齒輪滲碳淬火熱處理變形原因與改進技術(shù)

張常明 胡維成

摘 要：在機械傳動領(lǐng)域，齒輪是應(yīng)用最為普遍的零部件之一，在車輛、機床、大型起重機械中扮演著重要的角色。齒輪的加工制作有著滲碳淬火的環(huán)節(jié)，經(jīng)過滲碳淬火處理強化后的齒輪性能突出。不過由于相關(guān)操作比較復(fù)雜，受技術(shù)方面的限制，齒輪經(jīng)常變形，阻礙了齒輪應(yīng)用質(zhì)量的提升。文章分析滲碳淬火齒輪熱處理變形的相關(guān)問題，對此深入探討，研究改進齒輪熱處理變形問題。

關(guān)鍵詞：齒輪;應(yīng)力;變形;預(yù)防措施

齒輪在滲碳淬火熱處理過程中不可避免會發(fā)生變形，過大的變形量會增加齒輪設(shè)計中的磨齒余量，而過深的磨量除了喪失掉有益的表面殘余壓應(yīng)力及擁有最佳硬度和組織的表層外，還大大削弱了過渡區(qū)的強度，增加了深層剝落的傾向。影響齒輪滲碳淬火變形的因素非常多，包括齒輪的幾何形狀、原材料以及冶金質(zhì)量、鍛造和機加工的殘余應(yīng)力、裝料方式和熱處理工藝及設(shè)備等。對大型重載齒輪質(zhì)量和壽命影響最大的變形因素來自齒輪外徑、公法線長度和螺旋角等。本文針對生產(chǎn)現(xiàn)場大型齒輪熱處理變形進行分析，提出了有效的熱處理變形控制手段。

1實驗齒輪參數(shù)及熱處理工藝概述

1.1實驗齒輪參數(shù)文章選用了材質(zhì)為 20CrMnTiH 的齒輪開展相關(guān)實驗，為研究提供實踐數(shù)據(jù)支持，這種材質(zhì)的齒輪具有淬透性高的特征，在經(jīng)過滲碳淬火熱處理后具有較優(yōu)良的性能，選其作為實驗對象具有高度的代表性。文章所選用的齒輪的具體參數(shù)如下：模數(shù) 1.191mm，左旋度 25°，功法線 16.41mm，圓直徑39.831mm，內(nèi)徑 16.017mm。結(jié)構(gòu)呈對稱中空結(jié)構(gòu)，內(nèi)外直徑較大，中心缺乏腹板對整體結(jié)構(gòu)進行支撐，齒輪壁較薄，在滲碳淬火熱處理過程中變形現(xiàn)象較為明顯。

1.2齒輪熱處理工藝。文章選用齒輪的滲碳淬火熱處理工藝，主要實驗設(shè)備為愛協(xié)林VKEs5/2的多用爐生產(chǎn)線，生產(chǎn)使用氮甲醇、丙烷氣氛進行滲碳，編輯的熱處理工藝可實現(xiàn)全自動化生產(chǎn)，后室滲碳后內(nèi)推拉拉出前室淬火。具體的滲碳淬火熱處理工藝如下：（表1熱處理工藝參數(shù)）

首先將齒輪置多用爐內(nèi)1小時升溫至900度并保溫1小時進行預(yù)滲碳，隨即升溫至 915 ～ 925℃保溫5小時對工件進行強滲。再次在 0.5h內(nèi)迅速將溫度降至895 ～ 905℃保溫2.5小時進行滲層的擴散，目的是為了獲得平緩的硬度梯度曲線。最后降溫至淬火溫度并使得齒輪內(nèi)外均溫奧氏體化并使得工件表面碳濃度不至于過高或者過低進而影響碳化物的超標或是貧碳造成硬度不足情況發(fā)生。滲碳完成后，內(nèi)推鏈將料盤拉直前室進行淬火，淬火液的溫度應(yīng)保持在 60-80℃淬火時間為0.5h。在完成這一工藝之后，將齒輪經(jīng)清洗后置于回火爐中，以 165 ～ 175℃的溫度對齒輪進行回火處理 3h，以上完成滲碳淬火全部熱處理過程。

2原因分析

引起齒輪滲碳淬火變形的原因主要有：齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理、原材料缺陷（如成分偏析、帶狀組織等）、滲碳前的機加工殘余應(yīng)力較大、淬火熱應(yīng)力及組織應(yīng)力、滲碳時齒輪的裝爐方式等。一般情況下，齒輪的最終變形，尤其是形狀復(fù)雜零件的變形是由上述各種因素的疊加而產(chǎn)生的。

2.1齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響。齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理時，易造成淬火應(yīng)力集中，淬火后變形大。

2.2原材料成分偏析或組織缺陷產(chǎn)生的變形。齒輪用原材料的成分和組織不僅影響齒輪的使用性能和壽命，而且還影響齒輪滲碳淬火過程的變形。如原材料呈帶狀組織、原始晶粒度粗大等往往都不能通過簡單的模鍛來消除。淬火時，在偏析或缺陷處將產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力，導(dǎo)致局部產(chǎn)生較大的變形。

2.3滲碳淬火前殘余應(yīng)力的影響。滲碳齒輪淬火前的鍛造、機械加工均會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，如若滲碳淬火前不予以消除，將極易造成淬火應(yīng)力集中、分布不均勻，導(dǎo)致滲碳淬火后產(chǎn)生較大的變形。某些生產(chǎn)企業(yè)為降低生產(chǎn)成本而采用低溫鍛造、降低終鍛溫度，甚至采用未熱透的毛坯進行鍛造，上述工藝措施均不能使材料產(chǎn)生均勻的塑性變形，鍛件產(chǎn)生的殘余應(yīng)力更大。

2.4鍛后晶粒粗大、組織不均勻的影響。粗鍛溫度過高、加熱不均勻以及鍛后冷卻方式不合理，均將直接導(dǎo)致鍛件晶粒分布不均勻或局部晶粒粗大等內(nèi)在缺陷。如燃氣加熱爐的結(jié)構(gòu)不合理、裝爐方式不合理以及鍛后堆放冷卻時，極易出現(xiàn)上述缺陷。

3齒輪滲碳淬火熱處理工藝改進

3.1改進齒輪入爐方式及擺放方法。更改齒輪進入滲碳爐的裝爐方式，改為斜靠疊放，傾斜角度為45°，該改良方式能有效避免齒輪因其自重發(fā)生的高溫蠕變;并在齒輪上方加蓋隔板，這樣能對齒輪出爐時起到保溫作用，且能避免其直接接觸冷空氣。待齒輪滲碳后，淬火時將齒輪上下端面進行反置，雖然淬火時齒輪出現(xiàn)高溫蠕變是必然現(xiàn)象，但是反置齒輪能在一定程度上抵消滲碳造成的錐度。

3.2分析齒輪入爐方式及擺放方法改進后的形變情況。經(jīng)改進擺放方法后，對齒輪的外徑及公法線進行測量發(fā)現(xiàn)變化有所減小，能明顯發(fā)現(xiàn)其滲碳墩粗效應(yīng)有所緩解，但基于爐膛內(nèi)溫度不穩(wěn)定情況及高溫蠕變現(xiàn)象，兩只齒輪產(chǎn)生了一些錐變，在淬火過程將齒輪進行反置后，其錐變現(xiàn)象得到了有效消除，改進工藝后生產(chǎn)的四只齒輪中端面跳動現(xiàn)象最嚴重的為 0.7mm，淬火后仍有兩只齒輪公法線超差，經(jīng)由控制磨齒工序精磨余量后沒有殘留黑色氧化皮。且齒輪的滲碳厚度及硬度均符合要求，可見改變齒輪的擺放方法能有效改善齒輪的滲碳情況。

3.3改善齒輪鍛坯質(zhì)量。齒輪在鍛造過程中極易出現(xiàn)硬度差異較大、質(zhì)量不平衡等問題，會大大提高之后加工工序的難度，且熱處理變形及加工精度難以控制。針對此種現(xiàn)象，在下料時一定要提前對材料的晶粒度、夾雜物及化學(xué)成分進行系統(tǒng)檢查。不同材料、不同爐號的同種材料經(jīng)滲碳淬火后的變形是不同的，淬透性寬度波動越小越便于控制其熱處理的變形。絕大部分齒輪運用的是正火處理，正火組織具有細小、勻稱、等優(yōu)點，有助于控制齒輪熱處理的變形。

3.4對齒坯進行預(yù)備熱處理。對齒坯進行預(yù)備熱處理是十分有必要的步驟，第一，該步驟能有效降低鍛造應(yīng)力，避免切齒出現(xiàn)的重新分布應(yīng)力而產(chǎn)生的變形問題;第二，該步驟能顯著均勻細化不良組織。需要注意的是一定要確保預(yù)備熱處理的有效性，否則極易破壞其切削性能和加工精度，可見做好齒坯預(yù)備熱處理能有效改善齒輪變形。

結(jié)束語：總之，齒輪變形是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，是各種因素綜合作用的結(jié)果.要減小齒輪的變形，其方法可歸結(jié)為“均勻”二字，只要做到材料均勻、形狀均勻、加熱和冷卻均勻，各個環(huán)節(jié)都均勻，就不會有變形問題.實際上這是不可能完全滿足的，所以變形不可避免.到目前為止，大型齒輪的變形控制依然是一個長期的課題，但只要有針對性的采取措施，就可以使變形量盡可能減小。

參考文獻：

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