多用炉热处理工艺研究

多用炉热处理工艺研究

摘要：为了降低生产成本，对5T14M1主减速齿轮进行了剃齿工艺替代磨齿工艺的研究，经验证，该工

艺方法可靠，在降低生产成本的同时能够满足使用要求。

关键词：热处理变形剃齿磨齿

1 引言

在采用前驱方式的轿车变速器中，差速器是广泛使用的一种传动装置,主减速器从动齿轮是差速器中

的最重要齿轮部件，它承担着大减速比及传递重载转矩的功能。（如图1）其制造精度较高。当前，国

内外对该齿轮加工方法主要有剃齿及磨齿两种工艺路线，但由于材料及热处理原因，大部分厂商都采用

磨齿工艺，即齿坯加工——滚齿——热处理——硬车内孔和端面——磨齿——成品，但该工艺因涉及磨齿，效率较低，而且将齿轮表面最硬的一层硬化层磨掉了，降低了齿轮寿命。因此，在可以保证精度的

情况下，磨齿并非最好的工艺路线。

2 问题分析

为了提高效率并有效降低成本，采用剃齿工艺，工艺路线为：齿坯加工——滚齿——热处理——硬

车内孔和端面——成品，即在热处理后不对齿轮进行精加工，关键尺寸、齿轮精度都在热处理过程中保证，通过分析，该齿轮主要的制造难度在内孔和B端面的热处理畸变，以往的生产过程记录显示B端面

的平面度在0.08-0.25mm之间，因齿轮内孔和端面是检验和安装基准，内孔和端面的超差直接安装后差

速器异响的问题较突出。因此，控制内孔的热处理畸变及端面的平面度是剃齿工艺成功的关键。

该齿轮属于薄壁齿轮，形状复杂，内孔尺寸、外径尺寸较大，有效厚度相差较大，通过对齿轮热后

变形数据的测量，热处理后，齿轮呈碗状翘曲变形，内孔呈椭圆变形，因此该种变形属于组织应力作用

的结果，横截面相差越大，则端面畸变量越大。

热变形是一项非常复杂的系统工程，影响因素很多，为了理清头绪，对重大的影响因素进行了梳理，从原材料与预备热处理、热前齿轮精度、热处理工艺等方面进行了研究。

3 措施的提出与验证

为了研究主要的影响因素，设计如下试验方案：

①材料： 20CrMoH（J9=30-36HRC）或日标SCM420

②为了保证试验数据的真实有效，试样均为实际生产零件。

③试样数量：每炉（320件）随机抽取20%的抽样。

④抽样方式：随炉随机抽样。

试验方法

①渗碳淬火工艺试验在爱协林VKES4/2型多用炉上进行；淬火油采用好富顿MT355牌号淬火油。

②齿轮端面平面度测量工具使用专用检具（如右图所示），内孔检测使用内孔量仪。

3.1 原材料的影响

该种齿轮材料牌号为20CrMoH，为国内外主要的齿轮制造中端材料，考虑试验要求，使用了日本新日

本制铁公司（NIPPON STEEL）SCM420（等同于20CrMoH）进行一炉次的试验，试验方案为垂直挂装，使

用a工艺（下注），主要的检测结果如下表所示：

由上表可知，国产钢材与日标钢材在热处理性能方面存在较大的差距，日标钢材的热变形性能较好，合格率达到93.6%，使用日标钢材配合较为合理的热处理工艺，基本可以达到99%左右的端面变形合格率，同时可以保证较为良好的齿轮精度（齿形变形约0.015，齿形变形0.02，Fp约为0.08，Fr约0.075），但

由于进口钢材价格昂贵，该方案难以实际进行。

3.2 预备热处理的影响

渗碳钢的预备热处理组织一般为均匀的等轴珠光体和铁素体，在正火过程中，由于保温不充分或冷

却不当，其内部的组织偏析“带状组织”和“魏氏组织”不能完全消除，而这两种组织状态的存在会直

接影响齿轮淬火后的变形，同时通过研究发现，铁素体和珠光体的等级也会对变形产生一定影响，但是

较为轻微，总体规律是铁素体和珠光体级别越小，变形越小，级别越大变形加剧。

经过对热前零件的组织检测，并随炉抽检同批次零件热处理后的端面变形，对应测量数据统计的结

果如表1所示。从表1可知，毛坯组织的优劣对该类零件热处理后的端面变形影响显著。目前我司对毛坯

的技术要求为：珠光体和铁素体的级别小于3级，带状组织小于等于1级，硬度156-195HB，无其他异常

组织，严格贯彻该技术要求能有效保证合格率。

表2 毛坯不同组织状态对变形的影响

3.3 热处理工艺的影响

通过使用不同的工艺参数验证对内孔和端面变形的影响，主要的工艺优化因素为加热温度和淬火油温。

（a）原工艺

（b）新工艺

两种工艺对比，b工艺比a工艺在渗碳温度、渗碳时间、淬火油温上做了约10-30度的调整，两者的

装炉方式均为垂直挂装，即齿轮两端面同时入油，以减少翘曲变形。具体试验结果如下表所示：

表3 不同工艺对端面和内孔变形的影响

理技术指标并没有发生太大的变化，唯一的更改是渗碳时间延长25分钟，使热处理工作效率有所降低，但对于25分钟的加热时间所引起的成本变化基本可以忽略不计。

3.4 装炉方式的影响

对于主减齿轮的热处理装炉方式，主要有三种，第一种为水平摆放（图4），每个齿轮之间用一层装

料板隔开，第二种为用装料杆穿挂（图5），垂直挂装，第三种为水平摆放，用三点支撑。试验方案采

用B工艺，石钢20CrMoH材料。相关的试验结果如表4所示。

图4 水平摆放装炉方式图5 垂直装挂装炉方式示意图

表4 不同装炉方式对变形的影响

小，采用水平摆放的装炉方式端面变形度较大，但是内孔畸变量较小，装炉量处于三者之间，而采用垂

直挂装的装炉方式则优势明显，不仅变形处于可控的水平，且装炉量较大，是当前应用的最主流的一种

装炉方式。

经过几轮试验，采用垂直挂装方式进行生产的齿轮基本可以达到理想效果，如下图表示的是珩齿以

后的齿轮精度检测图，其中齿形变形约0.01，齿向变形0.02，齿距累积跳动与节圆跳动均达到要求。