渗碳淬火齿轮变形控制的研究周根喜

周根喜

浙江万里扬股份有限公司浙江金华321000

摘要：硬齿面齿轮在齿轮加工中占主导地位，渗碳淬火是其主要的技术方法，但在渗碳淬火后的变形问题，严重影响了齿轮加工质量。通过原因分析和实验，总结了经验，并采取了一些有效的措施，提高了渗碳淬火的质量。

关键词：渗碳淬火；齿轮；变形；控制研究

1前言

在硬齿面齿轮制造中，渗碳淬火是主流技术，但其存在的主要问题是在渗碳和淬火后齿轮变形，严重影响齿轮的最终加工质量。必须表明齿轮渗碳淬火变形有许多影响因素，主要包括齿轮设计的结构、原材料的质量、锻造质量、热处理的装备、机械加工（包括热和冷）以及渗碳淬火工艺等因素。由于影响齿轮变形的诸多因素，其中许多因素都是交互的，难以控制，变形已经成为国内外齿轮制造的主要技术难点之一。

本文仅从渗碳和淬火过程的角度研究，研究了齿轮变形控制，因为公司的产品结构多种多样，对一些关键产品有积极的作用，作为产品的批量生产的一部分进行分析。不同产品的结构有不同的变形和变形方式，渗碳和淬火齿轮变形控制研究是一个永恒的话题，但在齿轮变形趋势中也有许多共性，因此在变形控制措施中也有许多共性，使用各种方法根据变形规律，采取反措施是控制齿轮淬火变形的主要手段。

2渗碳淬火热处理工艺对齿轮变形影响

渗碳淬火过程需要高温（920℃），并保持高温长时间（30~120min），经过渗碳齿轮的组织变化，淬火后工件变形。主要变化形式如下：

①锥度。齿轮齿的上端锥度较小，由于加热的原因，下端较大，造成齿顶隆起和公法线变化。渗碳和淬火后，渗碳层的结构发生了变化，碳体积比的增加导致了齿顶隆起和公法线变化。

②椭圆率。材料不均匀，加热和冷却不当，导致热处理不均匀膨胀，形成椭圆。

③顶面弯曲。齿轮不均匀，或轮廓垫圈不平整，导致端面弯曲。

④螺旋角变形。螺旋角的方向变大，“左旋和右偏”是斜齿轮渗碳和淬火齿向的变形。

3控制热处理工艺减小齿轮变形

3.1控制齿轮热处理工艺，以减少齿轮变形

齿轮是经过热前加工进行热处理，如果齿轮坯经过热处理，消除内部应力并不完整，就会出现不均匀的硬度和组织，影响渗碳淬火后变形。为了达到减小变形目的，将齿轮的上、下、左、右部分分开，并保持在顶部、底部、左、右之间的一定间隙，加热后均匀地冷却。淬火后低温（180℃）回火，消除内部应力，达到均匀的硬度和组织的目的。

3.2控制渗碳和淬火过程，以减少齿轮变形

①齿轮或齿轮齿圈控制加热和冷却速率，通过分段加热上升温度和保温加热到920℃，冷却到830℃，空气冷却可以减少过度引起的快速加热和快速冷却的热应力，以减少变形。

②淬火槽冷却混合泵的淬火冷却控制必须正常运行，在零件进入淬火油前和后一直搅拌，确保有序旋转冷却油，以确保齿轮或齿轮环周围均匀冷却，减少淬火变形。否则，它会导致齿环的不均匀膨胀，不对称变形，形成椭圆。

③渗碳层的碳浓度是渗透层的膨胀系数对渗碳表面的碳化物形成有影响，会增加齿形、齿方向变形。因此，必须控制碳势，以防止表面碳浓度过高。渗碳层的厚度会增加变形，所以渗碳层的深度应控制在合理的技术要求范围内。强渗碳控制在1.05%；碳势从0.85%降至0.8%。将强浸润时间（h1）与扩散时间（h2）的比值从3.0减小到2.5~2.7，有利于碳化物含量控制在不大于2级的水平。

3.3其他措施

冷热过程配合，采用合适的加工余量，根据变形规律采取相应的对策。针对变形较大的结合齿，选取一组零件进行跟踪对比。若热后变形偏公差的，调整热前零件同向公差，使最终热后零件的变形最小。例如6TS55-3210热后端面跳动偏向下公差，根据冷热配合试验跟踪结果，将热前端面尺寸按下差控制。

4渗碳淬火齿轮变形原因

4.1碳化变形的实质

低碳钢渗碳，最初阶段结构的铁素体和少量珠光体和铁素体数量约占整个体积的80%，高于AC1温度加热时，形成奥氏体、珠光体，900℃时形成铁素体、奥氏体。910~920℃渗碳、奥氏体区零件表面碳浓度提高到0.6%~1.2%，这部分的高碳奥氏体的浓度在600~650℃冷开始珠光体、索氏体，而低碳奥氏体分解为铁素体的核心。奥氏体对铁素体转变的核心是一个体积增大的过程，表面奥氏体冷却是增加热收缩的变化过程。在冷却过程中，当表面始终是高碳奥氏体区压应力时产生的核心铁素体。此外，由于大模数齿轮的渗碳时间长，以及重力的影响，也会增加变形。

4.2淬火变形的原因

当工件淬火时，淬火应力越大，相变越不均匀；体积差异越大，淬火变形越严重。除了与钢的屈服强度有关的淬火变形，塑性变形抗力越大，变形程度越高。对冷却速度、组织和硬度状态比较分析的齿轮和齿轮轴冷却部分的渗碳、淬火，也可以找出冷却速率的各部分的差值。转型区表面、冷却速度的差异，其核心与不同时发生的组织相变是齿轮变形的主要原因。因此，通过提高各环节的均匀性也可以减小变形。

5减小和控制渗碳淬火齿轮变形的措施

5.1控制原材料以减少变形

我国汽车齿轮行业目前普遍使用的钢材有20CrMnTi、20CrMnMo等，由于熔炼的程度，原材料的质量等。与此同时，由于来源不同，质量也有较大的波动，对变形控制有很大的困难。一般来说，变形影响的原材料如下：

①材料淬透性是影响热处理变形的主要因素之一。小模数齿轮采用低淬透性材料；大模数齿轮采用高淬透性材料，兼顾齿轮心部硬度偏低问题。

②钢冶金质量。经过真空脱气处理后，高纯度、低杂质含量、粒径均匀度等主要由氧化物夹杂物组成的材料大大减少。钢晶粒尺寸对变形的影响较大，晶粒尺寸增大，变形增加。因此，我们将严格控制晶粒大小和混合晶体的大小。大型齿轮通常需要大于5级的粒度。同时，随着钢淬透性的增加，变形率也随之提高。因此在齿轮中选择材料时，只要淬透性能满足要求。但要控制好淬透性带，尽可能地促进变形规律的统计和误差。此外，Ms对变形马氏体相变点的影响是随着Ms点变形的减小。一般C、Mn含量较高的钢具有较低的Ms点，从变形的角度来看，钢中的锰含量应尽量控制在低范围内。

③锻造质量。合理的锻造流线和锻造比，严格控制锻造效率，在锻造控制措施后加强热处理，可提高锻件质量，减少热处理变形。

6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。为了减少齿轮的变形，其方法归结为“均匀”两个字，只要材料和均匀的形状，均匀的加热和冷却，每个环节都是统一的，就不会有变形问题。事实上，这是不可能完全满足的，所以变形是不可避免的。到目前为止，齿轮的变形控制仍是一项长期任务，但只要有针对性的措施，就能尽可能减少变形量。

参考文献：

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