齒輪滲碳淬火熱處理變形的分析與改進

張宇

摘 要：在現代機械組合中齒輪是最常見、應用最多的零件之一，輪船、飛機、汽車、起重機等幾乎所有的機械中都有齒輪的存在，足見其作用和用量之大。在機械使用過程中時有齒輪失效情況的發生，主要包含輪齒疲勞折斷與齒面疲勞損傷等問題。現階段制造生產齒輪的過程中，進行滲碳淬火熱處理仍然是主流工藝，不過該方式存在一個較大的弊端，即為齒輪滲碳淬火熱處理后的變形問題，該弊端大大降低了齒輪的質量。

關鍵詞：齒輪；滲碳處理；淬火處理、熱處理變形；改進措施

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.11.050

加工過程中對齒輪進行合理的熱處理有利于增強其承載能力并提升其使用壽命，熱處理應用較多的方式為滲碳淬火，該方法能有效提升齒輪的性能，不過該方式工序較為復雜，時常會因某些因素而導致齒輪出現變形等現象。影響熱處理變形的原因有很多，例如齒輪的結構、材料、鍛造質量、預備熱處理質量等等，而且這些因素還相互影響，很難控制，筆者對齒輪滲碳淬火熱處理變形現象做了細致合理的分析，并針對其處理工藝等情況擬定了有效改善措施。

1 齒輪參數及熱處理工藝

1.1 齒輪參數

本文所選齒輪材質：20CrMnTiH，具體參數為：模數=1.191mm、左旋25°、公法線=16.44（-0.05，0）mm、齒頂圓直徑Φ=39.831（-0.1，0）mm、內徑Φ=16（0，+0.018）mm。該齒輪是對稱中空結構，且內徑、外徑較大，無腹板支撐，壁厚相對薄，對其進行熱處理較易發生變形。

1.2 齒輪熱處理工藝

該齒輪熱處理工藝分別通過長度15米的滲碳淬火爐與長度8米的回火爐進行，具體工藝流程為：將齒輪放入滲碳爐中，經三小時由室溫勻速升至（920±5）℃，之后恒溫滲碳三小時，滲碳結束后經四十分鐘勻速降溫至（860±5）℃，之后恒溫淬火五十分鐘，其中淬火液需為80℃，之后對其進行為期2小時、溫度為（160±5）℃的低溫回火，原有工藝中齒輪進行滲碳時為四只齒輪分別平放。

1.3 分析齒輪滲碳淬火熱處理形變

測量通過原有工藝進行滲碳處理后的四只齒輪0°和180°上下4個值，發現齒輪的外徑及公法線發生了一定的脹大，其中有兩只齒輪還出現了橢圓畸變；再經過后續的淬火工序后，齒輪的外徑及公法線出現了明顯的縮小現象，經過這兩個脹大、縮小的過程后，齒輪不可避免的出現了變形，四只齒輪中端面跳動最嚴重的達到了1.9mm。雖然該批齒輪的公法線變形不嚴重，但是端面扭曲仍給機加工步驟造成了不小的麻煩，其中一只齒輪在磨齒后仍然有較多的氧化皮，只能對其做報廢處理。且原有工藝中所有齒輪各自平放，大大影響滲碳過程氣體流通的均勻程度，致使四只齒輪滲碳層出現厚度不均現象。經上述內容分析可知，齒輪滲碳淬火熱處理變形含脹縮度改變、錐度變化、橢圓度改變及齒面扭曲這四種情況。

2 齒輪滲碳淬火熱處理工藝改進

2.1 改進齒輪入爐方式及擺放方法

更改齒輪進入滲碳爐的裝爐方式，改為斜靠疊放，傾斜角度為45°，該改良方式能有效避免齒輪因其自重發生的高溫蠕變；并在齒輪上方加蓋隔板，這樣能對齒輪出爐時起到保溫作用，且能避免其直接接觸冷空氣。待齒輪滲碳后，淬火時將齒輪上下端面進行反置，雖然淬火時齒輪出現高溫蠕變是必然現象，但是反置齒輪能在一定程度上抵消滲碳造成的錐度。

2.2 分析齒輪入爐方式及擺放方法改進后的形變情況

經改進擺放方法后，對齒輪的外徑及公法線進行測量發現變化有所減小，能明顯發現其滲碳墩粗效應有所緩解，但基于爐膛內溫度不穩定情況及高溫蠕變現象，兩只齒輪產生了一些錐變，在淬火過程將齒輪進行反置后，其錐變現象得到了有效消除，改進工藝后生產的四只齒輪中端面跳動現象最嚴重的為0.7mm，淬火后仍有兩只齒輪公法線超差，經由控制磨齒工序精磨余量后沒有殘留黑色氧化皮。且齒輪的滲碳厚度及硬度均符合要求，可見改變齒輪的擺放方法能有效改善齒輪的滲碳情況。

2.3 改善齒輪鍛坯質量

齒輪在鍛造過程中極易出現硬度差異較大、質量不平衡等問題，會大大提高之后加工工序的難度，且熱處理變形及加工精度難以控制。針對此種現象，在下料時一定要提前對材料的晶粒度、夾雜物及化學成分進行系統檢查。不同材料、不同爐號的同種材料經滲碳淬火后的變形是不同的，淬透性寬度波動越小越便于控制其熱處理的變形。絕大部分齒輪運用的是正火處理，正火組織具有細小、勻稱、等優點，有助于控制齒輪熱處理的變形。

2.4 對齒坯進行預備熱處理

對齒坯進行預備熱處理是十分有必要的步驟，第一，該步驟能有效降低鍛造應力，避免切齒出現的重新分布應力而產生的變形問題；第二，該步驟能顯著均勻細化不良組織。需要注意的是一定要確保預備熱處理的有效性，否則極易破壞其切削性能和加工精度，可見做好齒坯預備熱處理能有效改善齒輪變形。

3 結束語

綜上所述，在齒輪的加工過程中各種因素都會對齒輪變形造成一定的影響，在不同的條件下，這些因素的主次關系并不相同，因此，對預防熱處理變形這一課題驚醒思考時，必須根據具體情況加以考慮、分析，并需要反復加以實踐探究才能找到一定的規律。經過上述改進方式后有效改善了齒輪滲碳淬火熱處理形變引發的報廢問題，有效降低了成本，效果相對來講較為滿意，具備一定的經濟效益。

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