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航空齒輪熱處理工藝優化試驗研究

2022-06-17 17:20:56 作者：理化檢驗物理分冊來源：理化檢驗物理分冊分享至：

航空齒輪是發動機中重要的傳動元件，它的質量和性能嚴重影響發動機的使用壽命。齒輪性能是由材料的熱處理和機械加工共同決定的，齒輪熱處理是一項復雜的金相組織不斷發生變化的過程，熱處理的淬火溫度、回火次數等對齒輪性能有著至關重要的影響，故以12Cr2Ni4A材料的航空齒輪為研究對象，基于deform有限元軟件分析熱處理參數對航空齒輪性能的影響規律，優化航空齒輪的熱處理工藝，最后基于理論分析進行熱處理試驗，得到在滿足使用要求的條件下，當淬火溫度為800℃、回火2次時齒輪材料的各項性能達到最佳，驗證了熱處理分析的正確性，優化了齒面殘余應力分布與微觀組織分布，降低了磨削裂紋的發生幾率。

引言

齒輪工作時轉速高、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生齒面接觸應力、齒根彎曲應力。對齒輪一般有以下幾方面的要求：齒型面有足夠的強度、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性能。上述要求通過熱處理來實現，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為細針狀馬氏體、少量奧氏體與粒狀碳化物的組合，在熱處理時要避免發生碳化物的偏析。這是因為碳化物的偏析可使齒輪形成裂紋源，使材料橫向和縱向力學性能差異增大，影響齒輪的工作性能。此外，要嚴格控制齒輪淬火后的殘余奧氏體含量，使其維持在一個合理的水平，因為奧氏體屬于不穩定的金相組織，齒輪在工作過程中，殘余奧氏體會逐漸產生相變，轉變為馬氏體或其他組織。奧氏體與其他金相組織的體積密度不同會引發齒輪微觀尺寸上的變化，齒輪體積的變化則會引起材料內部殘余應力也隨之發生變化，從而影響齒輪的壽命。文獻以deform為研究工具，分析了均勻傳熱系數對SCr420H材料的齒輪應變分布的影響，能夠對碳層和應變進行預測，文獻通過deform有限元模擬熱處理過程分析得到了減少工件和模具變形的鍛造工藝，文獻通過有限元分析了溫度、應力等對材料組織的影響，文獻通過試驗分析了回火次數及溫度等參數對不同材料的性能的影響，指出回火溫度與次數對SKD61鋼組織的影響規律，指出回火是導致材料高延展性的重要因素，文獻研究了淬火溫度對齒面硬度的影響規律，文獻通過實驗研究了不同的熱處理對納米結構氧化物彌散強化鋼和42CrMoS4鋼的晶粒尺寸的影響。他們雖然研究了熱處理參數對各種鋼材料性能的影響，但是并未涉及到齒面殘余應力分布和微觀組織分布，也并沒有研究熱處理工藝對磨削過程的影響，因此以12Cr2Ni4A材料的航空齒輪為研究對象，擬對航空齒輪的熱處理工藝進行系統分析，研究淬火、回火工藝對齒面硬度、殘余應力以及組織結構的影響規律，優化熱處理工藝，提高齒輪的使用性能。

淬火工藝對齒輪性能的影響

12Cr2Ni4A材料的淬火溫度在（780~840℃范圍內，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，研究淬火溫度對齒面殘余應力和硬度的影響規律。

在齒面隨機選擇若干組點，取其殘余應力的平均值作為研究對象。不同淬火溫度下殘余應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，殘余壓應力有逐漸下降的趨勢，到達820℃之后，變化趨于平緩。原因在于，隨著淬火溫度不斷升高，齒輪中的熱應力不斷增加，由于熱應力會導致材料表面產生拉應力，因此隨著淬火溫度的不斷提高，材料表面的殘余壓應力逐漸下降。當淬火溫度繼續升高，材料的相變應力隨之增加，與熱應力發生中和，使得材料表面的殘余應力趨于平穩。

圖1 淬火溫度對硬度和殘余應力的影響

在齒面上隨機選擇若干組點，取其硬度的平均值作為研究對象。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℃時表面硬度達到了最大值 HRC 62.1，隨后齒面硬度變化趨于平穩。原因在于，隨著淬火溫度的升高，材料內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。

回火工藝對齒輪性能的影響

回火工藝主要是消除或減小殘余應力，使材料組織細化，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，相比于回火時間，回火次數、回火溫度對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℃時齒面硬度達到最大值 HRC 61.1。隨著回火溫度繼續提高，齒面硬度有所下降，550℃時，齒面硬度下降到為 HRC 54.3。出現上述現象的原因在于：隨著溫度上升，組織中馬氏體分解，但此時殘余奧氏體向下貝氏體轉變，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；當溫度超過 400℃時，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 回火溫度對于硬度的影響

選擇原有熱處理工藝，研究回火次數對齒面殘余應力的影響規律。12Cr2Ni4A材料在不同回火次數下的齒面殘余應力曲線，如圖3所示。隨著回火次數的增加，材料結構變形逐漸恢復，齒面殘余壓應力有所下降，齒輪內部的殘余應力得到了有效釋放，說明材料組織結構的穩定性得到增強，對于提高齒輪的力學性能有一定的幫助。

圖3 回火次數對于殘余應力的影響

熱處理工藝優化試驗

試驗方案與設備：從淬火溫度對齒面硬度、回火次數對材料金相組織的影響規律出發，建立熱處理優化方案的驗證試驗。結合仿真分析與生產經驗，設置3個淬火溫度，分別為800℃、820℃和840℃，回火次數設置為 0、1、2次，其余熱處理工藝參數維持不變，試驗方案，如表2所示。

表2 試驗方案設計

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

圖4 熱處理試驗樣件和硬度檢測裝置

試驗結果分析：淬火溫度對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℃，回火次數均為1次）進行顯微硬度的檢測，每個試件表面測量3個點，取其硬度的平均值作為該試件表面的硬度值，測量結果分別，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，試驗結果與仿真分析得到的結果是一致的。試驗樣件的表面硬度值要高于對應淬火溫度下的仿真數據，最大相對誤差為 5.6%。

圖6 試件1、試件5、試件9的金相組織

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

在金相顯微鏡下對試件進行組織觀測，如圖6（×100）所示。

隨著回火次數的增加，材料組織的均勻度逐漸提高，組織更加細化。具體來講：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，降低了材料的力學性能，在工件的磨削過程中，很容易產生磨削裂紋。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性能，從而有效防止磨削裂紋的發生。

結論

（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，提高齒面殘余壓應力，可有效預防磨削裂紋的產生；

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

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