齿轮真空渗碳热处理变形控制探析.pdf
张宇
摘 要：在现代机械组合中齿轮是最常见、应用最多的零件之一，轮船、飞机、汽车、起重机等几乎所有的机械中都有齿轮的存在，足见其作用和用量之大。在机械使用过程中时有齿轮失效情况的发生，主要包含轮齿疲劳折断与齿面疲劳损伤等问题。现阶段制造生产齿轮的过程中，进行渗碳淬火热处理仍然是主流工艺，不过该方式存在一个较大的弊端，即为齿轮渗碳淬火热处理后的变形问题，该弊端大大降低了齿轮的质量。
关键词：齿轮；渗碳处理；淬火处理、热处理变形；改进措施
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.11.050
加工过程中对齿轮进行合理的热处理有利于增强其承载能力并提升其使用寿命，热处理应用较多的方式为渗碳淬火，该方法能有效提升齿轮的性能，不过该方式工序较为复杂，时常会因某些因素而导致齿轮出现变形等现象。影响热处理变形的原因有很多，例如齿轮的结构、材料、锻造质量、预备热处理质量等等，而且这些因素还相互影响，很难控制，笔者对齿轮渗碳淬火热处理变形现象做了细致合理的分析，并针对其处理工艺等情况拟定了有效改善措施。
1 齿轮参数及热处理工艺
1.1 齿轮参数
本文所选齿轮材质：20CrMnTiH，具体参数为：模数=1.191mm、左旋25°、公法线=16.44（-0.05，0）mm、齿顶圆直径Φ=39.831（-0.1，0）mm、内径Φ=16（0，+0.018）mm。该齿轮是对称中空结构，且内径、外径较大，无腹板支撑，壁厚相对薄，对其进行热处理较易发生变形。
1.2 齿轮热处理工艺
该齿轮热处理工艺分别通过长度15米的渗碳淬火炉与长度8米的回火炉进行，具体工艺流程为：将齿轮放入渗碳炉中，经三小时由室温匀速升至（920±5）℃，之后恒温渗碳三小时，渗碳结束后经四十分钟匀速降温至（860±5）℃，之后恒温淬火五十分钟，其中淬火液需为80℃，之后对其进行为期2小时、温度为（160±5）℃的低温回火，原有工艺中齿轮进行渗碳时为四只齿轮分别平放。
1.3 分析齿轮渗碳淬火热处理形变
测量通过原有工艺进行渗碳处理后的四只齿轮0°和180°上下4个值，发现齿轮的外径及公法线发生了一定的胀大，其中有两只齿轮还出现了椭圆畸变；再经过后续的淬火工序后，齿轮的外径及公法线出现了明显的缩小现象，经过这两个胀大、缩小的过程后，齿轮不可避免的出现了变形，四只齿轮中端面跳动最严重的达到了1.9mm。虽然该批齿轮的公法线变形不严重，但是端面扭曲仍给机加工步骤造成了不小的麻烦，其中一只齿轮在磨齿后仍然有较多的氧化皮，只能对其做报废处理。且原有工艺中所有齿轮各自平放，大大影响渗碳过程气体流通的均匀程度，致使四只齿轮渗碳层出现厚度不均现象。经上述内容分析可知，齿轮渗碳淬火热处理变形含胀缩度改变、锥度变化、椭圆度改变及齿面扭曲这四种情况。
2 齿轮渗碳淬火热处理工艺改进
2.1 改进齿轮入炉方式及摆放方法
更改齿轮进入渗碳炉的装炉方式，改为斜靠叠放，倾斜角度为45°，该改良方式能有效避免齿轮因其自重发生的高温蠕变；并在齿轮上方加盖隔板，这样能对齿轮出炉时起到保温作用，且能避免其直接接触冷空气。待齿轮渗碳后，淬火时将齿轮上下端面进行反置，虽然淬火时齿轮出现高温蠕变是必然现象，但是反置齿轮能在一定程度上抵消渗碳造成的锥度。
2.2 分析齿轮入炉方式及摆放方法改进后的形变情况
经改进摆放方法后，对齿轮的外径及公法线进行测量发现变化有所减小，能明显发现其渗碳墩粗效应有所缓解，但基于炉膛内温度不稳定情况及高温蠕变现象，两只齿轮产生了一些锥变，在淬火过程将齿轮进行反置后，其锥变现象得到了有效消除，改进工艺后生产的四只齿轮中端面跳动现象最严重的为0.7mm，淬火后仍有两只齿轮公法线超差，经由控制磨齿工序精磨余量后没有残留黑色氧化皮。且齿轮的渗碳厚度及硬度均符合要求，可见改变齿轮的摆放方法能有效改善齿轮的渗碳情况。
2.3 改善齿轮锻坯质量
齿轮在锻造过程中极易出现硬度差异较大、质量不平衡等问题，会大大提高之后加工工序的难度，且热处理变形及加工精度难以控制。针对此种现象，在下料时一定要提前对材料的晶粒度、夹杂物及化学成分进行系统检查。不同材料、不同炉号的同种材料经渗碳淬火后的变形是不同的，淬透性宽度波动越小越便于控制其热处理的变形。绝大部分齿轮运用的是正火处理，正火组织具有细小、匀称、等优点，有助于控制齿轮热处理的变形。
2.4 对齿坯进行预备热处理
对齿坯进行预备热处理是十分有必要的步骤，第一，该步骤能有效降低锻造应力，避免切齿出现的重新分布应力而产生的变形问题；第二，该步骤能显著均匀细化不良组织。需要注意的是一定要确保预备热处理的有效性，否则极易破坏其切削性能和加工精度，可见做好齿坯预备热处理能有效改善齿轮变形。
3 结束语
综上所述，在齿轮的加工过程中各种因素都会对齿轮变形造成一定的影响，在不同的条件下，这些因素的主次关系并不相同，因此，对预防热处理变形这一课题惊醒思考时，必须根据具体情况加以考虑、分析，并需要反复加以实践探究才能找到一定的规律。经过上述改进方式后有效改善了齿轮渗碳淬火热处理形变引发的报废问题，有效降低了成本，效果相对来讲较为满意，具备一定的经济效益。
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