可以改善零件的性能，滲碳是提高工件表面層含碳量的常用手段，滲碳后材料表層的硬度和耐磨性大幅提高，而芯部的韌性不受影響。深冷處理可以獲得穩(wěn)定的組織，提高材料的使用性能。

表1 12Cr2Ni4A材料熱處理主要工藝

理想中的齒輪金相組織應(yīng)為細(xì)針狀馬氏體、少量奧氏體與粒狀碳化物的組合，在熱處理時(shí)要避免發(fā)生碳化物的偏析。這是因?yàn)樘蓟锏钠隹墒过X輪形成裂紋源，使材料橫向和縱向力學(xué)性能差異增大，影響齒輪的工作性能。此外，要嚴(yán)格控制齒輪淬火后的殘余奧氏體含量，使其維持在一個(gè)合理的水平，因?yàn)閵W氏體屬于不穩(wěn)定的金相組織，齒輪在工作過(guò)程中，殘余奧氏體會(huì)逐漸產(chǎn)生相變，轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或其他組織。奧氏體與其他金相組織的體積密度不同會(huì)引發(fā)齒輪微觀尺寸上的變化，齒輪體積的變化則會(huì)引起材料內(nèi)部殘余應(yīng)力也隨之發(fā)生變化，從而影響齒輪的壽命。文獻(xiàn)以deform為研究工具，分析了均勻傳熱系數(shù)對(duì)SCr420H材料的齒輪應(yīng)變分布的影響，能夠?qū)μ紝雍蛻?yīng)變進(jìn)行預(yù)測(cè)，文獻(xiàn)通過(guò)deform有限元模擬熱處理過(guò)程分析得到了減少工件和模具變形的鍛造工藝，文獻(xiàn)通過(guò)有限元分析了溫度、應(yīng)力等對(duì)材料組織的影響，文獻(xiàn)通過(guò)試驗(yàn)分析了回火次數(shù)及溫度等參數(shù)對(duì)不同材料的性能的影響，指出回火溫度與次數(shù)對(duì)SKD61鋼組織的影響規(guī)律，指出回火是導(dǎo)致材料高延展性的重要因素，文獻(xiàn)研究了淬火溫度對(duì)齒面硬度的影響規(guī)律，文獻(xiàn)通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了不同的熱處理對(duì)納米結(jié)構(gòu)氧化物彌散強(qiáng)化鋼和42CrMoS4鋼的晶粒尺寸的影響。他們雖然研究了熱處理參數(shù)對(duì)各種鋼材料性能的影響，但是并未涉及到齒面殘余應(yīng)力分布和微觀組織分布，也并沒(méi)有研究熱處理工藝對(duì)磨削過(guò)程的影響，因此以12Cr2Ni4A材料的航空齒輪為研究對(duì)象，擬對(duì)航空齒輪的熱處理工藝進(jìn)行系統(tǒng)分析，研究淬火、回火工藝對(duì)齒面硬度、殘余應(yīng)力以及組織結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，優(yōu)化熱處理工藝，提高齒輪的使用性能。

淬火工藝對(duì)齒輪性能的影響

12Cr2Ni4A材料的淬火溫度在（780~840℃范圍內(nèi)，利用DE-FORM-3D建立了不同淬火溫度下的齒輪熱處理仿真模型，在其余工藝不變的前提下，研究淬火溫度對(duì)齒面殘余應(yīng)力和硬度的影響規(guī)律。

在齒面隨機(jī)選擇若干組點(diǎn)，取其殘余應(yīng)力的平均值作為研究對(duì)象。不同淬火溫度下殘余應(yīng)力沿齒厚方向的變化情況，如圖1所示。隨著淬火溫度的升高，殘余壓應(yīng)力有逐漸下降的趨勢(shì)，到達(dá)820℃之后，變化趨于平緩。原因在于，隨著淬火溫度不斷升高，齒輪中的熱應(yīng)力不斷增加，由于熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致材料表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，因此隨著淬火溫度的不斷提高，材料表面的殘余壓應(yīng)力逐漸下降。當(dāng)淬火溫度繼續(xù)升高，材料的相變應(yīng)力隨之增加，與熱應(yīng)力發(fā)生中和，使得材料表面的殘余應(yīng)力趨于平穩(wěn)。

圖1 淬火溫度對(duì)硬度和殘余應(yīng)力的影響

在齒面上隨機(jī)選擇若干組點(diǎn)，取其硬度的平均值作為研究對(duì)象。圖 1 顯示了不同淬火溫度下齒輪硬度沿齒厚方向的變化情況。隨著淬火溫度的升高，齒輪的硬度不斷增加，在 820℃時(shí)表面硬度達(dá)到了最大值 HRC 62.1，隨后齒面硬度變化趨于平穩(wěn)。原因在于，隨著淬火溫度的升高，材料內(nèi)部合金元素的碳化物逐漸溶解，碳在奧氏體中的均勻度也慢慢提高。淬火后，馬氏體中碳的飽和度也不斷增大，因此隨著淬火溫度的不斷升高齒輪的硬度不斷增大，此后隨著馬氏體中碳的逐漸飽和，齒面硬度的變化也趨于平緩。

回火工藝對(duì)齒輪性能的影響

回火工藝主要是消除或減小殘余應(yīng)力，使材料組織細(xì)化，提高材料使用性能。回火后的組織以回火馬氏體為主，硬度較淬火馬氏體稍小。回火工藝中，相比于回火時(shí)間，回火次數(shù)、回火溫度對(duì)于材料組織性能的影響更明顯。文中建立了不同回火工藝下的齒輪熱處理仿真模型，研究回火工藝對(duì)齒面硬度和組織性能的影響。

固定其余工藝不變，12Cr2Ni4A材料在不同回火溫度下的齒面硬度變化分布，如圖2所示。隨著回火溫度的提高，齒面硬度有所上升，在 400℃時(shí)齒面硬度達(dá)到最大值 HRC 61.1。隨著回火溫度繼續(xù)提高，齒面硬度有所下降，550℃時(shí)，齒面硬度下降到為 HRC 54.3。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因在于：隨著溫度上升，組織中馬氏體分解，但此時(shí)殘余奧氏體向下貝氏體轉(zhuǎn)變，而下貝氏體的硬度要高于殘余奧氏體，材料硬度反而有所上升；當(dāng)溫度超過(guò) 400℃時(shí)，馬氏體分解的速度大于下貝氏體生成的速度，材料的硬度明顯下降。

圖2 回火溫度對(duì)于硬度的影響

選擇原有熱處理工藝，研究回火次數(shù)對(duì)齒面殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。12Cr2Ni4A材料在不同回火次數(shù)下的齒面殘余應(yīng)力曲線，如圖3所示。隨著回火次數(shù)的增加，材料結(jié)構(gòu)變形逐漸恢復(fù)，齒面殘余壓應(yīng)力有所下降，齒輪內(nèi)部的殘余應(yīng)力得到了有效釋放，說(shuō)明材料組織結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性得到增強(qiáng)，對(duì)于提高齒輪的力學(xué)性能有一定的幫助。

圖3 回火次數(shù)對(duì)于殘余應(yīng)力的影響

熱處理工藝優(yōu)化試驗(yàn)

試驗(yàn)方案與設(shè)備：從淬火溫度對(duì)齒面硬度、回火次數(shù)對(duì)材料金相組織的影響規(guī)律出發(fā)，建立熱處理優(yōu)化方案的驗(yàn)證試驗(yàn)。結(jié)合仿真分析與生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置3個(gè)淬火溫度，分別為800℃、820℃和840℃，回火次數(shù)設(shè)置為 0、1、2次，其余熱處理工藝參數(shù)維持不變，試驗(yàn)方案，如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

工件材料選擇 12Cr2Ni4A，尺寸為60mm（長(zhǎng)）×40mm（寬）× 30mm（高）。熱處理試驗(yàn)是在石家莊科鑫齒輪加工廠進(jìn)行的。部分樣件和硬度檢測(cè)裝置，如圖4所示。

圖4 熱處理試驗(yàn)樣件和硬度檢測(cè)裝置

試驗(yàn)結(jié)果分析：淬火溫度對(duì)試件表面硬度的影響：取試件 5、2、8（淬火溫度分別為 800℃、820℃、840℃，回火次數(shù)均為1次）進(jìn)行顯微硬度的檢測(cè)，每個(gè)試件表面測(cè)量3個(gè)點(diǎn)，取其硬度的平均值作為該試件表面的硬度值，測(cè)量結(jié)果分別，如圖5所示。

圖5 試件5、試件2、試件8表面硬度及淬火溫度與表面硬度間的關(guān)系

從圖6可以看到，隨著淬火溫度的提高，試件表面的顯微硬度呈逐漸上升的趨勢(shì)，試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析得到的結(jié)果是一致的。試驗(yàn)樣件的表面硬度值要高于對(duì)應(yīng)淬火溫度下的仿真數(shù)據(jù)，最大相對(duì)誤差為 5.6%。

圖6 試件1、試件5、試件9的金相組織

回火次數(shù)對(duì)金相組織的影響：對(duì)試件 1、5、9（回火次數(shù)分別為 0、1、2 次，淬火溫度 800℃）進(jìn)行金相組織檢測(cè)。首先對(duì)試件進(jìn)行線切割處理，再依次進(jìn)行研磨、拋光、化學(xué)腐蝕，完成金相樣件的制備。

在金相顯微鏡下對(duì)試件進(jìn)行組織觀測(cè)，如圖6（×100）所示。

隨著回火次數(shù)的增加，材料組織的均勻度逐漸提高，組織更加細(xì)化。具體來(lái)講：0次回火的材料組織為板狀馬氏體+殘余奧氏體+顆粒狀碳化物，1次、2次回火的組織為針狀馬氏體+少量殘余奧氏體+顆粒狀碳化物。2次回火后的組織分布更加均勻，馬氏體細(xì)化程度更高。板條狀馬氏體的組織性能較差，降低了材料的力學(xué)性能，在工件的磨削過(guò)程中，很容易產(chǎn)生磨削裂紋。而針狀馬氏體組織性能良好，均勻分布的針狀馬氏體可以很好地提升材料的力學(xué)性能，從而有效防止磨削裂紋的發(fā)生。

結(jié)論

（1）淬火溫度由原有的 820℃降至 800℃，回火后，材料表面的殘余壓應(yīng)力由15.5MPa提高至21MPa，齒面硬度由HRC 65下降至HRC 64。在硬度滿足使用要求的前提下，提高齒面殘余壓應(yīng)力，可有效預(yù)防磨削裂紋的產(chǎn)生；

（2）回火溫度與回火時(shí)間保持不變，回火次數(shù)在原有1次的基礎(chǔ)上增加到2次，2次回火后，齒面殘余壓應(yīng)力略有下降，但回火后材料的組織分布更加均勻，材料的力學(xué)性能得到加強(qiáng)，提高材料的抗疲勞能力。

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