材料和熱處理工藝因素對(duì)滲碳淬火齒輪畸變的影響

1、材料和熱處理工藝因素對(duì)滲碳淬火齒輪畸變的影響鄭州機(jī)械研究所（河南 450052）顧 敏目前在硬齒面齒輪制造中，滲碳淬火是主流的工藝方式，除了工藝周期長外，其存在的突出技術(shù)問題就是齒輪的畸變。影響滲碳淬火齒輪畸變的因素很多，其中主要包括齒輪結(jié)構(gòu)尺寸、材料種類及鍛件質(zhì)量、機(jī)械加工流程方式、熱處理及滲碳淬火工藝等因素。這些因素，如結(jié)構(gòu)尺寸、材料等是特征性固定的因素，而冷熱加工工藝則是過程性的因素。一般而言，對(duì)于特征性因素引起的齒輪畸變，通過變形規(guī)律的總結(jié)，較易進(jìn)行有效的控制；而過程性因素由于存在許多不確定，因而是控制齒輪畸變的難點(diǎn)。其中，無疑熱處理工藝過程對(duì)于齒輪的畸變是最為主要的因素。合理選材是提

2、高齒輪壽命的重要因素之一，也是減小變形的重要措施。原材料的純凈性、均勻性、淬透性（簡稱為“三性”）三者是影響滲碳淬火齒輪畸變的主要材料因素。純凈性是指鋼的成分符合標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)計(jì)要求時(shí)，鋼中雜質(zhì)含量的多少。均勻性包括成分、組織和缺陷分布的均勻性?；瘜W(xué)成分分布不均便產(chǎn)生偏析，滲碳淬火后偏析部分的組織和應(yīng)力與別處不一樣，這樣產(chǎn)生額外的畸變就不可避免。帶狀組織也是組織不均勻的一種表現(xiàn)，常常引起畸變?cè)龃?。材料的淬透性包括兩個(gè)方面：一是淬透性的高低，二是淬透性值分布帶的寬窄。通常認(rèn)為，淬透性值以J9的大小最為關(guān)鍵，J9=2842HRC比較合適，當(dāng)J9>42HRC時(shí)，材料在滲碳淬火后不僅畸變量大，而且在使

3、用過程中容易產(chǎn)生脆性斷裂。淬透性帶的寬度越窄越好。目前國內(nèi)一般要求齒輪鋼材的淬透性帶寬控制在7 HRC，國外高標(biāo)準(zhǔn)要求可達(dá)3HRC。因此要減小齒輪熱處理畸變波動(dòng)，必須控制原材料淬透性帶寬，使每批進(jìn)廠鋼材的淬透性盡可能接近。鍛造對(duì)提高齒輪部件的性能作用很大，它能改善材料的組織，消除材料中的某些缺陷，提高材料的均勻性。但如果鍛造工藝不當(dāng)，可能形成過熱組織，產(chǎn)生折疊、裂紋和殘留應(yīng)力等缺陷，將嚴(yán)重影響滲碳淬火齒輪的畸變。當(dāng)鍛造產(chǎn)生金屬流線不對(duì)稱，鍛后冷卻不均勻時(shí)，會(huì)造成熱處理畸變不一致。齒輪毛坯一般要求鍛造金屬流線沿毛坯外部對(duì)稱分布，縱剖面上流線應(yīng)成封閉狀，這種流線形狀毛坯加工后的齒輪熱處理變形規(guī)律較

4、好，易控制。為了達(dá)到預(yù)期的材料性能，對(duì)齒輪鍛件要求合適的鍛造比，一般對(duì)于在高速重載條件下使用的齒輪，要求其鍛造比應(yīng)大于5。齒坯通過正火或調(diào)質(zhì)預(yù)處理得到細(xì)小、均勻組織，能減小最終熱處理畸變。然而普通正火工藝，由于受設(shè)備爐溫均勻性、生產(chǎn)方式、裝爐方式等的限制，工件的組織和硬度很難均勻；另外，由于正火采用空冷，零件的冷卻速度不穩(wěn)定，對(duì)于某些材料，正火后可能形成粒狀貝氏體組織，以上缺陷都會(huì)增大以后滲碳淬火齒輪的畸變。為了得到較好的組織和硬度，近年來對(duì)于車輛齒輪或大批量的小型齒輪越來越多地采用等溫正火工藝，對(duì)于齒輪性能提高和畸變控制取得了較好的效果。另外還應(yīng)當(dāng)引起我們注意的是，工業(yè)大齒輪毛坯的預(yù)備熱處理

5、。工業(yè)滲碳齒輪一般模數(shù)、直徑都比較大，要實(shí)施等溫正火難度很大。對(duì)于要求高的工業(yè)齒輪，一方面對(duì)齒和鍵槽的表面加工質(zhì)量要求較高，同時(shí)希望盡量控制滲碳淬火變形而減小磨削量，為此，國內(nèi)外一些公司采用了調(diào)質(zhì)來作為預(yù)備熱處理。滲碳淬火工藝過程中，齒輪滲碳時(shí)的裝爐方式對(duì)畸變也產(chǎn)生很大的影響，因此對(duì)于工裝夾具應(yīng)有足夠的重視，防止由于齒輪自重或工裝變形引起齒輪的畸變。滲碳溫度越高，時(shí)間越長，奧氏體晶粒越大，齒輪畸變?cè)酱?，因此要盡可能降低滲碳溫度。另外，由于滲碳齒輪的表面碳濃度和滲層深度會(huì)對(duì)滲層組織的膨脹系數(shù)產(chǎn)生影響，滲碳后若表面形成不良碳化物分布，將增加齒形、齒向及花鍵孔的變形，因此必須控制滲碳時(shí)的碳勢，以防止

6、表面碳濃度過高。滲碳層深度越厚，也將使畸變加大。表面含碳量影響滲碳淬火齒輪的淬透性，而材料的淬透性對(duì)畸變有直接的影響。因此，對(duì)于不同的材料應(yīng)使?jié)B碳層深度及其表面含碳量控制在合理適宜的范圍內(nèi)。滲碳后的冷卻速度對(duì)畸變有明顯的影響。齒輪在自重對(duì)大型齒輪畸變的影響重慶齒輪箱有限責(zé)任公司（江津 402263）邢大志變形或畸變是熱處理工序的必然現(xiàn)象。然而，如何減小熱處理所產(chǎn)生的畸變，卻是熱處理工作者永恒的課題。國內(nèi)外熱處理工作者在研究鋼件熱處理畸變成因、規(guī)律及控制措施等方面進(jìn)行了不懈努力，也取得了許多理論成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。談到熱處理變形，人們自然聯(lián)想到熱應(yīng)力、組織應(yīng)力和外部應(yīng)力的影響，并且更注重?zé)崽幚硭a(chǎn)生

7、的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，而忽視外部應(yīng)力的作用。表現(xiàn)在多從設(shè)計(jì)、原材料、鍛造、預(yù)處理、機(jī)械加工及熱處理工藝等方面對(duì)產(chǎn)生工件變形的原因進(jìn)行研究，而很少談?wù)摴ぜ旧淼淖灾貙?duì)工件變形的作用。誠然，對(duì)于小型工件，如汽車齒輪等零件，工件本身的自重對(duì)畸變的影響的確可以忽略不計(jì)，或稍加注意即可。然而，對(duì)于直徑達(dá)2m、甚至3m以上的滲碳淬火齒輪，其熱處理方法與小型工件比較有很大的不同，除上述因素將導(dǎo)致工件熱處理產(chǎn)生畸變外，工件本身的自重也是一個(gè)很突出的大問題，甚至超過其他因素的影響。例如吊具的抗高溫蠕變強(qiáng)度如何，工件的裝墊是否平穩(wěn)牢固、合理，在高溫條件下支撐墊圈是否會(huì)松動(dòng)等，都將對(duì)工件的變形產(chǎn)生很大的影響。歸根結(jié)底

8、，還是因?yàn)楣ぜ亓刻?，直徑太大。裝墊稍有不適，在工件上的反應(yīng)就很大，產(chǎn)生的畸變也很大。特別是對(duì)于滲碳淬火的大型齒圈工件，一般放置在澆注成6條以上的放射狀懸臂梁的底座上。在底座與工件之間用等高平墊圈隔開并支撐工件。在這種情況下，吊具的受力狀況和使用環(huán)境都非常惡劣。在長時(shí)間的加熱或淬火時(shí)，其中任意某一支撐點(diǎn)出現(xiàn)松動(dòng)，或因?yàn)榈鬃鶓冶哿鹤冃?，則工件兩支撐點(diǎn)間的弧長將達(dá)到2m以上。在高溫和工件自重的作用下，齒圈也將產(chǎn)生嚴(yán)重的畸變，這是一種極不均勻的變形。熱處理后的結(jié)果是，某部位的上端直徑增大，下端直徑縮小。而其垂直方向的變形則剛好相反，上端直徑縮氣體滲碳之后最理想的冷卻方法是在450等溫冷卻。因?yàn)?0

9、0和575為滲碳層奧氏體不穩(wěn)定區(qū)，在此溫度等溫，表面層先發(fā)生相變，心部后轉(zhuǎn)變，表面形成拉應(yīng)力，不僅畸變大且可能形成裂紋；而450為滲層奧氏體穩(wěn)定區(qū)，心部也相當(dāng)穩(wěn)定，在此溫度范圍等溫，對(duì)心部和表面轉(zhuǎn)變的影響不太大，有利于減小畸變。目前采用惰性氣體保護(hù)下的冷卻是適宜的。淬火過程中釋放了零部件在整個(gè)加工工藝過程一系列操作中積累起來的變形潛能。淬火溫度越高，產(chǎn)生的組織應(yīng)力越大，畸變?cè)酱?。為減小變形，需降低淬火溫度，但淬火溫度不宜過低，否則其滲層會(huì)出現(xiàn)非馬氏體組織，對(duì)齒輪的性能不利。淬火冷卻速度是影響齒輪畸變的另一重要因素。選用熱處理淬火介質(zhì)首先應(yīng)考慮冷卻特性，以及冷卻特性的穩(wěn)定性。選好和用好淬火介質(zhì)是獲得高淬火硬度、足夠的淬硬深度、減小工件畸變和降低生產(chǎn)成本的必要前提。對(duì)于低合金滲碳鋼件，選擇能在略低于Ms點(diǎn)附近等溫冷卻的淬火油（等溫分級(jí)淬火油）可以使畸變最小。另外，根據(jù)冷卻過程的需要恰當(dāng)?shù)乜刂拼慊鸩哿鲌鰪?qiáng)度，選擇攪拌的程度，將對(duì)降低工件的畸變有利。目前一些先進(jìn)的淬火油槽配備有PLC控制的變頻電機(jī)，攪拌速度控制對(duì)于齒輪淬火冷卻過程畸變的控制具有較好的效果。滲碳淬火后的零件要進(jìn)行150200下的低溫回火，回火