行星齒輪在傳遞動(dòng)力時(shí)可進(jìn)行功率分流，且輸入軸和輸出軸處在同一水平線上，因此行星齒輪傳動(dòng)被廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中的減速器、增速器和變速裝置。本文研究了一種重型挖掘機(jī)減速器中的行星齒輪，材料為1E0778。由于1E0778低碳合金鋼不含合金元素Ni，因此該材料的齒輪在滲碳、淬火過(guò)程中形成的晶間氧化物和表層貝氏體比SAE8620H材料及 0CrMnTiH 材料的齒輪要嚴(yán)重的多，從而容易導(dǎo)致滲碳齒輪的早期磨損。本文對(duì)1E0778低碳滲碳齒輪鋼的熱處理工藝進(jìn)行了研究，不僅滿足圖紙要求，而且利用冷加工滾齒、剃齒工藝代替滾齒、磨齒工藝，降低了行星輪的生產(chǎn)成本。

　　1 原材料及熱處理技術(shù)要求

　　齒輪外形尺寸：齒輪的外形和尺寸如圖1所示。各參數(shù)分別為: 齒數(shù)z=23，模數(shù)m=5.08，壓力角d=20°，齒輪精度等級(jí)為 9 級(jí)。其工藝路線為: 下料→鍛造→正火→ 精粗車→滾齒→剃齒→熱處理→磨內(nèi)孔→清洗→涂油包裝。

圖 1 行星齒輪簡(jiǎn)圖

　　材料成分、淬透性及熱處理要求：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) GB /T 4336 采用化學(xué)法測(cè)得1E0778材料的主要化學(xué)成分見(jiàn)表 1。表 2 為根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求所檢測(cè)的此批材料的淬透性。熱處理要求: 滲碳淬火，節(jié)圓處硬化層深1.2～1.9mm，表面硬度最小59HRC，組織不大于4級(jí)，節(jié)圓處表層貝氏體1級(jí)，齒根處表層貝氏體不大于7級(jí)，心部硬度最小30HRC，在層深2.8mm處最小35HRC。內(nèi)孔層深最小1.05mm，在層深1.95mm 處最小30HRC。

　表 1 1E0778 材料化學(xué)成分( 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)　　

表 2 1E0778 材料的淬透性

　　國(guó)外對(duì)行星齒輪技術(shù)條件的要求比我國(guó)更細(xì)化，如我國(guó)對(duì)齒根的晶間氧化物(IGO) 的深度有一定要求;而國(guó)外工程機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)除此要求外，對(duì)不同深度的晶間氧化物進(jìn)行等級(jí)劃分，而且要求對(duì)齒根和節(jié)圓處表層貝氏體進(jìn)行評(píng)級(jí)，評(píng)級(jí)依據(jù)表層貝氏體連成片的趨勢(shì)，而非貝氏體的深度。這種貝氏體在滲碳淬火件表層中表現(xiàn)為連續(xù)或不連續(xù)的網(wǎng)狀或塊狀的黑色組織，已被公認(rèn)是由于晶界內(nèi)氧化與合金元素貧化綜合作用的結(jié)果，也被稱為非馬氏體組織，一旦形成此類組織，會(huì)降低零件的表面硬度、耐磨性以及疲勞極限。

　　另外，我國(guó)對(duì)齒輪的節(jié)圓和齒根圓角處有層深要求，但對(duì)齒底的層深并沒(méi)有要求; 而國(guó)外工程機(jī)械對(duì)齒底和齒根層深要求一樣均為不低于節(jié)圓處下限的 60%。

　　2 試驗(yàn)方法

　　試驗(yàn)設(shè)備采用1.5t AICHELIN 箱式多用爐生產(chǎn)線，由滲碳淬火爐、清洗機(jī)、回火爐組成。滲碳爐工藝由程序自動(dòng)控制，爐溫均勻性≤10 ℃，碳勢(shì)控制精度為±0.05%;滲碳爐的熱處理氣氛采用氮甲醇作為載氣，丙酮為富化氣。

　　采用 Tukon-2100B 型維式顯微硬度計(jì)測(cè)量滲碳淬火后的硬度曲線和有效硬化層深;采用 GX71 型金相顯微鏡進(jìn)行金相檢驗(yàn);采用 HR-150A 洛氏硬度計(jì)測(cè)量熱處理后零件的表面硬度及心部硬度;采用鋼箔尺寸 30 mm×12.5 mm ×0.02 mm;采用德國(guó) MESA 定碳儀測(cè)量爐內(nèi)碳勢(shì)。

　　滲碳工藝如圖 2 所示，采用了強(qiáng)滲和擴(kuò)散兩個(gè)階段的滲碳方式，熱處理總時(shí)間為 9 h。其中強(qiáng)滲階段碳勢(shì)為 1.15%，滲碳時(shí)間為 7 h;高溫?cái)U(kuò)散階段碳勢(shì)為 0.90%，時(shí)間為 2 h;淬火前 850 ℃保溫 1 h，碳勢(shì) 0.80%。淬火油分別為好富頓 K2000 淬火油和好富頓 G 油。K2000 淬火油和 G 油都是快速光亮淬火油，其中 K2000 淬火油是好富頓油品種冷速最快的淬火油。

圖 2 熱處理工藝曲線

　　3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

　　1E0778 材料行星齒輪滲碳后采用好富頓 G 油和 K2000 淬火油淬火，分別為快速攪拌 850 r/min 和慢速攪拌 750 r/min。零件檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表 3。

表 3 不同淬火油零件檢測(cè)結(jié)果

　　節(jié)圓、齒根處晶間氧化物和貝氏體結(jié)果如圖 3 和圖 4 所示。從圖中可以看出，在相同滲碳工藝下，采用 K2000 淬火油淬火的零件節(jié)圓和齒根處的表層貝氏體明顯少于 G 油，但晶間氧化物的深度差別不大。

　　(a) 節(jié)圓處表層貝氏體; (b) 節(jié)圓處晶間氧化物;

　　(c) 齒根處表層貝氏體; (d) 齒根處晶間氧化物

　　圖 3 G 淬火油淬火后零件金相組織

　　(a) 節(jié)圓處表層貝氏體; (b) 節(jié)圓處晶間氧化物;

　　(c) 齒根處表層貝氏體; (d) 齒根處晶間氧化物

　　圖 4 K2000 淬火油淬火后零件金相組織

　　使用 IVF 冷卻曲線測(cè)定儀測(cè)得 G 淬火油和 K2000 淬火油的冷卻特性曲線如圖 5 所示。從圖 5 中可以看出，在蒸汽膜階段兩種淬火油的冷速基本重合，這是因?yàn)楣ぜ車纬梢粚诱羝?，主要是通過(guò)輻射傳熱，穿過(guò)蒸汽膜來(lái)完成，傳熱速度慢。從特性溫度開(kāi)始，熱傳遞速度逐步增大，此階段主要依靠 核/泡的形成及破裂而傳熱，并且與熱工件直接接觸，冷速達(dá)到最大。最大冷速對(duì)應(yīng)溫度以下為非馬組織轉(zhuǎn)變區(qū)，此時(shí) K2000 淬火油的冷速明顯大于 G 油，有效抑制了非馬氏體的產(chǎn)生。冷速大相對(duì)于使過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線右移，從而抑制了貝氏體組織的產(chǎn)生。而晶間氧化物是在整個(gè)滲碳過(guò)程中產(chǎn)生的，所以使用不同淬火油對(duì) 1E0778 材料晶間氧化物長(zhǎng)度差別不大。由于節(jié)圓處的氣氛循環(huán)優(yōu)于齒根處，所以此材料節(jié)圓處晶間氧化物長(zhǎng)度比齒根處大。但是表層的貝氏體組織和淬火時(shí)冷速有很大關(guān)系。滲碳后施行劇烈的淬火冷卻可有效減少非馬氏體組織，在不導(dǎo)致開(kāi)裂和產(chǎn)生嚴(yán)重畸變的前提下，盡量采取冷卻快的淬火介質(zhì)對(duì)減少非馬氏體組織有利。節(jié)圓處的冷卻狀態(tài)比齒根好，所以節(jié)圓表層貝氏體趨勢(shì)明顯好于齒根處。

　　圖 5 淬火油冷卻特性曲線

　　4 結(jié)論

　　本文對(duì) 1E0778 材料行星齒輪的熱處理工藝進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，在相同滲碳工藝下，采用好富頓 K2000 淬火油解決了表層貝氏體的問(wèn)題，各項(xiàng)熱處理指標(biāo)滿足圖紙要求。避免了增加熱后磨齒工序，降低了齒輪的生產(chǎn)成本。