大型齿轮渗碳淬火变形原因及控制

大型齿轮渗碳淬火变形原因及控制
摘要: 本文主要从影响大型齿轮渗碳淬火变形的几个方面入手，分析其产生的原因，并采取相应措施，通过良好的设计及机加工与热处理工序间的相互配合，采用合理的工艺，从而使工件产生变形的应力减少，以减少热处理变形，提高工件的质量。

关键词大型齿轮变形控制渗碳淬火
1 引言
大型齿轮渗碳淬火的变形直接关系到齿轮强度、精度等质量指标。

对于渗碳淬火的齿轮，特别是大型齿轮，其变形量很大，且难以控制。

较大的变形不仅会使磨齿加工的磨量增加，成本提高，而且影响齿轮制造精度，降低承载能力，最终寿命也会大大下降。

大型齿轮渗碳淬火热处理变形主要是由于工件在机加工时产生的残余应力，热处理过程中产生的热应力和组织应力以及工件自重变形等共同作用而产生的。

影响齿轮渗碳淬火变形的因素很多，包括齿轮的几何形状、原材料及冶金质量、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诸方面。

掌握变形规律，减少齿轮渗碳淬火变形，能够提高齿轮的承载能力和使用寿命，对缩短制造周期，降低生产成本也都具有重要意义。

2 大型齿轮渗碳淬火变形规律
对大型齿轮质量和寿命影响最大的变形来自齿轮外径、公法线长度和螺旋角等。

一般说来，变形趋势如下：
2.1 大型齿轮变形规律：大型齿轮渗碳淬火后齿顶圆外径呈明显胀大趋势，且上下不均匀呈锥形；径长比（齿轮外径/齿宽）越大，外径胀大量越大。

碳浓度失控偏高时，齿轮外径呈收缩趋势。

2.2 大型齿轮轴变形规律：齿顶圆外径呈明显收缩趋势，但一根齿轴的齿宽方向上，中间呈缩小，两端略有胀大
2.3 齿圈变形规律：大型齿圈经渗碳淬火后，其外径均胀大，齿宽大小不同时，齿宽方向呈锥形或腰鼓形。

3 渗碳淬火齿轮变形原因
3.1 渗碳件变形的实质
渗碳的低碳钢，原始相结构是由铁素体和少量珠光体组成，铁素体量约占整个体积的80%。

当加热至AC1以上温度时，珠光体转变为奥氏体，900℃铁素体全部转变为奥氏体。

920—940℃渗碳时，零件表面奥氏体区碳浓度增加至0.6—1.2%，这部分碳浓度高的奥氏体冷至600—650℃才开始向珠光体、索氏体转变，而心部区的低碳奥氏体在900℃即开始分解为铁素体，冷至550℃左右全部转变完成。

心部奥氏体向铁素体转变是比容增大的过程，表层奥氏体冷却时是热收缩量增加的变化过程。

在整个冷却过程中，心部铁素体生成时总是受着表层高碳奥氏体区的压应力。

此外，大型齿轮由于模数大、渗层深，渗碳时间较长，由于自重影响，也会增加变形。

3.2 大型齿轮渗碳淬火变形的原因
工件淬火时，淬火应力越大，相变越不均匀，比容差越大，则淬火变形越严重。

淬火变形还与钢的屈服强度有关，塑性变形抗力越大，其变形程度就越小。

从齿轮和齿轮轴渗碳淬火冷却各部位冷却速度、组织及硬度状态比较分析，可以发现上中下各部位冷却速度的差别，以及表面、过渡区、心部冷却速度差别，和其组织转变的不同时性是造成齿轮变形的主要原因。

减小大型齿轮渗碳淬火变形也要通过提高各环节的均匀性来实现4 减小和控制大型齿轮渗碳淬火变形的措施：
4.1 控制原材料减小变形
我国高速重载齿轮行业目前普遍使用的钢种有20CrMnMo、20CrNi2Mo、17Cr2Ni2Mo、
20Cr2Ni4等，由于受到冶炼水平等影响，原材料质量状况不尽人意。

同时由于进货渠道不同，质量也有较大波动，给变形控制带来很大难度。

总体来说，原材料对变形的影响如下：
(1) 材料淬透性是影响热处理变形的主要因素之一，淬透性带宽较小变形较小；反之则变形较大。

(2) 钢的冶金质量：钢材经过真空脱气处理后，材料纯净度提高，杂质含量少，晶粒度均匀，以氧化物为主的夹杂物大幅度减少．在这方面，国外的冶金质量控制得较好，而国内齿轮钢化学成份波动较大，有害夹杂物含量高，钢锭偏析严重，这对齿轮变形控制造成先天性缺陷。

可总结如下：
（a）钢材晶粒度对变形有着明显的影响，随着晶粒度尺寸增加,变形加大．因而要严格控制晶粒度尺寸及混晶。

大型齿轮通常要求晶粒度在5级以上。

(b) 随着钢材淬透性的增加，变形率增大。

因而在设计齿轮选材时，只要淬透性能满足要求即可．但应尽可能控制好淬透性带, 以利于变形规律的统计和摸索。

(c) 马氏体相变点Ms对变形的影响是随着Ms点降低，变形增大。

一般C、Mn含量较高的钢材具有较低的Ms点，因而从变形的角度考虑，钢材中C、Mn含量尽可能控制在较低的范围内。

(3)锻件质量
(a) 合理的锻造流线和锻造比；
(b) 严格控制锻件利用率；
(c) 加强锻后热处理控制。

4.2 设计和机加工的预先控制
4.2.1 合理的设计
零件的结构、用材、技术要求对其热处理工艺性能有很大的影响。

处理好它们之间的关系，对减少大型齿轮渗碳淬火变形大有益处。

(1) 合理的零件结构：合理结构即零件在设计时其形状应尽可能简单，分布均匀、对称，力求在零件上避免盲孔、尖棱等。

由于零件设计不合理，往往在淬火时应力分布不均匀，而产生不规则变形。

因此,零件设计时，在满足使用性能的条件下，要尽可能兼顾热处理变形。

(2) 选材：零件在选材时，首先应保证使用性能的要求，同时还要考虑热处理工艺性能及经济的合理性。

既不能为降低成本采用热处理工艺性能较差的材料，又不能盲目提高成本，一般应遵循以下原则：
• 依据材料热处理性能选材。

一般情况选材原则是要以较缓和的冷却方法来达到淬硬零件目的。

• 将材料和热处理方法结合起来选材．在使用性能允许情况下，可通过改变热处理方法来达到设计要求，即将选材与热处理方法有机的结合起来。

•合理力学性能要求．设计者除在材料与力学性能之间进行合理搭配外，应考虑某些零件局部的特殊要求，以免降低热处理工艺性能，造成不必要的变形，甚至产生不合格品。

4.2.2 适当的机加工
机加工由于进给量、工件各部位加工余量及加工差异，可导致工件各部位应力性质不同和应力分部不均衡，致使大型齿轮渗碳淬火时发生变形。

为此，应考虑：
(1) 加工方法与变形关系；在工件的成形加工过程中，可能会采用车、滚、镗、磨等不同的加工方法，从而使工件的各部位应力分布不均衡，淬火时产生较大变形．反过来，则可通过改变局部的加工方法，使该部分残留的应力对减少大型齿轮渗碳淬火变形有利，从而达到减少大型齿轮渗碳淬火变形的目的。

(2) 加工量与变形；大型齿轮各部分加工量不同或人为地造成加工量的不同，均会给大型齿轮热处理后的变形造成不良影响。

(3) 机加工工序与变形；合理地安排机加工工序，协调好机加工与热处理之间的关系，对减少大型齿轮渗碳淬火变形大有益处。

特别是那些形状不对称或带有长槽类工件，这点尤为重要。

例如在易变形的齿圈淬火前增加一道去应力工序，磨齿后再进行一次低温回火。

4.2.3 变形的预补偿
(1) 对大型齿圈,可针对渗碳淬火后齿顶圆涨大规律，预先车小齿顶圆；
（2）对大型齿轴的螺旋角,可采取滚齿时预补偿办法达到减小螺旋角变形的目的。

4.3 热处理工艺操作与变形关系
4.3.1 预先热处理
采用适当的预先热处理方法，可有效减小后续热处理的变形。

对齿轮和齿轮轴，由于退火周期长，成本高，目前一般采用正火回火处理，而大型齿圈则采用调质作为预先热处理。

4.3.2 大型齿轮渗碳淬火温度
通常采用的渗碳温度为920—930℃．采用稀土催渗技术时，加入稀土元素后，在渗碳周期相当的前提下，可使渗碳温度由930℃降为860~880℃．在改善渗层组织、节能、延长设备寿命的同时，还可以明显减少渗碳件的变形．但目前催渗技术在大型齿轮深层渗碳变形控制方面还有待进一步研究。

淬火温度对工件的淬火变形影响很大，大型齿轮渗碳淬火变形是有规律的。

可以通过调整淬火温度来达到减少变形的目的，或将预留机加工量同淬火温度经热处理试验后合理选择使用。

一般情况下，淬火温度越高均使工件变形增大．这是由于增加了工件截面上的温差，使热应力增加，同时由于过高的加热温度，使奥氏体晶粒长大，降低了塑性变形的抗力，从而增大了淬火变形。

从减少变形出发，尽量选择淬火下限温度是有利的。

4.3.3 加热速度
当工件内部存在较大的机加工残余应力，而工件截面差别又较大时，升温速度影响更大。

工件快速加热会产生较大热应力，与工件内残余应力和相变组织应力相互作用，如应力方向一致，产生迭加或合成的应力很容易使高温状态下零件产生变形。

4.3.4 淬火保温时间
保温时间的选择除保证工件透烧，淬火后达到要求的硬度或其它力学性能外，还要考虑它对淬火变形的影响。

延长淬火保温时间，实际上就相应地提高了淬火温度。

4.3.5 装炉方法
大型齿轮在加热时摆放形式不合理，则会产生因工件自重而引起的变形，或因工件之间相互挤压产生变形，或工件堆放过密造成加热及冷却不均而产生变形。

因而装炉要均匀，各种齿轮轴渗碳淬火时可设计相应的工装进行压紧，以减少变形。

齿轮要根据形状分别采用平放或垂直放方法，减小变形。

4.3.6 渗碳淬火设备：良好的渗碳淬火设备是减小齿轮变形的重要手段，对大型齿轮尤为重要。

大型齿轮采用井式气体渗碳炉进行渗碳淬火时，应满足控温精度±1℃；炉温均匀度±7℃；碳势均匀度±0.05%。

4.3.7 淬火介质与设备
在保证工件淬火硬度要求下，一般选用冷却较缓和的介质，同时还要控制好介质的温度。

目前我厂的淬火介质为普通淬火油，通过北京华立的添加剂改性处理后，其冷却性能较好，都能满足硬度要求。

对于淬火冷却设备，要保证工件淬火时冷却均匀，避免使淬火油温的温差较大，因而要求安装加热装置和搅拌装置。

我厂热处理车间有两个淬火油槽，旧油槽只有循环搅拌，新油槽既有搅拌循环，又有热交换器循环。

通过对比, 在保证硬度情况下，热油淬火变形要比冷油淬火变形小。

大型齿轮渗碳淬火过程中，发生的变形是由于内部残余应力分布不均匀，应力性质与大小受多种因素影响．单项因素或多项因素同时起作用时，淬火介质温度是重要因素。

就目前使用的淬火油来讲，其温度对冷却速度并无明显影响，但对变形影响较大。

所以在满足使用性能的前提下，往往采用热油淬火。

5 结束语
以上介绍了影响变形的几个比较主要的因素．此外还有渗碳件的质量（分布均匀的硬化层，缓和的硬度梯度，良好的金相组织）；回火方面的控制等等。

针对变形控制，还有采用
分级、等温淬火；采用专用夹具和淬火压床等。

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，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．实际上这是不可能的，所以变形是不可避免的．到目前为止，大型齿轮渗碳淬火的变形控制依然是一个长期的课题，但是只要有针对性的采取措施控制变形，就会使变形量尽可能地减小。