齿圈是我厂引进美国卡特彼勒公司推土机高端产品SD7高驱动履带式推土机上的关键零件(见图1),使用性能要求其具有良好的耐磨性、弯曲疲劳强度、接触疲劳强度、抗划伤能力及抗咬合能力。原先我们采用20CrMnTi渗碳淬火的热处理工艺方法,但处理后变形往往超差,问题很难解决。根据齿圈的受力状态及性能的要求,其表面应有一定深度的硬化层,表面硬度应在50HRC以上,心部强韧化组织,基体强度σb≥800MPa,因此我们将齿圈的材料改为42CrMo,预先调质到248~302HBS,机加工成形后再渗氮处理,渗氮层深度≥0.5mm,表面硬度≥550HV。因为离子渗氮与气体渗氮相比,具有渗速快、渗层组织易于控制、脆性小、工件变形小、节能、省气及无公害等诸多优点,并且离子渗氮炉对于齿圈类零件装炉也方便。为此,我们购置了某厂生产的直流电源离子渗氮炉LD-150,有效工作区为Φ51300mm×1600mm。 (图片) 1.存在问题
离子氮化炉购回及在以后的调试过程中,虽然齿圈经离子渗氮后热处理变形符合要求,但渗氮技术要求一直达不到图样要求。主要表现在离子氮化后表面硬度和渗氮层深度极不均匀;同件硬度偏差范围达到200HV左右,同件渗氮层深度偏差范围达到0.2mm左右,同炉各齿圈的偏差范围也同样如此,即每炉的上中下三个位置的齿圈硬度和渗氮层深度也不均匀,偏差范围超差。
齿圈装炉方式采取的是堆垛方式(如图2所示),共三垛,每垛三件,齿轮之间用垫块隔开,间隔约50mm距离。齿固离子渗氮工艺曲线如图3所示。(图片)
图2(图片)
图32.原因分析及改进措施
离子渗氮时,零件表面各处温度的均匀一致是保证渗氮质量的重要因素。由于离子氮化炉是在电场的作用下,氮离子轰击阴极,同时加热零件表面达到渗氮温度以实现渗氮的,这就造成离子渗氮零件温度常常很不均匀,各部位温度相差几十度甚至上百度,致使渗氮层的硬度和深度不均匀。所以我们从改善炉温均匀性人手,对齿圈渗氮后出现的问题进行分析并采取改进措施。
(1)工件的装炉方式对温度的均匀性有很大影响。齿圈采取图2的方式装炉,使得齿圈靠炉壁附近部分和炉子中心部分,由于阴阳极间距离差异和散热的不同,必然导致同一件齿圈的这两部分温度不同,所以我们采取在阴极盘中心放一垛(如图4所示),每垛5件的装炉方式,这样保证了阴阳极间距离的均匀。考虑到炉子中间温度往往偏高,所以中间齿圈间隔要比上下稍大一些,每件间隔的距离从上到下分别为30mm、80mm、100mm、50mm。通过装炉方式的改进,改善了齿圈的温度均匀性。(图片) (2)针对罩式离子氮化炉具有因零件上部散热大、温度往往偏低的特点,我们在炉子顶部设置了圆盘状的辅助阴极。工作时辅助阴极和零件一同起辉升温。由于辅助阴极的存在及相互热辐射的影响,提高了附近空间的温度,减小了零件这一部位的散热损失,因此使该处的温度升高直至和其他部位的温度相同。
(3)调试过程中我们还发现,离子渗氮炉炉体外壁温度严重不均,外壁温差约有50℃左右。经分析认为原因之一是该炉体的循环冷却水路存在问题,原炉体水冷系统只有一处进水和一处出水,冷却水从炉子底部进入,从炉子顶部流出。在此种冷却方法下,在炉子底部,由于循环水的不断注入,使其温度基本保持在20℃;而在炉子顶部,由于冷却水被炉子所散发出来的热量不断加热,冷却水温度已达到70℃左右。另一个原因是该炉体设计上只有一层隔热屏,对零件的隔热起不到很好的效果。所以我们首先是对冷却水路进行了改造,在炉子中部增设一处进水口,通过调整两处进水口的流量,最终达到炉体外壁温度基本均匀一致,确保炉温更均匀;其次是新增加_,一个不锈钢隔热屏,成为双层隔热屏,这样可提高离子渗氮炉膛的温度,减小从工件到炉壁的温度梯度,不仅可以节省电能,而且也减小了工件各处散热条件上的差异,使得工件的温度均匀性得到很大的改善。
3.效果
针对离子氮化炉炉温均匀性问题,通过采取以上措施,齿圈经离子渗氮后,其变形、硬度、渗氮层深度及其偏差范围均符合要求,证实我们采取的改进措施切实可行而有效。
5/27/2008
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