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

李荫现,左彪

江苏飞船股份有限公司，江苏省泰州市，225516

 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]。另外，大型汽车齿轮由于本身的渗层要求比较深，并且齿轮模数比较大，有着较长的渗碳时间，与此同时也会遭受到自重的影响，导致变形随之而增加。

（二）淬火变形原因

    当零件进行淬火之后，淬火的应力直接关系到相变是否均匀，应力越大，则说明相变越不均匀。而比容差越大，则说明将会出现较大的淬火变形情况。另外，引发淬火出现变形的原因还与钢的屈服强度有比较直接的关系，若是有着比较大的塑性变形，所产生的变形程度也会很小[3]。经过对齿轮轴及齿轮渗碳淬火，经过对冷却组织、冷却速度及硬度状态进行分析，能够明确的观察到上中下不同部位处冷却速度之间存在的差异，心部冷却速度、过渡区冷却速度、表面冷却速度的差别，是导致齿轮出现变形的主要原因。因此，能够使各环节的均匀性得以显著提升，减小变形极为关键。

二、齿轮渗碳淬火变形控制措施

（一）改变装炉方式

齿轮热处理时，可以齿轮的变形趋势为依据，结合齿轮热处理的变形规律，对装炉方法进行合理设计。可采用重叠装炉的方式对盘形圆柱齿轮进行装炉，使用等高垫圈对上、下齿轮进行均布分隔处理，并合理分布等高垫圈处的支承点，需要在同一垂直线上放置每个等高垫圈。若锥齿轮的直径＜350mm，使用悬挂装炉的方式对薄盘类齿轮进行装炉，相比于平放装炉方式齿轮变形量会更小。对于齿轮轴，可运用轴颈台阶的方式将齿轮轴放置到轴套上，并保证齿轮轴能够保持一种垂直的状态。将薄铁片垫在齿轮与等高垫圈或吊具不平之处，不可使用标准垫片及斜楔[4]。对于一些重叠装炉的齿轮，需要将上下左右的间距控制在≥50mm，确保在渗碳时温度与气流能够处于一种均匀的状态中，当淬火在冷却之时，可以保证淬火介质冷却的均匀及流动更为畅通。需要对齿圈进行重叠装炉，使用等高块隔开。在对单件装炉进行淬火时，若是需要装二件，应使用分二层的方式进行单独装夹，不可重叠进行装炉。

（二）淬火冷却控制

    为了确保淬火槽的冷却搅拌泵能够正常运行，在对产品淬入淬火油前后，应做好搅拌处理，以此来确保淬火油能够有序的进行搅动、均热，使齿圈圆周及齿轮冷却的更加均匀，淬火变形量就会明显减少。对于大型齿轮或齿圈，需要控制其加热及冷却速度，应实施分段升温加热处理，当进行保温处理之后，需要将温度升高至920℃，当渗碳结束之后，需要将温度降低到860℃，之后进行淬火，该项处理措施，能够减少由于快速冷却及快速加热而引发的热应力增大情况，促使变形现象得以明显减少[5]。

（三）控制渗碳层碳浓度及深度

影响渗层组织的膨胀系数的因素为渗碳层浓度及深度，在渗碳之后，若表面分布及存在有不良的碳化物，将会导致齿向、齿形及花键孔出现较大变形情况。因此，需要对渗碳时碳势进行控制，以此来预防表面碳浓度过高现象的产生。并且渗碳层的碳浓度越高、渗碳层深度越渗，变形就会越大，需要将渗碳层的碳浓度控制在标准范围内。

（四）控制原材料减小变形

    目前应用于汽车齿轮行业中的钢种种类比较多，包括20CrMnTi、22CrMoH、20CrMoH、20MC5、8620H、4320H、20CrNi2Mo、20CrMnMo、17CrNiMo6等几种，但是不同的钢种的质量存在一定的差异，之所以会出现该种情况，与冶炼水平及原材料本身的质量存在极大的关系。同时，不同的原材料的进货渠道不一，因此导致变形控制工作难度比较高。经过相关的研究分析得分，原材料对变形的影响主要表现在以下几方面：影响热处理变形的因素与材料淬透性有直接关系，淬透性本身的带宽较小，则变形也比较小；淬透性的带宽越大，则变形也比较大。钢材在使用之前，会使用真空脱气进行处理，有助于提升材料的纯净度，并且有比较少的杂质含量，晶粒度比较均匀，夹杂物明显减少。在钢材变形上钢材晶粒度有着直观的影响。在晶粒度尺寸的不断增加这一情况之下，会导致变形也会出现随之而增大的情况。在选取齿轮材料时，应保证淬透性能够与相关的要求相符合，并对淬透性带做好控制，以便能够为研究变形规律提供依据[6]。

结论：齿轮热处理变形是不可避免的，本身属于一种比较复杂的系统性的工程项目，之所以会出现该种情况，受多种因素共同作用引发所致，为了能够使齿轮变形情况得以明显减小，应保证材料的均匀性，合理控制材料淬透性带和材料晶粒度，加热及淬火冷却的均匀性，以此来在根源上减小产品的热处理变形量。但是以上措施无法在根源上遏制变形现象，因此在很长一段时间齿轮齿轮热处理变形控制仍然是一项需要长期研究的课题，为了能够使变形量得以明显减少，应采取合理化的控制措施。

参考文献：

[1]张玉忠,刘保.齿轮渗碳淬火变形分析与控制[J].热加工工艺,2019,48(8):206-208,211.

[2]蔡君康.17CrNiMo6内齿圈渗碳淬火变形的控制[J].金属加工（热加工）,2019(5):34-36.

[3]赵建森,朱百智,占彬,等.风电齿轮渗碳淬火变形分析与改善[J]. 金属加工（热加工）,2021(3):61-65.

[4]王建勇,王荣景.齿轮渗碳淬火热处理变形的分析和改进探讨[J].南方农机,2019,50(14):189.

[5]尚可超,杨帅.17CrNiMo6轴齿轮渗碳淬火热处理变形分析[J].铸造,2020(1):74-77.

[6]许鸿翔,王红伟,张衡,等.20Cr2Ni4钢齿轮渗碳淬火及装配后开裂原因分析[J].金属热处理,2021,46(8):250-253.

作者简介：李荫现（1976.9--）男，汉族，江苏省泰州市人，本科，高级工程师，主要研究方向：金属材料的冷、热成形，预处理，产品最终热处理的工艺编制、开发；齿轮、模具等新材料的应用；齿轮、模具新工艺的研究和应用；异常失效件的分析和问题解决。