張常明 胡維成

摘 要：在機(jī)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(jī)床、大型起重機(jī)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(qiáng)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(jìn)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(jì)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(qiáng)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(jī)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(jìn)行分析，提出了有效的熱處理變形控制手段。

1實(shí)驗(yàn)齒輪參數(shù)及熱處理工藝概述

1.1實(shí)驗(yàn)齒輪參數(shù)文章選用了材質(zhì)為 20CrMnTiH 的齒輪開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)，為研究提供實(shí)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(shí)驗(yàn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行滲碳，編輯的熱處理工藝可實(shí)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(jìn)行預(yù)滲碳，隨即升溫至 915 ～ 925℃保溫5小時對工件進(jìn)行強(qiáng)滲。再次在 0.5h內(nèi)迅速將溫度降至895 ～ 905℃保溫2.5小時進(jìn)行滲層的擴(kuò)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(jìn)而影響碳化物的超標(biāo)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(jìn)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(jìn)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(jì)不合理、原材料缺陷（如成分偏析、帶狀組織等）、滲碳前的機(jī)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(jì)的影響。齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)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(jìn)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?xì)饧訜釥t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(jìn)

3.1改進(jìn)齒輪入爐方式及擺放方法。更改齒輪進(jìn)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(jìn)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(jìn)后的形變情況。經(jīng)改進(jìn)擺放方法后，對齒輪的外徑及公法線進(jìn)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(jìn)行反置后，其錐變現(xiàn)象得到了有效消除，改進(jìn)工藝后生產(chǎn)的四只齒輪中端面跳動現(xiàn)象最嚴(yán)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(jìn)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(yùn)用的是正火處理，正火組織具有細(xì)小、勻稱、等優(yōu)點(diǎn)，有助于控制齒輪熱處理的變形。

3.4對齒坯進(jìn)行預(yù)備熱處理。對齒坯進(jìn)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(xì)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(shí)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。

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