齿轮渗碳淬火热处理变形原因与改进技术

齿轮渗碳淬火热处理变形原因与改进技术
摘要】齿轮是常见的机械零部件，其啮合传动力学在汽车、轮船等机械产品中
广泛应用。

齿轮的重要作用不言而喻，但在齿轮的具体使用当中会存在齿轮失效
的现象，此种现象的出现大部分是由于齿轮长期使用后磨损、折断所导致的。

齿
轮的生产主要以渗碳淬火热处理的加工方式进行批量生产，但此种生产方式容易
导致齿轮变形，不利于齿轮的批量成产与成本投入。

为保障齿轮的生产质量文章
对齿轮渗碳淬火热处理技术进行分析，找寻齿轮变形原因并提出相关的改进措施，以供行业参考。

【关键词】渗碳淬火热处理齿轮
渗碳淬火是当下齿轮生产中的重要工艺流程，渗碳淬火能够使齿轮的耐磨性
能更加稳定。

渗碳淬火属于热处理技术，其具体工作开展分为多种形式，但渗碳
淬火过程较为复杂，导致齿轮在淬火后容易发生变形。

齿轮变形属于齿轮制作过
程中的常见问题，极大的影响了齿轮的使用质量，齿轮在机械中应用广泛，如何
提高齿轮质量，改进工作技术成为当下技术研究的重点。

一、齿轮及渗碳淬火热处理工艺分析
1.1齿轮结构
从大部分的齿轮结构来讲，齿轮的整体结构呈现对称性，其制作材料主要包
含调质钢、渗碳钢、合金钢等多种材料，制作完成的齿轮中间多为空心、内外径
较大、齿轮壁较薄，渗碳淬火需要进行高温加热，以此齿轮容易发生变形现象。

1.2渗碳淬火热处理工艺
齿轮的渗碳淬火热处理工艺较为复杂，包含直接淬火低温回火、预冷直接淬
火低温回火、一次加热淬火低温回火、渗碳后感应加热淬火低温回火等多种工艺。

以20CrMnTi齿轮为例，首先要将齿轮要放置在炉温为920℃的渗碳淬火炉中进行
长达3小时的渗碳处理，其次将渗碳炉的温度调至860℃，在保持50分钟的恒温状态后进行淬火出炉。

最后，使用淬火液处理，进行2小时的低温回火，在低温
回火的过程中回火炉的温度应当保持在160℃。

在进行渗碳淬火热处理时，要注
意四只齿轮在全过程当中要保持平放状态。

1.3齿轮渗碳淬火热处理后导致变形的因素
在齿轮进行渗碳淬火热处理前后分别对齿轮的直径、公法线进行测量，发现
在经过热工艺处理后，齿轮的内外直径与公法线均发生了变化。

在经热工艺处理
的4只齿轮中，有两只齿轮发生了椭圆畸变，发生变化的原因是由于齿轮在渗碳
炉中受高温后发生膨胀，在冷却后会出现的热胀冷缩现象，这一现象导致齿轮的
发生变形。

在实际的渗碳淬火热处理过程中，部分齿轮变形较轻，但其端面会发生扭曲，不利于使用，一旦使用会对机械作业产生困扰。

小部分端面扭曲不严重的齿轮可
以通过磨齿进行校正，对于不能磨齿以及磨齿以后氧化严重的齿轮不能应用在实
际的机械中，只能报废处理。

另外由于齿轮在热处理的工艺中需要平整摆放，会存在一定程度的上下两面
受热不均现象，一方面渗碳过程中的气体流通不能保证均匀，同样会造成齿轮厚
度不均匀的现象。

综上所述，齿轮变形是由多种因素共同导致的，其中胀缩、锥度、椭圆度、齿面扭曲是造成齿轮渗碳淬火变形的主要原因。

二、齿轮渗碳淬火热处理工艺改进措施
2.1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度，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。

在齿轮渗碳淬火环节，会因为齿轮的上下齿端进入介质时间不同而出现受热
不均匀的问题，致使齿轮的下端面发生变形。

为此，在渗碳淬火热处理过程中，
可以采取将齿轮的上下端面交换方向摆放的方法，待齿轮渗碳后，淬火时将齿轮
上下端面进行反置，虽然高温蠕变是不可避免的，但是，采取这种方法可以在一
定程度上降低齿轮的锥度。

2.2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。

2.3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。

2.4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。

开展齿轮渗碳淬火热处理工艺前，可以提前对齿坯实施预热处理，可有效改善齿轮的热处理变形问题。

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。

三、结束语
齿轮作为现代机械组合中最常见的零件之一，在所有机械设备中起着重要的
作用，提高齿轮的制造质量和速度对我国工业化的发展具有积极的影响。

文章对
齿轮渗碳淬火热处理变形问题进行了深入讨论，提出来修正和改进热处理变形的
措施,最大限度地提高热处理操作过程中齿轮制造空间,同时减少齿轮报废概率,提
高装备制造业的质量,使其更好的服务在现代机械制造中,并发挥它应有的作用。

【参考文献】
[1]张翠莹,李潜,高明超.齿轮渗碳淬火热处理变形的分析和改进探讨[J].南方农
机.2018(04)
[2]张茂国.渗碳淬火齿轮断齿分析[J].金属加工(热加工).2018(06)
[3]卢金生,李宝奎.齿轮的精密热处理及抗疲劳制造探讨[J].机械传动.2019(03)。