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材料和热处理工艺因素对渗碳淬火齿轮畸变的影响

郑州机械研究所（河南 450052）顾 敏

目前在硬齿面齿轮制造中，渗碳淬火是主流的工艺方式，除了工艺周期长外，其存在的突出技术问题就是齿轮的畸变。影响渗碳淬火齿轮畸变的因素很多，其中

主要包括齿轮结构尺寸、材料种类及锻件质量、机械加工流程方式、热处理及渗碳淬火工艺等因素。这些因素，如结构尺寸、材料等是特征性固定的因素，而冷热加工工艺则是过程性的因素。一般而言，对于特征性因素引起的齿轮畸变，通过变形规律的总结，较易进行有效的控制；而过程性因素由于存在许多不确定，因而是控制齿轮畸变的难点。其中，无疑热处理工艺过程对于齿轮的畸变是最为主要的因素。

合理选材是提高齿轮寿命的重要因素之一，也是减小变形的重要措施。原材料的纯净性、均匀性、淬透性（简称为“三性”）三者是影响渗碳淬火齿轮畸变的主要材料因素。纯净性是指钢的成分符合标准或设计要求时，钢中杂质含量的多少。均匀性包括成分、组织和缺陷分布的均匀性。化学成分分布不均便产生偏析，渗碳淬火后偏析部分的组织和应力与别处不一样，这样产生额外的畸变就不可避免。带状组织也是组织不均匀的一种表现，常常引起畸变增大。

材料的淬透性包括两个方面：一是淬透性的高低，二是淬透性值分布带的宽窄。通常认为，淬透性值以J9的大小最为关键，J9=28 42HRC比较合适，当J9>42HRC时，材料在渗碳淬火后不仅畸变量大，而且在使用过程中容易产生脆性断裂。淬透性带的宽度越窄越好。目前国内一般要求齿轮钢材的淬透性带宽控制在≤7 HRC，国外高标准要求可达3HRC。因此要减小齿轮热处理畸变波动，必须控制原材料淬透性带宽，使每批进厂钢材的淬透性尽可能接近。

锻造对提高齿轮部件的性能作用很大，它能改善材料的组织，消除材料中的某些缺陷，提高材料的均匀性。但如果锻造工艺不当，可能形成过热组织，产生折

叠、裂纹和残留应力等缺陷，将严重影响渗碳淬火齿轮的畸变。当锻造产生金属流线不对称，锻后冷却不均匀时，会造成热处理畸变不一致。齿轮毛坯一般要求锻造金属流线沿毛坯外部对称分布，纵剖面上流线应成封闭状，这种流线形状毛坯加工后的齿轮热处理变形规律较好，易控制。为了达到预期的材料性能，对齿轮锻件要求合适的锻造比，一般对于在高速重载条件下使用的齿轮，要求其锻造比应大于5。

齿坯通过正火或调质预处理得到细小、均匀组织，能减小最终热处理畸变。然而普通正火工艺，由于受设备炉温均匀性、生产方式、装炉方式等的限制，工件的组织和硬度很难均匀；另外，由于正火采用空冷，零件的冷却速度不稳定，对于某些材料，正火后可能形成粒状贝氏体组织，以上缺陷都会增大以后渗碳淬火齿轮的畸变。为了得到较好的组织和硬度，近年来对于车辆齿轮或大批量的小型齿轮越来越多地采用等温正火工艺，对于齿轮性能提高和畸变控制取得了较好的效果。另外还应当引起我们注意的是，工业大齿轮毛坯的预备热处理。工业渗碳齿轮一般模数、直径都比较大，要实施等温正火难度很大。对于要求高的工业齿轮，一方面对齿和键槽的表面加工质量要求较高，同时希望尽量控制渗碳淬火变形而减小磨削量，为此，国内外一些公司采用了调质来作为预备热处理。

渗碳淬火工艺过程中，齿轮渗碳时的装炉方式对畸变也产生很大的影响，因此对于工装夹具应有足够的重视，防止由于齿轮自重或工装变形引起齿轮的畸变。渗碳温度越高，时间越长，奥氏体晶粒越大，齿轮畸变越大，因此要尽可能降低渗碳温度。另外，由于渗碳齿轮的表面碳浓度和渗层深度会对渗层组织的膨胀系数产生影响，渗碳后若表面形成不良碳化物分布，将增加齿形、齿向及花键孔的变形，因此必须控制渗碳时的碳势，以防止表面碳浓度过高。渗碳层深度越厚，也将使畸变加大。表面含碳量影响渗碳淬火齿轮的淬透性，而材料的淬透性对畸变有直接的影响。因此，对于不同的材料应使渗碳层深度及其表面

含碳量控制在合理适宜的范围内。

渗碳后的冷却速度对畸变有明显的影响。齿轮在

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自重对大型齿轮畸变的影响

重庆齿轮箱有限责任公司（江津 402263）邢大志

变形或畸变是热处理工序的必然现象。然而，如何减小热处理所产生的畸变，却是热处理工作者永恒的课题。国内外热处理

工作者在研究钢件热处理畸变成因、规律及控制措施等方面进行了不懈努力，也取得了许多理论成果和实践经验。

谈到热处理变形，人们自然联想到热应力、组织应力和外部应力的影响，并且更注重热处理所产生的热应力和组织应力，而忽视外部应力的作用。表现在多从设计、原材料、锻造、预处理、机械加工及热处理工艺等方面对产生工件变形的原因进行研究，而很少谈论工件本身的自重对工件变形的作用。

诚然，对于小型工件，如汽车齿轮等零件，工件本身的自重对畸变的影响的确可以忽略不计，或稍加注意即可。然而，对于直径达2m、甚至3m以上的渗碳

淬火齿轮，其热处理方法与小型工件比较有很大的不同，除上述因素将导致工件热处理产生畸变外，工件本身的自重也是一个很突出的大问题，甚至超过其他因素的影响。例如吊具的抗高温蠕变强度如何，工件的装垫是否平稳牢固、合理，在高温条件下支撑垫圈是否会松动等，都将对工件的变形产生很大的影响。归根结底，还是因为工件重量太重，直径太大。装垫稍有不适，在工件上的反应就很大，产生的畸变也很大。

特别是对于渗碳淬火的大型齿圈工件，一般放置在浇注成6条以上的放射状悬臂梁的底座上。在底座与工件之间用等高平垫圈隔开并支撑工件。在这种

情况下，吊具的受力状况和使用环境都非常恶劣。在

长时间的加热或淬火时，其中任意某一支撑点出现松动，或因为底座悬臂梁变形，则工件两支撑点间的弧长将达到2m以上。在高温和工件自重的作用下，齿圈也将产生严重的畸变，这是一种极不均匀的变形。热处理后的结果是，某部位的上端直径增大，下端直径缩小。而其垂直方向的变形则刚好相反，上端直径缩

气体渗碳之后最理想的冷却方法是在450℃等温冷却。因为600℃和575℃为渗碳层奥氏体不稳定区，在此温度等温，表面层先发生相变，心部后转变，表面形成拉应力，不仅畸变大且可能形成裂纹；而450℃为渗层奥氏体稳定区，心部也相当稳定，在此温度范围等温，对心部和表面转变的影响不太大，有利于减小畸变。目前采用惰性气体保护下的冷却是适宜的。

淬火过程中释放了零部件在整个加工工艺过程一系列操作中积累起来的变形潜能。淬火温度越高，产生的组织应力越大，畸变越大。为减小变形，需降低淬火温度，但淬火温度不宜过低，否则其渗层会出现非马氏体组织，对齿轮的性能不利。淬火冷却速度是影响齿轮畸变的另一重要因素。选用热处理淬火介质首先应考虑冷却特性，以及冷却特性的稳定性。选好和用好淬火介质是获得高淬火硬度、足够的淬硬深度、减小工件畸变

和降低生产成本的必要前提。对于低合金渗碳钢件，选择能在略低于Ms点附近等温冷却的淬火油（等温分级淬火油）可以使畸变最小。另外，根据冷却过程的需要恰当地控制淬火槽流场强度，选择搅拌的程度，将对降低工件的畸变有利。目前一些先进的淬火油槽配备有PLC控制的变频电机，搅拌速度控制对于齿轮淬火冷却过程畸变的控制具有较好的效果。

渗碳淬火后的零件要进行150 200℃下的低温回火，回火时渗碳层的体积和残余应力都发生变化，因此也会产生一定的畸变。淬火后的低温回火，还可使部分残留奥氏体转变为马氏体，而使马氏体充分转变为回火马氏体，从而保证组织及尺寸稳定性。

综上所述，虽然影响渗碳淬火齿轮畸变的因素较多，控制的难度也很大，但通过多因素关联、系统化的治理是可以有效地对齿轮的畸变进行控制的。

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