张常明 胡维成

摘 要：在机械传动领域，齿轮是应用最为普遍的零部件之一，在车辆、机床、大型起重机械中扮演着重要的角色。齿轮的加工制作有着渗碳淬火的环节，经过渗碳淬火处理强化后的齿轮性能突出。不过由于相关操作比较复杂，受技术方面的限制，齿轮经常变形，阻碍了齿轮应用质量的提升。文章分析渗碳淬火齿轮热处理变形的相关问题，对此深入探讨，研究改进齿轮热处理变形问题。

关键词：齿轮;应力;变形;预防措施

齿轮在渗碳淬火热处理过程中不可避免会发生变形，过大的变形量会增加齿轮设计中的磨齿余量，而过深的磨量除了丧失掉有益的表面残余压应力及拥有最佳硬度和组织的表层外，还大大削弱了过渡区的强度，增加了深层剥落的倾向。影响齿轮渗碳淬火变形的因素非常多，包括齿轮的几何形状、原材料以及冶金质量、锻造和机加工的残余应力、装料方式和热处理工艺及设备等。对大型重载齿轮质量和寿命影响最大的变形因素来自齿轮外径、公法线长度和螺旋角等。本文针对生产现场大型齿轮热处理变形进行分析，提出了有效的热处理变形控制手段。

1实验齿轮参数及热处理工艺概述

1.1实验齿轮参数文章选用了材质为 20CrMnTiH 的齿轮开展相关实验，为研究提供实践数据支持，这种材质的齿轮具有淬透性高的特征，在经过渗碳淬火热处理后具有较优良的性能，选其作为实验对象具有高度的代表性。文章所选用的齿轮的具体参数如下：模数 1.191mm，左旋度 25°，功法线 16.41mm，圆直径39.831mm，内径 16.017mm。结构呈对称中空结构，内外直径较大，中心缺乏腹板对整体结构进行支撑，齿轮壁较薄，在渗碳淬火热处理过程中变形现象较为明显。

1.2齿轮热处理工艺。文章选用齿轮的渗碳淬火热处理工艺，主要实验设备为爱协林VKEs5/2的多用炉生产线，生产使用氮甲醇、丙烷气氛进行渗碳，编辑的热处理工艺可实现全自动化生产，后室渗碳后内推拉拉出前室淬火。具体的渗碳淬火热处理工艺如下：（表1热处理工艺参数）

首先将齿轮置多用炉内1小时升温至900度并保温1小时进行预渗碳，随即升温至 915 ～ 925℃保温5小时对工件进行强渗。再次在 0.5h内迅速将温度降至895 ～ 905℃保温2.5小时进行渗层的扩散，目的是为了获得平缓的硬度梯度曲线。最后降温至淬火温度并使得齿轮内外均温奥氏体化并使得工件表面碳浓度不至于过高或者过低进而影响碳化物的超标或是贫碳造成硬度不足情况发生。渗碳完成后，内推链将料盘拉直前室进行淬火，淬火液的温度应保持在 60-80℃淬火时间为0.5h。在完成这一工艺之后，将齿轮经清洗后置于回火炉中，以 165 ～ 175℃的温度对齿轮进行回火处理 3h，以上完成渗碳淬火全部热处理过程。

2原因分析

引起齿轮渗碳淬火变形的原因主要有：齿轮结构设计不合理、原材料缺陷（如成分偏析、带状组织等）、渗碳前的机加工残余应力较大、淬火热应力及组织应力、渗碳时齿轮的装炉方式等。一般情况下，齿轮的最终变形，尤其是形状复杂零件的变形是由上述各种因素的叠加而产生的。

2.1齿轮结构设计的影响。齿轮结构设计不合理时，易造成淬火应力集中，淬火后变形大。

2.2原材料成分偏析或组织缺陷产生的变形。齿轮用原材料的成分和组织不仅影响齿轮的使用性能和寿命，而且还影响齿轮渗碳淬火过程的变形。如原材料呈带状组织、原始晶粒度粗大等往往都不能通过简单的模锻来消除。淬火时，在偏析或缺陷处将产生较大的组织应力，导致局部产生较大的变形。

2.3渗碳淬火前残余应力的影响。渗碳齿轮淬火前的锻造、机械加工均会产生残余应力，如若渗碳淬火前不予以消除，将极易造成淬火应力集中、分布不均匀，导致渗碳淬火后产生较大的变形。某些生产企业为降低生产成本而采用低温锻造、降低终锻温度，甚至采用未热透的毛坯进行锻造，上述工艺措施均不能使材料产生均匀的塑性变形，锻件产生的残余应力更大。

2.4锻后晶粒粗大、组织不均匀的影响。粗锻温度过高、加热不均匀以及锻后冷却方式不合理，均将直接导致锻件晶粒分布不均匀或局部晶粒粗大等内在缺陷。如燃气加热炉的结构不合理、装炉方式不合理以及锻后堆放冷却时，极易出现上述缺陷。

3齿轮渗碳淬火热处理工艺改进

3.1改进齿轮入炉方式及摆放方法。更改齿轮进入渗碳炉的装炉方式，改为斜靠叠放，倾斜角度为45°，该改良方式能有效避免齿轮因其自重发生的高温蠕变;并在齿轮上方加盖隔板，这样能对齿轮出炉时起到保温作用，且能避免其直接接触冷空气。待齿轮渗碳后，淬火时将齿轮上下端面进行反置，虽然淬火时齿轮出现高温蠕变是必然现象，但是反置齿轮能在一定程度上抵消渗碳造成的锥度。

3.2分析齿轮入炉方式及摆放方法改进后的形变情况。经改进摆放方法后，对齿轮的外径及公法线进行测量发现变化有所减小，能明显发现其渗碳墩粗效应有所缓解，但基于炉膛内温度不稳定情况及高温蠕变现象，两只齿轮产生了一些锥变，在淬火过程将齿轮进行反置后，其锥变现象得到了有效消除，改进工艺后生产的四只齿轮中端面跳动现象最严重的为 0.7mm，淬火后仍有两只齿轮公法线超差，经由控制磨齿工序精磨余量后没有残留黑色氧化皮。且齿轮的渗碳厚度及硬度均符合要求，可见改变齿轮的摆放方法能有效改善齿轮的渗碳情况。

3.3改善齿轮锻坯质量。齿轮在锻造过程中极易出现硬度差异较大、质量不平衡等问题，会大大提高之后加工工序的难度，且热处理变形及加工精度难以控制。针对此种现象，在下料时一定要提前对材料的晶粒度、夹杂物及化学成分进行系统检查。不同材料、不同炉号的同种材料经渗碳淬火后的变形是不同的，淬透性宽度波动越小越便于控制其热处理的变形。绝大部分齿轮运用的是正火处理，正火组织具有细小、匀称、等优点，有助于控制齿轮热处理的变形。

3.4对齿坯进行预备热处理。对齿坯进行预备热处理是十分有必要的步骤，第一，该步骤能有效降低锻造应力，避免切齿出现的重新分布应力而产生的变形问题;第二，该步骤能显著均匀细化不良组织。需要注意的是一定要确保预备热处理的有效性，否则极易破坏其切削性能和加工精度，可见做好齿坯预备热处理能有效改善齿轮变形。

结束语：总之，齿轮变形是一个复杂的系统工程，是各种因素综合作用的结果.要减小齿轮的变形，其方法可归结为“均匀”二字，只要做到材料均匀、形状均匀、加热和冷却均匀，各个环节都均匀，就不会有变形问题.实际上这是不可能完全满足的，所以变形不可避免.到目前为止，大型齿轮的变形控制依然是一个长期的課题，但只要有针对性的采取措施，就可以使变形量尽可能减小。

参考文献：

[1]]潘邻，化学热处理应用技术 [M]. 北京：机械工业出版社，2004

[2]《齿轮热处理》编译组 . 齿轮热处理译文集：国防工业出版社，1980

[3]《简明热处理手册》编写组 . 简明热处理手册：北京出版社，1985.1