大型齿轮渗碳淬火变形原因及控制
大型齿轮的深层渗碳淬火变形控制和开裂预防
大型齿轮渗碳淬火的变形控制大型齿轮经过渗碳淬火处理后，变形量很大，外径变形往往多达5~6mm，且规律复杂，难以掌握。
较大的不均匀变形使大型齿轮的一部分轮齿在磨齿时磨不出来，如图【4-1】（a）所示，还有一部分轮齿出现磨齿台阶，如图【4-1】（b）所示）。
因此，大型齿轮的不均匀变形不仅会使磨齿量增加，成本提高，而且影响齿轮制造精度，降低承载能力[1]，使用寿命也会大大下降。
本章从大型齿轮、大型齿轮轴和大型齿圈的的几何形状、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多影响因素来探讨大型齿轮的变形规律，已达到减少齿轮渗碳淬火变形、提高齿轮的承载能力和使用寿命、缩短制造周期以及降低生产成本的目的。
（a）部分轮齿磨不出来（b）部分轮齿出现磨齿台阶图【4-1】渗碳淬火变形过大导致的磨量不均匀深层渗碳淬火齿轮变形的原因分析本文认为，渗碳应力和淬火应力都是导致大型零件变形的诱发因素，零件的最终热处理变形量是渗碳变形量和淬火变形量的叠加。
1、渗碳变形在渗碳加热前，低碳钢的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%。
当加热至铁碳合金相图（如图【2-1】所示）中的AC1以上温度时，珠光体转变为奥氏体；当加热到900℃时，铁素体全部转变为奥氏体。
当加热到920~940℃渗碳时，零件表面奥氏体区碳浓度增加至0.6~1.2%。
在渗碳出炉冷却时，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℃即开始转化为铁素体，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膨胀过程，而表层奥氏体冷却转变是收缩的过程。
在整个冷却过程中，心部铁素体形成时总是受着表层高碳奥氏体区的压应力。
此外，由于大型齿轮模数大、渗碳时间较长、由自重在径向和轴向上均会产生的较大变形[2]。
2、淬火变形零件淬火时，淬火应力和不均匀相变都将导致严重的不均匀的淬火变形。
渗碳淬火质量缺陷分析
齿轮渗碳后淬火的质量分析摘要：通过对齿轮渗碳淬火后出现质量问题的分析和处理，论述了齿轮淬火产生缺陷的原因，提出了控制淬火过程和合理选用淬火介质应该注意的一些问题。
1 齿轮渗碳淬火常见质量问题（1）淬火后硬度不足、硬度分布不均匀、硬化深度不够；（2）淬火后心部硬度过高；（3）淬火变形超差；（4）淬火开裂；（5）油淬后表面光亮度不够。
这类质量问题的出现往往与齿轮的材质、前处理、淬火加热、渗碳碳势和淬火冷却有关。
在排除材质、前处理和加热渗碳中的问题后，淬火介质及相关技术的作用就特别突出了。
近年来国外对淬火冷却问题的研究证明，它是提高热处理质量最值得注意的问题。
渗碳齿轮淬火常用油作冷却介质。
因此，下面将首先分析齿轮淬火产生质量问题与淬火介质特性和用法的关系，并指出了淬火介质冷却速度的特点。
最后介绍了常用淬火介质的特点和选用时的注意事项。
1.1 硬度不足与硬化层深度不够淬火冷却速度偏低是造成齿轮淬火硬度不足、硬度不均和硬化深度不够的原因，冷却偏低又可以分为高温阶段冷速不足、中低温阶段冷速不足以及低温阶段冷速不足等情况。
如对于中小齿轮，淬火硬度不足往往是中高温阶段冷速不足所致，而模数大的齿轮要求较深淬硬层时，提高低温冷却速度就非常必要了。
对于淬火用油，一般说，油的蒸气膜阶段短、中温冷速快、低温冷却速度快，往往能获得高而且均匀的淬火硬度和足够的淬硬深度。
工件装挂方式对淬火冷却效果也有明显影响。
要使淬火油流动通畅，并配备和使用好搅拌装置，才能得到更好的冷却效果。
提高淬火介质的低温冷却速度，可以增大淬硬层深度。
在渗层碳浓度分布相同的情况下，采用低温冷却速度高的淬火油，往往获得更深的淬火硬化层，因此，采用冷却速度快的淬火油，缩短渗碳时间，也能获得要求的淬硬层深度。
要求的渗碳淬硬层深度越大，这种方法缩短渗碳时间的效果越明显。
1.2 淬火后心部硬度过高这类问题主要与原材料淬透性、所选淬火油冷速过快或其低温冷却速度过高有关。
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。
齿轮渗碳淬火变形原因及控制措施_柳晓鹏
收稿日期:2009-03-01作者简介:柳晓鹏(1981—),男,山东莱阳人,主要从事舰船动力学研究.齿轮渗碳淬火变形原因及控制措施柳晓鹏,雷建波(海军驻重庆舰船动力军事代表室,重庆 400000)摘要:介绍了渗碳淬火齿轮的变形规律,分析了渗碳淬火齿轮变形的原因,提出了减小和控制渗碳淬火齿轮变形的措施,主要可通过采用优化零件结构、完善机加工与热处理工序配合、优化热处理工艺等方法减小零件内部应力,改善热处理变形.关键词:齿轮;热处理;变形;控制中图分类号:F407.61文献标识码:A文章编号:1006-0707(2009)05-0058-03 热处理变形会使齿轮零件前期加工获得的精度受到严重损失,这些损失有时甚至通过复杂、先进的修形技术(磨齿、校直等)也难以恢复.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.较大的变形不仅使磨削量增加、成本提高,而且影响齿轮制造精度,降低承载能力,最终将使寿命大大下降[1].热处理变形主要由零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零件自重变形等共同作用产生.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[2].1 渗碳淬火齿轮变形规律 对大型齿轮质量和寿命影响最大的变形因素来自齿轮外径、公法线长度和螺旋角等.1.1 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.1.2 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、两端略呈胀大趋势.1.3 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胀大.2 渗碳淬火齿轮变形原因2.1 渗碳件变形的实质渗碳的低碳钢,原始相结构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℃时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到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,同时由于自重影响,也会增加变形.2.2 淬火变形的原因零件淬火时,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.此外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.对齿轮和齿轮轴渗碳淬火冷却时各部位的冷却速度、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、心部冷却速度的差别与其组织转变的不同时性是造成齿轮变形的主要原因.因此,减小变形也可以通过提高各环节的均匀性来实现.3 减小和控制渗碳淬火齿轮变形的措施3.1 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20CrMn Mo 、20CrNi 2Mo 、17CrNi Mo 6、42CrMo 、30CrMoA 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.第30卷 第5期四川兵工学报2009年5月2)钢的冶金质量.钢材经过真空脱气处理后,材料纯净度高、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.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.同时,随着钢材淬透性的增加,变形率增大.因而在齿轮选材时,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.此外,马氏体相变点M s对变形的影响是随着Ms点的降低,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含量应尽可能控制在较低的范围内.3)锻件质量.要求合理的锻造流线和锻造比,严格控制锻件利用率,加强锻后热处理控制等措施均能提高锻件质量,从而减小热处理变形.3.2 设计和机加工的预先控制3.2.1 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影响.处理好它们之间的关系,对减少淬火变形大有益处.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,力求在零件上无盲孔、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,从而产生不规则变形.因此,在满足使用性能的条件下,零件设计时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性能.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:①依据材料热处理性能选材,一般选材原则是要以较缓和的冷却方法来达到淬硬零件的目的;②将材料和热处理方法结合起来选材,在使用性能允许的情况下,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;③合理的力学性能要求,设计者除在材料与力学性能之间进行合理搭配外,还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.3.2.2 适当的机加工机加工由于进给量、零件各部位加工余量及加工差异,可导致零件各部位应力性质不同和应力分部不均衡,致使零件在淬火时发生变形.为此应考虑:1)加工方法与变形的关系.在零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,从而使零件的各部位应力分布不均衡,淬火时产生较大变形.反过来,则可通过改变局部加工方法,使该部分残留的应力对减少变形有利,从而达到减少变形的目的.2)加工量与变形.零件各部分加工量不同或人为造成加工量的不同,均会给零件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,对减少淬火变形大有益处.特别是那些形状不对称或带有长槽类零件,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.3.2.3 变形的预补偿对大型齿圈,可针对渗碳淬火后齿顶圆涨大规律,预先车小齿顶圆;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.3.3 热处理工艺操作与变形关系3.3.1 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.3.3.2 渗碳与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.淬火温度对零件的淬火变形影响很大,淬火变形趋势一般规律如图1所示.根据此规律,可以通过调整淬火温度来达到减少变形的目的,或经热处理试验后再根据试验结果合理选择预留机加工量与淬火温度.一般情况下,淬火温度越高则零件变形越大.这是由于增加了零件截面上的温差,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.为此从减少变形出发,应尽量选择淬火下限温度.3.3.3 加热速度当零件内部存在较大的机加工残余应力,而零件截面差别又较大时,升温速度对变形影响更大.零件快速加热会产生较大的热应力,与零件内部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零件在高温状态下产生变形.3.3.4 淬火保温时间保温时间的选择除应保证零件透烧、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,实际上也就相应提高了淬火温度.3.3.5 装炉方法零件在加热时摆放形式不合理,会因零件自重而引起变形,或因零件之间相互挤压产生变形,或因零件堆放过密造成加热及冷却不均而产生变形.因此装炉要均匀,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置的方法,特别地,在某些大型齿圈热处理时,可设计专用的工装夹具对其进行装炉,从而减小变形.3.3.6 渗碳淬火设备选用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%.59柳晓鹏,等:齿轮渗碳淬火变形原因及控制措施3.3.7 淬火介质与设备[3]在保证零件淬火硬度的前提下,一般选用冷却较缓和的介质,同时还要控制好介质的温度.目前常用的淬火介质为普通淬火油,通过添加剂对其进行改性处理后,其冷却性能较好,能满足硬度要求.对于淬火冷却设备,要保证零件淬火时冷却均匀,避免使淬火油温有较大温差,因而要求安装加热装置和搅拌装置.热处理车间两个淬火油槽,旧油槽只有搅拌循环,新油槽既有搅拌循环,又有热交换器循环.通过对比,在保证硬度前提下,热油淬火变形要比冷油淬火变形小.淬火过程中,变形是由于内部残余应力分布不均匀造成的,应力性质与大小受多种因素影响.当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.图1 淬火变形的一般规律4 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.要减小齿轮的变形,其方法可归结为“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.实际上这是不可能完全满足的,所以变形不可避免.到目前为止,大型齿轮的变形控制依然是一个长期的课题,但只要有针对性的采取措施,就可以使变形量尽可能减小.参考文献:[1] 程里,程方.大型渗碳齿轮圈热处理畸变与控制[J ].金属热处理,2005(3):88-91.[2] 陈仁悟,林建生.化学热处理原理[M ].北京:机械工业出版社,1988.[3] Altena H .Influence of Gas and Oil Quenching Parameterson changes in Shape and Dimension of Gear Wheels [J ].HTM .2001(1):1-8.(上接第57页)4 结束语 本文中结合本人的实际工作,提出了基于FPGA 的测试对象整合方法,利用电路板对应电路的模块化设计思想,对于后续的电路板调试奠定了基础.此方法亦可用于类似的工作中,对于简化电路设计,提高工作效率有一定的参考价值.参考文献:[1] 褚振勇,翁木云.FPGA 设计及应用[M ].西安:西安电子科技大学出版社,2002.[2] 宋万杰,罗丰,吴顺君.CPLD 技术及其应用[M ].西安:西安电子科技大学出版社,1999.[3] 王道宪.CPLD /FPGA 可编程逻辑器件应用与开发[M ].北京:国防工业出版社,2004.60四川兵工学报。
机车从动齿轮渗碳淬火变形问题的分析与预防
机车从动齿轮渗碳淬火变形问题的分析与预防摘要齿圈类机车从动齿轮，因为尺寸较大的薄板形结构，渗碳淬火后不可避免地要发生变形。
这样既影响从动齿轮的精度，也严重影响齿轮的使用性能。
本文从材料、热处理等影响齿轮热处理变形的几个主要因素入手，分析其产生的原因，并通过适当的选材以及热处理工序等相应措施，减少齿轮热处理变形，从而提高齿轮加工精度。
关键词齿轮热处理变形因素变形控制1 前言目前，在铁路跨越式发展理念的引导下，各个主机厂都以“客运高速、货运重载”为目标，应用新材料、研究新工艺、开发新产品。
牵引从动齿轮是机车驱动装置上的关键零部件，它的好坏直接影响到机车是否能够高速重载。
由于大功率机车从动齿轮因为尺寸较大，渗碳淬火后易产生变形，已经成为制约产品质量和使用性能的瓶颈，所以对机车从动齿轮渗碳淬火的研究有重要的现实意义。
2 齿轮热处理变形的影响因素2.1齿轮材料对齿轮变形的影响由于同一牌号的钢材，其淬透性曲线会在一定范围内变化，导致了淬透性带宽的不同，渗碳淬火后的组织就会出现差异，变形也就不一样，如果淬透性带宽过宽，必然会导致齿轮热处理变形无规律。
实验表明，钢的淬透性越高，热处理后齿轮的变形就越大。
当心部硬度高于HRC40时，变形就会明显增大。
目前，使用与从动齿轮强度相匹配的窄淬透性带宽的渗碳钢已经成为齿轮行业选材的共识。
2.2 预备热处理对齿轮变形的影响齿轮预备热处理组织的均匀性和稳定性对齿轮最终热处理变形的影响很大，因为齿轮各部分的原始组织不同，其比热就不同，在热处理过程中产生的尺寸变化也就不同。
齿轮经高温锻造后，由于其组织粗大不利于随后的渗碳处理，所以一般高温锻造后的齿轮需要经过正火处理，以达到细化晶粒和改善显微组织的目的。
但是，往往正火硬度过高，出现大量索氏体或魏氏体组织，它们的存在都会使内孔变形增大，所以必须引起足够的重视。
2.3 渗碳工艺对齿轮的影响2.3.1 温度的均匀性对齿轮的影响温度的均匀性是造成热处理变形的因素之一。
浅析渗碳淬火齿轮的变形与控制
分 的均匀 性不是 很好 ，淬火后 应力 不 均 ，变 形无 规 艺 ，是 减小 与 防止 零 件热 处理变形 的有效 措施 。正 律 。现 国 内 一 般 要 求 将 淬 透 性 带 宽 控 制 在 ≤ 火 的质 量要 求 ，主要 是针 对硬度 与组 织 。普通 正火 ｌ ＨＲ ｌ Ｃ，国外 高标 准要 求 为 ３ Ｃ 国 内钢材 质量 工艺 ，有些 难 以克服 的不 足 ，如带 状 组织 和混 晶组 ＨＲ 。 近年来 虽 提高很 快 ，但 在 “ 三性 ” 的控 制方 面与 国 织难 以消 除 ；受设 备炉 温 均匀性 和生 产方式 、装 护 外先进 水平 差距 还 较大 ，成 分 的波 动 范 围 也较 宽 ， 方式 、能耗 等的 限制 ，工件 的硬度 也很 难均 匀 ；对 对渗 碳淬 火变形 的控制 难度 自然更 大 ，因此提 高齿 于某些 材料 ，由于冷却 速度 难以控 制 ，正火后 还会
脆性 断裂 。
可见 优化锻 造工艺 ，对改 善材料 的组织 、减小
４ 正 火 工 艺 的 影 响 与 控 制 ．
淬 火后 不仅变 形更 大 ，而且 在使 用过 程 中容易产 生 渗碳 淬火 后变形 十分重要 。 淬透 性带 的宽 度越 窄越好 。带宽太 大 ，说 明成 正 火是 渗 碳 之 前 的 一 种 常 规 的 预 先 热 处 理 工
控 制 在 ≤ ２ ０级 。 ， ２ 零 件 设 计 的 影 响 与 控 ｛ ． 目 Ｉ
为 了减 少 变 形 ，零 件 设计 时 应尽 量避 免 尖 角 、 薄 壁 、台阶 等结 构 。对 零 件 中那 些 不 可 缺少 的孔 、
均匀性 包 括 成 分 、组 织 和 缺 陷分 布的 均 匀性 。 槽 、筋等要 素 ，则应 力求 分布 对称 与均匀 。在 截面
齿轮渗碳淬火变形原因及控制措施研究
齿轮渗碳淬火变形原因及控制措施研究摘要：齿轮零件在前期加工期间若是遭受到热处理变形作用，将会导致其获取的精度遭受到严重的影响，一旦出现变形即使是使用校直及磨齿等先进的修形技术也难以达到恢复的效果。
尤其是齿轮在遭受到渗碳淬火之后会出现变形情况，具有较大的变形量，该种变形无法通过控制来实现，并且变形过大，也会增加磨削成本及磨削量，对齿轮制造精度会造成极大的影响，承载能力显著降低，寿命也会随之而下降。
本文着重分析齿轮渗碳淬火变形原因，并提出合理化的变形控制措施。
关键词：齿轮渗碳淬火；变形原因；控制措施前言：在制造硬齿面汽车齿轮期间，目前所使用的主流工艺是渗碳淬火，但是在使用之后不得不面对的问题便是出现变形情况，会对齿轮的加工质量造成极大的影响。
有相关的研究报告显示，之所以会导致碳淬火齿轮出现变形，与锻造质量、原材料质量、齿轮的结构设计、毛坯预备热处理有直接关系，并且以上几种因素之间彼此也会出现相互影响的情况，进而增加了上述因素的控制难度。
现如今，在汽车齿轮制造中控制变形量已经成为一项需要解决的重难点问题。
一、齿轮渗碳淬火变形原因（一）渗碳件变形原因渗碳低碳钢，经过对原始相结构进行分析可知，由少量珠光体组织及铁素体共同来构成，经过对整个体积的占比情况进行了解可知，铁素体量的占比高达80%，当加温到AC1以上温度之后，珠光体会向奥氏体进行转变。
当温度为900℃时，铁素体会向奥氏体进行转变。
当渗碳的温度为920℃-940℃时，零件表面的奥氏体区碳浓度的升高度为0.6%-1.2%，碳浓度比较高的奥氏体区碳浓度会增加至0.6%-1.2%，当奥氏体的温度冷却到600-650℃时，会向索氏体及珠光体进行转变[1]。
当低碳奥氏体处于心部区时，若是在900℃的高温下会将其转变为铁素体，当冷却到550℃时，会全部转变完成。
比容增大的过程是心部奥氏体向铁素体进行转变的过程，而通过对表层奥氏体冷却情况进行探究可知，可将热缩量增加变化的整个过程呈现出来，在冷却期间，在生成心部铁素体时，会遭受到表层高碳奥氏体区的压力影响[2]。
渗碳齿轮带内花键变形控制方式讨论
20Cr2Ni4钢为高强度合金渗碳钢，有良好的综合力学性能，其淬透性、强韧性均超过12CrMi3钢。
该钢锻造性能良好，锻造加热温度为1200℃，始锻温度1150℃，终锻温度大于850℃，锻后缓冷。
20Cr2Ni4钢如在锻后出现晶粒粗大时，即使经正火及随后渗碳加热，在淬火后仍将得到粗大的马氏体组织。
用途用作强度要求较高的渗碳及调质结构件。
常用于制造中小型汽车、拖拉机的发动机和传动系统中的齿轮，也可代替12CrNi3钢制造要求心部性能较高的渗碳件、氰化件，如石油钻探和冶金露天矿用的牙爪和牙轮体。
物理性能化学成份碳 C ：0.17～0.23硅Si：0.17～0.37锰Mn：0.30～0.60硫S ：允许残余含量≤0.035磷P ：允许残余含量≤0.035铬Cr：1.25～1.65镍Ni：3.25～3.65铜Cu：允许残余含量≤0.030力学性能抗拉强度σb (MPa)：≥1175(120)屈服强度σs (MPa)：≥1080(110)伸长率δ5 (％)：≥10断面收缩率ψ (％)：≥45冲击功Akv (J)：≥63冲击韧性值αkv (J/cm2)：≥78(8)硬度：≤269HB试样尺寸：试样毛坯尺寸为15mm热处理规范及金相组织热处理规范：淬火:第一次880℃,第二次780℃,油冷;回火200℃,水冷、空冷。
热处理工艺：20Cr2Ni4钢相变点为：Ac1 720℃、Ac3 780℃、Ar1 575℃、Ar3 660℃、Ms 305℃。
渗碳齿轮的热处理变形热处理变形直接影响到齿轮的精度、强度、噪声和寿命，即使在渗碳热处理后加上磨齿工序，变形仍然要降低齿轮的精度等级。
影响渗碳热处理变形的因素较多，只有控制各方面的因素才能将变形控制到较小程度。
控制齿轮变形也必须在制造齿轮的全过程中设法去解决。
(1)齿轮材料冶金因素对变形的影响试验表明，钢的淬透性越高．变形越大。
当心部硬度高于40HRC时，变形会明显增大。
因此，对钢的淬透性带有一定的要求，淬透性带越窄．则变形越稳定，要钢厂提供“低、稳变形”钢材。
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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。