金屬小齒輪熱處理變形與質(zhì)量控制

李蔭現(xiàn)，周智慧

（江蘇飛船股份有限公司，江蘇 泰州 225300）

機(jī)械化是現(xiàn)代社會快速發(fā)展的重要特征之一，金屬小齒輪是機(jī)械化傳動系統(tǒng)的重要部件，對改善人類生活方式、提升社會生產(chǎn)效率具有不可替代的作用[1]。因此，機(jī)械設(shè)備中金屬齒輪質(zhì)量是保障社會生產(chǎn)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的基本條件，生產(chǎn)合格、高質(zhì)量的齒輪意義重大[2]。但是，在金屬小齒輪的加工過程中，各方面因素均可能造成齒輪變形，影響其使用價值的正常發(fā)揮。金屬小齒輪熱處理是齒輪生產(chǎn)后期的重要環(huán)節(jié)，采用差異性溫度進(jìn)行回火處理，用以大幅改善齒輪鋼的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度等性能，是符合不同使用功能的齒輪生產(chǎn)工藝，滿足社會各領(lǐng)域機(jī)械零件的需求?；诓僮鞑襟E與工藝的復(fù)雜性，在熱處理過后，金屬小齒輪極易產(chǎn)生形變現(xiàn)象，影響了齒輪質(zhì)量的提升[3]。熱處理變形嚴(yán)重影響齒輪零件前期加工獲得的精度，即使采用復(fù)雜、先進(jìn)的修形技術(shù)也難以恢復(fù)其精確度。若齒輪形變量較大，不僅提升削磨削量、增加資金投入，同時影響齒輪承載能力，縮短使用壽命。

金屬小齒輪在熱處理后發(fā)生形變的主要原因是熱處理環(huán)節(jié)本身原因，即淬火參數(shù)設(shè)置，包括淬火溫度、淬火介質(zhì)溫度等；此外，金屬材料選取、機(jī)械加工等步驟均對后期金屬小齒輪熱處理形變產(chǎn)生影響[4]。為此，本文從金屬小齒輪材料、淬火參數(shù)設(shè)置、齒輪機(jī)械加工等方面分析熱處理變形產(chǎn)生的原因，深入探究各因素對金屬小齒輪形變的影響機(jī)制，進(jìn)而提出控制齒輪質(zhì)量的措施，提升齒輪精度、延長使用生命周期。

1 金屬小齒輪熱處理過程中產(chǎn)生變形的原因

1.1 材料的選擇

保障金屬小齒輪質(zhì)量、減少熱處理中的形變量，選取合格的材料是關(guān)鍵。純凈性、均勻性、淬透性是金屬小齒輪原材料選取的主要指標(biāo)依據(jù)，是直接影響其變形的主要材料因素。在符合標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)計要求的前提下，鋼中雜質(zhì)含量比重即為齒輪鋼材料的純凈性；成分、組織和缺陷分布的均勻性統(tǒng)稱為材料的均勻性；淬透性是指在預(yù)設(shè)環(huán)境中基于試樣淬透層深度和硬度的排列情況描述材料特征，材料的臨界淬火冷速的快慢決定淬透性大小[5]?；瘜W(xué)成分排列不均勻產(chǎn)生偏析，淬火后偏析部分的組織和應(yīng)力與別處存在差異，由此產(chǎn)生形變。其中，帶狀組織是組織不均勻的一種表現(xiàn)，易于增加齒輪的形變量。

淬透性值分布帶的寬窄是描述淬透性性能的重要方面。一般情況下，淬透性值J9 處大小十分重要，J9 表示距端部9mm 的硬度，該位置淬透性值取值在28HRC 以上、42HRC 以下為合理值；若J9 在42HRC 以上，導(dǎo)致淬火后的材料產(chǎn)生大幅度形變，且容易發(fā)生脆性斷裂。所以，淬透性帶的寬度越窄越好。

1.2 金屬小齒輪熱處理的參數(shù)控制

金屬齒輪在熱處理淬火工藝過程中產(chǎn)生變形的原因如下：齒輪構(gòu)件淬火期間，淬火應(yīng)力越大、相變均勻程度越差，同時比容差與淬火變形程度成正比。鋼的屈服強(qiáng)度也會影響齒輪淬火變形量，齒輪塑性變形抗力與變形程度成反比。研究火冷卻期間不同部位的參量值，如冷卻速度、組織、硬度狀態(tài)等因素，得知金屬小齒輪由上至下各部位冷卻速度有所不同，齒輪表面、過渡區(qū)、內(nèi)部冷卻速度的差異性導(dǎo)致齒輪產(chǎn)生變形現(xiàn)象。根據(jù)該原理，改善不同環(huán)節(jié)均勻度縮小齒輪熱處理變形可行性較強(qiáng)。

1.2.1 淬火溫度影響金屬小齒輪變形程度的機(jī)理研究

齒輪淬火加熱處理過程中的溫度簡稱“淬火溫度”，即齒輪在淬火工藝前溫度升高至大于奧氏體轉(zhuǎn)變溫度點的溫度上限值，齒輪冷卻的溫度也是該溫度值。淬火溫度應(yīng)結(jié)合材料屬性差異、齒輪大小、形狀等因素適當(dāng)調(diào)整淬火溫度，以實現(xiàn)齒輪淬火的良好組織性能。淬火溫度值可參考正常標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)置：亞共析鋼淬火溫度超過AC3，共析鋼與過共析鋼淬火溫度取值一致，超過AC3。

齒輪淬火溫度必須適中才能塑造齒輪良好的性能，詳細(xì)分析齒輪淬火溫度過高與過低是產(chǎn)生的不良影響：①淬火溫度過高：齒輪的鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變，此時奧氏體在高溫作用下其晶粒開始生長變大，所以當(dāng)淬火冷卻作用后，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體后，馬氏體組織呈現(xiàn)粗大狀態(tài)，大幅增加齒輪淬火后的脆性，在外力作用下容易變形。②淬火溫度過低：淬火溫度不足導(dǎo)致鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變量不完全，部分鐵素體轉(zhuǎn)變不成功，所以當(dāng)溫度降低時，沒有轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的鐵素體遺留下來，并且殘留一定量的奧氏體。那么淬火后的齒輪中含有一部分鐵素體與奧氏體，它們的優(yōu)點是塑性與韌性優(yōu)良，但是強(qiáng)度與硬度嚴(yán)重不足[6]，此時淬火后的齒輪硬度和強(qiáng)度不符合標(biāo)準(zhǔn)，極易發(fā)生變形。

1.2.2 金屬小齒輪的變形量分析測試

為驗證淬火溫度對金屬小齒輪淬火變形程度的影響，進(jìn)行實驗研究。通過采集金屬小齒輪淬火加工過程相關(guān)數(shù)據(jù)，分析不同淬火溫度下金屬小齒輪變形量，探究淬火溫度與齒輪變形之間的關(guān)系。計算淬火溫度由880℃降低至820℃期間齒輪的外部、中部以及內(nèi)部形變率均值，如表1 所示。

表1 淬火溫度對金屬小齒輪變形率均值的影響

由表1 可知，在其他條件不發(fā)生變化的情況下，淬火溫度由880℃降低至820℃期間，金屬小齒輪三個部位的變形率均值均總體呈現(xiàn)先降低、后增加的趨勢，淬火溫度自880℃降低至840℃期間變形率降低，淬火溫度自840℃降低至820℃期間，變形率均值呈現(xiàn)回升趨勢。由此得知，淬火溫度約為840℃，金屬小齒輪熱處理的形變量最小，在此溫度值時控制齒輪變形量相對容易。

1.2.3 對金屬小齒輪性能機(jī)理產(chǎn)生影響因素

齒輪淬火介質(zhì)主要為液態(tài)油，安全性能、冷卻速率、熱處理后齒輪的組織性能是確定齒輪淬火油溫的重要參考依據(jù)，經(jīng)過上述因素的考慮，以保障金屬小齒輪淬火熱處理后變形量最小是主要生產(chǎn)目標(biāo)。將淬火溫度控制在閃電以下50℃是保障安全生產(chǎn)的前提條件，這樣不易發(fā)生火災(zāi)等事故。小幅度升高淬火油溫度對冷卻速度影響較小，但對于降低淬火過程中心部和表層的溫差效果顯著，金屬小齒輪冷卻均勻度主要取決于心部與表層的溫度差，溫度差值越大、冷卻越不均勻。

淬火內(nèi)外溫差大導(dǎo)致組織轉(zhuǎn)變不同步，冷卻過程中，表面冷卻速度始終在心部冷卻速度以上，表面溫度首先降到Ms 點，此時心部溫度仍然較高溫，表面向馬氏體轉(zhuǎn)變的速度同樣較快；當(dāng)金屬小齒輪心部溫度降至小于Ms 點時，心部剛剛開始發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，但其四周形成的馬氏體脆性較強(qiáng)，使齒輪內(nèi)部馬氏體膨脹受阻，淬火完成后，金屬小齒輪產(chǎn)生較大殘余組織應(yīng)力，熱應(yīng)力與組織應(yīng)力共同作用導(dǎo)致材料產(chǎn)生變形。由此可知，提高淬火油溫、降低內(nèi)部與外部的溫度差值是有效降低金屬小齒輪零件變形的方法。

1.2.4 金屬小齒輪淬火溫度冷卻分析測試

基于淬火溫度影響金屬小齒輪材料組織性能的分析得到：合理增加淬火溫度對于提升金屬小齒輪淬火后的力學(xué)性能具有積極作用，同時對于降低變形量具有顯著影響。根據(jù)該原理，將金屬小齒輪淬火溫度設(shè)為840℃保持不變，同時設(shè)置不同淬火油溫分別為45℃、65℃、80℃，測試溫度冷卻過程中金屬小齒輪內(nèi)外部溫差變化，探究熱處理形變情況。圖1 ～圖3 描述了45℃、65℃、80℃三種淬火溫度下金屬小齒輪內(nèi)部與外部溫度變化。

圖1 淬火油溫為45℃

圖2 淬火油溫為65℃

圖3 淬火油溫為80℃

結(jié)合圖1 ～圖3 可知，改變淬火溫度時，金屬小齒輪外部與內(nèi)溫差值逐漸降低，當(dāng)淬火溫度升至80℃時齒輪內(nèi)部外部的溫差與65℃持平，甚至超過65℃時的溫度值，由此可知，當(dāng)淬火溫度達(dá)到80℃時，通過升高淬火溫度減小金屬小齒輪內(nèi)外溫差的效果不顯著。

1.3 機(jī)械加工水平

金屬小齒輪進(jìn)行熱處理加工前需進(jìn)行機(jī)械加工處理，機(jī)械加工過程處理不當(dāng)容易引起熱處理變形。加工刀具損壞直接導(dǎo)致表面拉花出口不正、工件變形。此外，鍛造對熱處理形變的影響同樣嚴(yán)重，金屬小齒輪構(gòu)件性能的提升可通過鍛造工藝實現(xiàn)，鍛造具有優(yōu)化材料組織的功能，清除材料個別缺陷，令材料質(zhì)地分布更加勻[7]。反之，不恰當(dāng)?shù)氖褂缅懺旃に噭t形成過熱組織，嚴(yán)重者導(dǎo)致裂紋、殘留應(yīng)力等破壞現(xiàn)象產(chǎn)生，對金屬小齒輪淬火形變產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。若鍛造金屬流線不對稱，則鍛后冷卻不均勻?qū)е慢X輪熱處理產(chǎn)生變形。

2 生產(chǎn)質(zhì)量控制建議

針對淬火熱處理產(chǎn)生形變的原因，設(shè)計控制金屬小齒輪變形的方法。

2.1 材料選擇

材料淬透性對熱處理變形的影響機(jī)理表現(xiàn)為：淬透性帶寬與齒輪變形量成正比。因此，要合理控制齒輪加工材料的淬透性，獲取最佳的金屬小齒輪加工材料參數(shù)。還應(yīng)嚴(yán)格控制齒輪材料中晶粒度尺寸，晶粒度與金屬小齒輪形變量成正比，所以齒輪選材在淬透性合理的情況下盡量做到晶粒度合理即可。

2.2 淬火控制

根據(jù)淬火溫度對變形量的影響測試、淬火溫度冷卻測試結(jié)果可知：淬火溫度約為840℃，金屬小齒輪熱處理的形變量最小，在此溫度值時控制金屬小齒輪變形量相對容易；且淬火內(nèi)外溫差大導(dǎo)致材料產(chǎn)生變形，淬火溫度達(dá)到80℃時，通過升高淬火溫度減小齒輪內(nèi)外溫差的效果不顯著，淬火溫度控制在80℃左右。此外，可在淬火中增加添加劑增加金屬小齒輪硬度。

2.3 改善機(jī)械加工水平量

在機(jī)械加工階段可通過反變形法改善金屬小齒輪熱處理質(zhì)量。通過二次加工與熱處理的方式解決其厚度與形狀不均勻、不對稱的問題，在熱處理前科學(xué)調(diào)整齒輪尺寸，令齒輪變形量處于合理值。

金屬小齒輪鍛造時，需保障鍛造金屬流線沿齒輪毛坯外部對稱排列，而縱剖面流線排列成封閉狀態(tài)，易于形成良好的熱處理變形規(guī)律，防止齒輪過度變形[8]。為滿足高速重載條件的齒輪制造要求，鍛比應(yīng)不小于5。通過上述改革加強(qiáng)鍛后熱處理控制，改善金屬小齒輪鍛件質(zhì)量、減小熱處理變形。

3 結(jié)論

金屬小齒輪熱處理產(chǎn)生變形不僅僅取決于熱處理過程參數(shù)的設(shè)置，還受到材料、機(jī)械加工水平等因素的影響，本文重點研究了金屬小齒輪淬火熱處理過程中淬火溫度、淬火介質(zhì)溫度對齒輪變形的影響機(jī)制，得到以下結(jié)果：①淬火溫度約為840℃，金屬小齒輪熱處理的形變量最小，在此溫度值時控制金屬小齒輪變形量難度較低；②當(dāng)齒輪淬火溫度達(dá)到80℃時，通過升高淬火溫度減小內(nèi)外溫差的效果不顯著。