大型齿轮毛坯锻造及热处理工艺改进
汽车齿轮锻造毛坯预热处理工艺的改进概要
收稿日期:2001年7月汽车齿轮锻造毛坯预热处理工艺的改进第一汽车集团公司热处理厂(长春130011 徐德惠牟宗山摘要:介绍了低碳合金渗碳钢齿坯预热处理工艺的现状,讨论了钢件的正火组织和硬度对切削加工性能及渗碳淬火变形的影响,提出应推广应用等温正火技术以改进齿坯预热处理质量。
关键词:齿轮, 预热处理, 等温正火, 显微组织Improvement of Preheating T reatment Process of Automobile Gear Forging BlanksXu Dehui et alAbstract:The present status of the preheating treatment process for case hardened steel gear blanks i s in troduced.The influ ences of the normalized structure and hardness of steel workpiece on its cutting performance and deformation after carburizin g and q uenching are discussed.It is suggested that the isothermal normalizing technology should be promoted to increase the preheating treatmen t quality of gear blanks.Keywords:gear, preheating treatment, isothermal normalization, microscopic structure1 汽车齿轮锻造毛坯预热处理工艺现状汽车齿轮通常采用低碳合金渗碳钢制造,齿轮毛坯(简称齿坯一般需经过锻造预热处理切削加工渗碳淬火回火等多道冷、热加工工序,以获得较高的表面硬度和较好的芯部韧性,使成品齿轮具有耐磨、耐疲劳、耐点蚀等优良性能。
汽车齿轮毛坯锻件各种正火工艺方式的探讨
虽然普通正火阶段的锻件正火质量比灰冷或堆冷阶段的锻件正火质量要大大提高一个台阶 ，但是普通正火 工艺需要对锻件进行两次加热 、成本比较高，所以为了节约第二次加热的成本 ，就有 了余热正火这种正火工艺 方式 ， 即当锻出红锻件后 、 利用锻件的佘热并适当地对红锻件进行加热 ， 以使红锻件达到普通正火的丁艺温度， 从而进行正火的工艺方式． 余热正火 由于充分利 红锻件的热量 、所以对其进行再加热的能量消耗很 少，相 对普通正火工艺而言、大大节约了电能 、降低了成本． 上世纪 ９ 年代 、 ０ 我公一购置了洛阳第四设计院及洛阳工学院共Ｉ制造的锻件余热 正火炉』于我公一 锻件的 Ｊ ＿ Ｊ ｛ ｛ Ｊ 余热正火 ，经过试验跟踪 ，经余热正火的锻件质量Ｉ经普通正火的锻件质量基本一致 ，但相对普通正火工艺而 刮 言 、余热正火大大节约了电能 、降低了成本． 只是由于该 台锻件余热正火炉本身的制造质 量不过关 ，经常出故 障 ，无法正常使 ，最终被放弃．
３２ 普通 正 火阶段 ． 由于 灰冷 或堆 冷正 火工艺 阶 段 的锻件 硬度不 均 匀 、重 复性 不好 、锻件 的 内部组 织达 不 到要 求 ，所 以在上 世
纪８ Ｏ年代我厂进行了正火工艺的改进． 当时、我们从佛山电炉厂购进 了三 台电炉对锻件进行普通正火． 该类 电 炉是用电阻丝进行锻件正火加热 ，锻件是采用筐装方式靠人力推进 电炉内的． 由于该类电炉控温比较准确 、正 火时间也比较准确 ，所以锻件正火质量比灰冷或堆冷阶段要大大提高一个台阶．
国外汽车厂家的进入 ， 诸如 Ｓ Ｍ４ ０ Ｓ Ｍ８２ Ｓ Ｅ ６０ Ｈ、Ａ ８２ Ｒ Ｐ １Ｈ、Ｓ ８ Ｃ ４ ２ 、０ Ｃ ５ Ｃ ２ Ｈ、Ｃ ２Ｈ、Ａ ８２ Ｒ Ｓ Ｅ ６ ７ Ｈ、Ｓ ６ Ｐ ＩＨ、Ｌ ５０ ２Ｍｎ ｒ 、 １Ｍｎ ｒ 等 日 、美国 、 ８ Ｃ５ 本 德国牌号的钢材也大量进入国内汽车齿轮的生产体系【 ． ｌ
齿轮精密锻造的诸多优点.
齿轮精密锻造的诸多优点齿轮精密锻造在近几十年来有很大的发展，越来越多的制造厂家和用户重视用锻造的方法制造齿轮。
普遍认为，用锻造的方法，可以提高材料的利用率，提高生产率，提高齿轮的机械性能，降低成本和增强市场竞争力。
尤其对用于汽车工业的大规模生产，齿轮精密锻造具有更大的效益和潜力。
尽管齿轮精密锻造有诸多优点，并已用于锥齿轮的规模生产，但距应用于一定尺寸的圆柱直齿轮和斜齿轮的规模生产还有一段距离。
特别是应用于汽车动力传动的齿轮，还需要建立一套实用和可靠的生产工艺流程，才能为厂家所接受。
齿轮精密锻造技术源于德国。
早在50年代，由于缺乏足够的齿轮加工机床德国人开始用闭式热模锻的方法试制锥齿轮。
其中的主要特征是使用了当时很新的电火花加工工艺来制造锻模的型腔。
另外还对锻造工艺过程进行了严格地控制。
此基础上，齿轮锻造技术进一步应用到螺旋锥齿轮和圆柱齿轮的生产。
但是圆柱齿轮锻造中，由于金属材料的塑性流动方向与其受力方向垂直，所以其齿形比锥齿轮更难形成。
60年代开始圆柱齿轮的锻造研究，70年代有较大的发展，这主要是受到来自汽车工业降低成本的压力。
80年代，锻造技术更加成熟，能达到更高的精度和一致性，使锻造生产齿轮能在流水生产线上准确定位，适合于批量生产。
齿轮精密锻造的目的直接生产出不需要后续切削加工的齿轮。
如果能在室温下进行锻造，则齿轮的形状和尺寸较易控制，也可避免高温带来的误差。
目前已有较多的锥齿轮和小尺寸的圆柱齿轮用这种方法制成。
当整体尺寸适合时，还可以用冷挤压的工艺来制造圆柱直、斜齿轮。
但大部分用于汽车传动的齿轮，其直径、高度比较大，不适合采用挤压工艺。
如用闭式模锻，则需要很高的压力才能使金属材料流动并充满模具型腔，因而此类齿轮需要采用热锻或温锻工艺。
而高温将带来材料的氧化，模具畸变，影响锻件的精度和表面质量。
用附加的切削加工来修正这些误差难度较大，还要增加成本。
特别是当使用后续磨削工艺来修正齿形上的误差，除增加成本和延长工时外，还存在磨削工艺中齿轮的定位问题。
齿轮的热处理工艺
齿轮的热处理工艺齿轮是机械传动中常用的零件，广泛应用于各种机械装置中。
而齿轮的热处理工艺则是保证齿轮性能和寿命的关键环节之一。
下面将介绍齿轮的热处理工艺，包括热处理的目的、步骤和常用方法。
一、热处理的目的齿轮的热处理是为了提高其硬度、强度和耐磨性，同时改善其内部组织结构，以达到延长使用寿命、提高运转平稳性和传动效率的目的。
二、热处理的步骤1. 预处理：在进行热处理之前，需要对齿轮进行预处理。
首先进行清洗，将齿轮表面的油污和杂质清除干净。
然后进行退火处理，将齿轮加热到适当温度，然后缓慢冷却至室温，以消除内部应力，改善材料的可加工性。
2. 热处理：热处理是指将齿轮加热到一定温度，保持一定时间，然后进行冷却的过程。
常用的热处理方法有淬火、回火和表面强化等。
- 淬火：淬火是将齿轮加热到临界温度以上，使其完全变为奥氏体结构，然后迅速冷却至室温。
通过淬火可以提高齿轮的硬度和强度，但也容易导致齿轮产生内应力和变形。
- 回火：回火是指将淬火后的齿轮加热到一定温度，保持一定时间后冷却。
回火可以消除齿轮内部的应力，提高其韧性和韧化性能。
- 表面强化：表面强化是通过在齿轮表面形成一层高硬度的表面层，提高其耐磨性和疲劳强度。
常用的表面强化方法有渗碳、氮化和表面喷丸等。
3. 后处理：热处理后的齿轮还需要进行后处理。
首先进行清洗，将热处理过程中产生的氧化物和残留物清除干净。
然后进行涂层处理，以增强齿轮的耐腐蚀性能和润滑性能。
最后进行检验，检查齿轮的尺寸精度、硬度和表面质量等指标是否符合要求。
三、常用的热处理方法1. 淬火：在适当温度下加热齿轮，然后迅速冷却至室温，使其获得高硬度和强度。
2. 回火：将淬火后的齿轮加热到一定温度，保持一定时间后冷却，以消除内应力，提高其韧性和韧化性能。
3. 渗碳：将齿轮浸入含有碳源的气体或液体中，通过渗碳作用使齿轮表面富含碳元素，形成高碳含量的表面层，提高其硬度和耐磨性。
4. 氮化：将齿轮置于含氮气体环境中，通过氮化作用使齿轮表面富含氮元素，形成高氮含量的表面层，提高其硬度和耐磨性。
齿轮热处理工艺【详尽版】
齿轮热处理工艺【详细介绍】内容来源网络，由深圳机械展收集整理！一、工作条件以及材料与热处理要求1.条件: 低速、轻载又不受冲击要求: HT200 HT250 HT300 去应力退火2.条件: 低速(＜1m/s)、轻载,如车床溜板齿轮等要求: 45 调质,HB200-2503.条件: 低速、中载,如标准系列减速器齿轮要求: 45 40Cr 40MnB (5042MnVB) 调质,HB220-2504.条件: 低速、重载、无冲击,如机床主轴箱齿轮要求: 40Cr(42MnVB) 淬火中温回火HRC40-455.条件: 中速、中载,无猛烈冲击,如机床主轴箱齿轮要求: 40Cr、40MnB、42MnVB 调质或正火,感应加热表面淬火,低温回火,时效,HRC50-556.条件: 中速、中载或低速、重载,如车床变速箱中的次要齿轮要求: 45 高频淬火,350-370℃回火,HRC40-45(无高频设备时,可采用快速加热齿面淬火)7.条件: 中速、重载要求: 40Cr、40MnB(40MnVB、42CrMo、40CrMnMo、40CrMnMoVBA)淬火,中温回火,HRC45-50.8.条件: 高速、轻载或高速、中载,有冲击的小齿轮要求: 15、20、20Cr、20MnVB渗碳,淬火,低温回火,HRC56-62.38CrAl38CrMoAl 渗氮,渗氮深度0.5mm,HV9009.条件: 高速、中载,无猛烈冲击,如机床主轴轮.要求: 40Cr、40MnB、(40MnVB)高频淬火,HRC50-55.10.条件: 高速、中载、有冲击、外形复杂和重要齿轮,如汽车变速箱齿轮(20CrMnTi淬透性较高,过热敏感性小,渗碳速度快,过渡层均匀,渗碳后直接淬火变形较小,正火后切削加工性良好,低温冲击韧性也较好)要求: 20Cr、20Mn2B、20MnVB渗碳,淬火,低温回火或渗碳后高频淬火,HRC56-62.18CrMnTi、20CrMnTi(锻造→正火→加工齿轮→局部镀同→渗碳、预冷淬火、低温回火→磨齿→喷丸)渗碳层深度1.2-1.6mm,齿轮硬度HRC58-60,心部硬度HRC25-35.表面:回火马氏体+残余奥氏体+碳化物.中心:索氏体+细珠光体11.条件: 高速、重载、有冲击、模数＜5要求: 20Cr、20Mn2B 渗碳、淬火、低温回火,HRG56-62.12.条件: 高速、重载、或中载、模数＞6,要求高强度、高耐磨性,如立车重要螺旋锥齿轮要求: 18CrMnTi、20SiMnVB 渗碳、淬火、低温回火,HRC56-6213.条件: 高速、重载、有冲击、外形复杂的重要齿轮,如高速柴油机、重型载重汽车,航空发动机等设备上的齿轮.要求: 12Cr2Ni4A、20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA、20CrMnMoVBA(锻造→退火→粗加工→去应力→半精加工→渗碳→退火软化→淬火→冷处理→低温回火→精磨)渗碳层深度1.2-1.5mm,HRC59-62.14.条件: 载荷不高的大齿轮,如大型龙门刨齿轮要求: 50Mn2、50、65Mn 淬火,空冷,HB≤24115.条件: 低速、载荷不大,精密传动齿轮.要求: 35CrMO 淬火,低温回火,HRC45-5016.条件: 精密传动、有一定耐磨性大齿轮.要求: 35CrMo 调质,HB255-302.17.条件: 要求抗磨蚀性的计量泵齿轮.要求: 9Cr16Mo3VRE 沉淀硬化18.条件: 要求高耐磨性的鼓风机齿轮.要求: 45 调质,尿素盐浴软氮化.19.条件: 要求耐、保持间隙精度的25L油泵齿轮。
齿轮零件的材料、毛坯及热处理(精)
齿面热处理
为了提高齿面硬度、 增加齿轮的承载能力和 耐磨性，通常在滚、插、 剃齿之后，珩、磨齿之 前安排齿面高频感应加 热淬火、渗碳淬火、氮 碳共渗和渗氮等热处理 工序。
精密机械制造基础 四、课程总结
1
齿轮零件的材料
课 程 总 结
3
2
齿轮的毛坯
齿轮的热处理
精密机械制造基础 五、思考题
现要设计一个用于矿山带式输送机上的双级减速器中的低速级直
40Cr、球墨铸铁
精密机械制造基础 二、齿轮的毛坯 齿轮常用的毛坯是铸铁件、棒料、锻坯和铸钢坯。
棒料 铸铁件 锻坯
铸钢坯
精密机械制造基础 三、齿轮的热处理
在齿轮加工工艺中，热处理工序的位置安排十分重要，它直接影响 齿轮的力学性能及切削加工的难易程度。
毛坯热处理
为了消除铸造、 锻造和粗加工造成的 残余应力，改善齿轮 材料内部的金相组织 和切削加工性能，通 常在齿轮毛坯加工前 后安排调质或正火等 预热处理。
齿轮零件材料、毛坯及热处理
主讲教师：时虹 副教授
精密机械制造基础
目 录
01
02
齿轮零件的材料 齿轮的毛坯
03
04
齿轮一、齿轮零件的材料
齿轮应根据使用要求和工作条件选取合适的材料，普通齿轮选用中碳钢 和中碳合金钢，如40、45、40Cr、42SiMn等；强度要求高的齿轮可选取 20Mn2B、18CrMnTi、20Cr等低碳合金钢；对于低速轻载的开式传动的齿 轮可选取ZG40、ZG45等铸钢材料或灰铸铁；非传力齿轮可选取尼龙、夹 布胶木或塑料等。
齿圆柱齿轮传动机构，已知低速级小齿轮功率p1=29kw，输入转速 n1=242.2r/min，传动比 i=3.5，工作机载荷有轻微冲击，每天工作 12小时，结构紧凑，输送机单向运转，可靠性一般，试选择该低速级 齿轮传动机构中齿轮的材料、毛坯及热处理方式。
汽车行星和半轴齿轮热处理工艺的改进
切 料一 中频 加热一 热 精锻一 去 飞边一 余 热退火一 抛
丸清 理一 切 削 加工一 渗碳 、 淬火 、 回火一 磨 削加 工 。
齿 轮 的锻 造 余热 退 火 是齿 轮 的 锻坯 在 终 锻切 边 后 ， 以大 约 ４ ～ Ｏ℃／ ｉ 冷 却 速 度 冷 却 到珠 光体 转 Ｏ５ ｍ ｎ的 变温度 （０ ～ ０ ６ ０ ７ ０℃）人炉 并保 温 ９ ｎ后 出炉 窄 ０ｍｉ
提 高 齿 轮热 处理 的生 产 效 率 ？ 关键词 ： 行星 齿 轮 ；半 轴 齿 轮 ；热 处 理
中图 分 类 号 ： ４ ３２ｌ Ｕ ６ ． ８３ 文 献标 识码 ： Ｂ
Ｉ ｐ ｏ ｅ ｅ ｆ Ｈｅ ｔ Ｔｒ ａ ｍ ｅ ｔ Ｐｒ ｃ ｓ ｏ ｕｃ ｍ ｒ ｖ ｍ ｎｔ ｏ ａ ｅ ｔ ｎ ｏ ｅ ｓ ｆ ｒ Ｔｒ ｋ
汽车行星和半轴齿轮热处理工艺 的改进
金 荣 植
（ 尔 滨 汇 隆汽 车 箱桥 有 限 公 司 ， 哈 黑龙 江 哈 尔 滨 ｌ ０ ８ ） ５ ｏ ０
摘 要 ： 过 热 处理 工 艺 试验 汪 明 ： 用 再 加热 淬 火 【艺 ， 通 采 町以 细 化 齿 轮 材 料 的 晶粒 度 和显 微 组 织 ， 善 不 良 的预 处 理 改 组 织 ； 用 中冷 连 续式 渗碳 自动线 进 行 渗 碳 淬 火 ， 仪 可 以 细 化 材 料 的 晶 粒 ， 善 齿轮 的 金 相 组织 ， 且 还 可 以 大 大 采 不 改 而
ｍｉｒ ｓｒ ｃｕ ｅ ｆ ｒ ｔ ａ ｍｅ ｔ ａ ｂ ｉ ｒ ｖ ｄ Ｃ ｂ ｒ ｉ ｇ ｎ ｑ ｅ ｃ ｉ ｇ ｒ ｃ ｎ ｕ ｔ ｄ ｙ ｓｎ ａ ａ ｔｍａｉ ｃ ｏ ｔ ｔ ｒ ｏ ｐ ｅｒ ｔ ｎ ｃ ｎ ｅ ｍｐ ｏ ｅ ． ａ ｕ ｚ ｎ ａ ｄ ｕ ｎ ｈ ｎ ａ ｅ ｏ ｄ ｃ ｅ ｂ ｕ ｉ ｇ ｎ ｕ ｏ ｔ ｕ ｅ ｉ ｃ
17Cr2Ni2Mo大模数齿轮轴渗碳淬火热处理工艺优化
17Cr2Ni2Mo大模数齿轮轴渗碳淬火热处理工艺优化李金良【摘要】17Cr2Ni2Mo大模数齿轴渗碳淬火热处理的关键是将残余奥氏体量和表面碳浓度分别控制在(20～30)%和(0.8～0.95)%范围.为此,在常规工艺的基础上提出渗碳前增加正火处理,冷却时采用热油冷却并循环搅拌等优化方案.【期刊名称】《大型铸锻件》【年(卷),期】2008(000)001【总页数】3页(P11-13)【关键词】17Cr2Ni2Mo;大模数;齿轮轴;渗碳【作者】李金良【作者单位】第一重型机械集团公司冶金研究所,黑龙江,161042【正文语种】中文【中图分类】TG156.31 大模数齿轮渗碳淬火的要求大模数齿轮锻件为了保证耐磨性能，热处理普遍采用渗碳淬火工艺。
其渗碳表面硬度一般要求56～60HRC。
从接触疲劳性能看，大锻件在相对运动中承受着接触应力和弯曲应力，在一定的循环接触应力下(主要受正交变切应力为主)，表面承受的剪切应力在距表面0.786bmm处(b为二接触面接触宽度之半)为剪切应力峰，再往心部其剪切应力将逐渐降低，而这种降低梯度将随接触表面曲率半径增大而变得缓慢平坦。
整个渗碳层离表面某点的剪切强度不足以抗衡外来剪切应力时，就在此地开始形成疲劳裂纹。
只有把淬硬层过渡区往心部推移，才能达到τ/στ<0.55而不成为疲劳危险区。
因而大锻件的渗碳层深度就必须加深，例如轧机上大模数重载齿轮的有效硬化层深度往往要求大于5 mm。
综合考虑重载大模数齿轮(包括齿轮轴)的特殊性，总结出大模数齿轮渗碳淬火的质量要求主要有下列几个方面：(1)表面硬度，要求有高的耐磨性能；(2)足够的渗碳层深度，保证有效硬化层深度；(3)表面渗碳层碳化物形态、数量大小和分布；(4)渗碳层的金相组织，即马氏体级别；(5)心部硬度和力学性能；(6)渗碳层梯度；(7)晶粒度。
国内外通用的17Cr2Ni2Mo材料大模数齿轮轴渗碳淬火热处理工艺是如何满足以上几个方面的质量要求呢？现论述如下。
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置是影响轮毂、轮缘同时充填饱满的关键因素。
３上、下模具不对称设计
在齿轮毛坯锻造过程中，由于坯料的圆柱镦粗 效应‘６｜，其与模具的接触面积不断增大，导致对称 的上、下模具设计容易使坯料发生不均匀变形，且 上模具填充效果比下模具要好。因此，采用不对称
万方数据
第６期
张毅峰等：大型齿轮毛坯锻造及热处理工艺改进
ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｎｏｒｍａｌｉｚｉｎｇ ａｎｄ ｓｔｅｐｐｅｄ ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ａｖｏｉｄ ｃｒａｃｋｉｎｇ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ．
Ｇｒａｉｎ ｓｉｚｅ ｒｅａｃｈｅｓ ｇｒａｄｅ ｓｅｖｅｎ．Ｔｈｅ ｎｏｖｅｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗｈｉｃｈ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ ｎｅｅｄｓ ｏｆ ｕｓｅｒｓ’ｗａｓ ｆｕｒｔｈｅｒ ｖａｌｉｄａｔｅｄ ｂｙ ｎｕｍｅｒｉ—
如图３、图４所示：模拟结果和实际生产基本一致， 当成形力大于３５００ ｔ油压机额定载荷时，上下模具打 不靠，台阶过渡处出现欠充满、打塌缺陷；齿轮毛坯 温度分布不均，内部温度还处于９５０℃，而轮辐表面 温度已经降到约２００℃，正是由于轮辐壁薄、尺寸
万方数据
８
锻压技 术
大，与模具接触的金属散热快，塑性大幅下降，阻碍 了金属的继续流动，这也是导致出现缺陷的原因之一。
图７为两种工艺成形力对比图，从图中可以看 出原工艺需要４２００ ｔ压力，３５００ ｔ油压机不能一次 成形，而采用改进工艺，可减少３０％的成形力。预 锻冲孔直径大于锻件中心孔直径与在轮辐中间锻制 分流减压槽的作用都在于：上下模打靠时容纳多余 的金属，使其避免过早出现三向压应力，减小成形 力急剧上升的趋势；分流减压槽的尺寸、形状、位
ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅ ｎｏｖｅｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗｈｉｃｈ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔａｒｙ ａｎｄ ｄｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｗｅｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｕｓｅｆｕｌｌｙ ｒｅｄｕｃｅｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｏｒｃｅ ｂｙ ａｂｏｕｔ ３０％．Ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔａｒｙ ａｎｄ ｄｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｇｒｏｏｖｅ ｃｏｕｌｄ ｍａｋｅ
ｗｈｅｅｌ ｈｕｂ ａｎｄ ｒｉｍ ｆｉｌｌ ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ．Ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｎｏｎ－ｕｎｉｆｏＩＴｎ ｆｌｏｗ，ｔｈｅ ｎｏｖｅｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗａｓ ｆｕｒｔｈｅｒ ｉｍｐｒｏｖｅｄ
ｗｉｔｈ ｕｎｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ ｐｕｎｃＫ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｏｓｐｅｒｉｔｉｅｓ，ｈｉｇｈ ｈａｒｄｅｎ ａｂｉｌｉｔｙ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｈｅａｔ
ｗｉｔｈ ｎｏ ｄｅｅｐ ｈａｒｄｅｎｉｎｇ ｌａｙｅｒ ａｎｄ ｅａｓｙ ｓｔｅｐ ｔｒａｎｓｉ—
ｔｉｏｎ ｃｒａｃｋｉｎｇ ａｒｅ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｄｅｆｅｃｔｓ ｏｆ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ．Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｍｅｔａｌ ｆｌｏｗ ｒｕｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ｇｅａｒ ｂｌａｎｋ ｆｏｒｇｉｎｇ
第３５卷第６期
Ｖ０１．３５ Ｎｏ．６
锻 压技 壬’
ＦＯＲＧＩＮＧ＆ＳＴＡＭＰＩＮＧ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｚ０１０年１２月
Ｄｅｅ． ２０１０
大型云鹤２。胡振奇２ （１．江苏大学材料科学与工程学院，江苏镇江２１２０１３；２．张家港海陆环形锻件有限公司，江苏张家港２１５６００）
第３５卷
图３原始工艺毛坯形状图 Ｆｉｇ．３ Ｂｌａｎｋ ｓｈａｐｅ ｏｆ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ
改进工艺：棒料经镦粗成圆饼形毛坯，再经过 预成形将中间孔冲出且在轮辐处压出减压分流槽， 冲孑Ｌ直径大于锻件中心孔直径，尺寸见图５，下料 重量６３５ ｋｇ，火耗８％，三火成形。
采用改进后的工艺，齿轮毛坯完全可以在某公 司现有３５００ ｔ油压机上成形，台阶过渡处外观质量 良好，且轮毂、轮缘能够同时充填饱满。根据模拟 结果显示最终的成形力只有２９００ ｔ，图６为齿轮毛 坯的金属流动速度矢量图。
摘要：大型齿轮毛坯生产技术难度大，锻造时成形力过大、金属局部充不满，热处理时常规材料淬透层不深、台阶
过渡处易开裂。本文分析了大型齿轮毛坯锻造过程中的金属流动规律，提出了基于分流减压原理的毛坯预成形新
工艺，可减小成形力约３０％。分流减压槽的合理设计能使轮毂、轮缘同时充填饱满。为了进一步改善金属轴向流
动不均匀，采用了不对称的上下模腔设计方法；在分析了组织性能关系的基础上，采用高淬透性材料，并提出了正
（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ ２１２０１３，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｚｈａｎｇｊｉａｇａｎｇ Ｈａｉｌｕ Ａｎｎｕｌａｒ Ｆｏｒｇｉｎｇｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｚｈａｎｇｊｉａｇａｎｇ ２１５６００，Ｃｈｉｎａ）
ｅａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｕｐｌｅｄ ｔｈｅｒｍｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ，ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
ａｎａｌｙｓｉｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇｅａｒ ｂｌａｎｋ；ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｏｒｏｅ；ｄｉｓｔｒｉｂｕｔａｒｙ ａｎｄ ｄｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ；ｕｎｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ；ｓｔｅｐｐｅｄ ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ
采用有限元软件Ｄｅｆｏｒｍ－３Ｄ对锻造过程进行模 拟，毛坯材料选库中ＤＩＮ４２ＣｒＭ０４（２０～１２００℃）； 将上模、坯料、下模以ＳＴＬ格式从Ｐｒｏ／Ｅ输出；为 了节省运算时间，取模型的Ｉ／４；剪切摩擦系数 ０．３，热传导系数１１，毛坯初始温度９５０℃，模具预
疏矩阵求解和Ｎｅｗｔｏｎ－Ｒａｐｈｓｏｎ迭代法进行求解［ｓ］。 当成形力达到３５００ ｔ时，毛坯的形状和温度分布
中图分类号：ＴＧ３１６
文献标识码：Ａ
文章编号：１０００－３９４０（２０１０）０６－０００６－０６
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｎ ｆｏｒｇｉｎｇ ａｎｄ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｇｅａｒ ｂｌａｎｋ
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万方数据
第６期
张毅峰等：大型齿轮毛坯锻造及热处理工艺改进
７
元素含量，具体化学成分见表１），同时为了细化晶 粒和防止开裂变形，采用正火＋分级淬火的热处理
工艺。通过金相组织分析和淬透性实验，验证了该 热处理工艺的可行性。
表１欧标４２ＣｒＭ０４Ｖ与改进型４２ＣｒＭ０４Ｖ化学成分对照表（％，质量分数） Ｔａｂｌｅ １ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ４２ＣｒＭ０４Ｖ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ４２ＣｒＭ０４Ｖ（％Ｉ ｌＩｌａ蕊ｆｒａｃｔｉｏｎ）
火＋分级淬火的热处理工艺，防止齿轮毛坯开裂变形且晶粒度可达７级。通过有限元热力耦合数值模拟、试验验 证、微观组织观察和性能分析，验证了本文中锻造与热处理工艺方案的可行性，获得了良好效果，满足了用户的需
求。
关键词：齿轮毛坯；成形力；分流减压；不对称设计；分级淬火
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－３９４０．２０１０。０６．０２
１ 齿轮毛坯锻造过程金属流动规律分析
齿轮毛坯锻造成形过程可分为：镦粗阶段、充 满台阶过渡阶段和挤出飞边阶段。镦粗阶段从坯料 与上模腔表面接触开始到坯料金属与模腔的侧壁接 触为止，即自由镦粗。充满台阶过渡阶段从坯料的 鼓形侧面与凹模侧壁接触开始到整个侧表面与模壁 贴合且台阶过渡处被完全充满为止［３］。在此阶段，坯 料缓慢挤入模腔，逐步进入不同的三向压应力状态。 变形金属的流动受到模腔侧壁的阻碍，坯料在高度方 向上的变形速度总是不均匀的，中间流动快，上、下 两端流动慢，上端速度又要快于下端，随着接触面积 不断增大且与模具接触的金属温度不断下降，这种速 度的差异越来越明显［４］，如图１所示。为了改善这种 流动不均匀的状况，提高轮毂、轮辐、轮缘台阶过渡 处的充型质量，降低成形力，提出分流减压原理。
图４原始工艺毛坯温度分布图 Ｆｉｇ．４ Ｂｌａｎｋ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ
图５预制齿轮毛坯图 Ｆｉｇ．５ Ｐｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｇｅａｒ ｂｌａｎｋ
图６金属流动速度矢量图 Ｆｉｇ．６ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｖｅｃｔｏｒ ｏｆ ｍｅｔａｌ ｆｌｏｗ
大型齿轮是一种在矿山机械、汽轮机、发电机 等大型设备中重要的机械传动零件，其质量高低直 接影响着相关产品的性能水平。大型齿轮毛坯经模 锻成形，因其组织致密均匀，流线连续，尺寸精度 高，易于锻合材料内部缺陷和破碎树枝状组织等优 越性而得到广泛应用，逐渐取代粗大的自由锻件和 强度不高的铸件。但在锻造过程中主要存在着：成
收稿日期：２０１０－０５—１９；修订日期：２０１０－０７—２０ 基金项目：江苏省研究生工作站项目；江苏大学科技创新团队项目 作者简介：张毅峰（１９８５一），男，硕士 电子信箱：ａｂ００７ｃ＠１２６．ｃｏｍ
形力过大、充型不饱满和模具寿命低的缺陷。这是 由于齿轮毛坯与模具的接触面积大，冷却快，坯料 在向模具型腔填充时所受的摩擦力过大所致［１引。因 此，如何减小坯料与模具的接触面积，控制毛坯的 冷却速率，降低成形力是大型齿轮锻造急需解决的 难题。本文借助有限元模拟技术，从减小成形力和 改善填充不饱满两个方面，对原有工艺进行改进， 提出了分流减压原理和模具型腔不对称设计的大型 齿轮锻造工艺。目的在于使金属均匀流动，减小变 形应力，该新工艺为实际生产提供理论依据。为增 加大型齿轮毛坯的淬透层，采用高淬透性材料—— 改进型４２ＣｒＭ０４Ｖ（即在欧标４２ＧｒＭ０４Ｖ的基础上 调整Ｍｎ、Ｃｒ等元素的含量，并降低Ｐ、Ｓ等有害