齒輪滲碳淬火熱處理變形的分析與改進

劉海斌++柳巖

【摘 要】齒輪是機械傳動中應用最廣泛的零件之一，在汽車、拖拉機、機床和起重機械等產品中不僅有重要作用，而且用量相當大。齒輪的加工工藝流程為粗車——精車——插齒——滾齒——倒棱（磨棱）——倒角——清洗——滲碳淬火——磨內孔端面——（磨另一端面）——磨齒——清洗——強化噴丸——清洗——成品檢驗。在齒輪的制造過程中，合理進行熱處理工藝，是提高承載能力和延長使用壽命的必要保證。滲碳強化齒輪具有優異的機械性能，但由于滲碳淬火齒輪工序復雜，齒輪的熱處理變形已成為阻礙其使用的重要因素。本文通過對滲碳淬火齒輪熱處理變形進行分析，針對齒輪熱處理工藝的裝爐以及擺放方式，提出了有效的熱處理變形控制方法。

【關鍵詞】滲碳；淬火；齒輪；熱處理變形

1 齒輪的結構和熱處理工藝

1.1 齒輪結構

齒輪參數如表1所示，齒輪圖片如圖1。齒輪內外徑較大，為對稱中空結構，壁厚相對較薄，由于缺少腹板支撐，在熱處理時變形趨勢很大。

1.2 熱處理工藝

齒輪的材質為20CrMnTiH.。熱處理加工過程在15m長的滲碳淬火爐和8m長的回火爐中完成。

設計熱處理工藝路線如圖1，滲碳入爐爐溫升到920℃±5℃，滲碳3小時結束后降溫到860℃保溫50分鐘后淬火出爐，淬火液溫度為80℃，低溫回火溫度為160±5℃保溫2小時。

原工藝齒輪滲碳時每次4只平放，擺放方式示意圖如圖2。

1.3 齒輪的熱處理變形機理分析

經上述熱處理工藝后，4只齒輪變形前0°，180°2個位置，變形后測量0°，180°上下4個值，齒頂圓直徑使用卡尺檢測，公法線使用公法線百分尺，可以看出滲碳后所有齒輪外徑和公法線均出現了不同程度的脹大，部分齒輪形成了橢圓畸變（編號1、2），在淬火后齒輪外徑和公法線又再次縮小，在大幅脹大縮小過程中，齒輪發生了嚴重的扭曲變形，端面跳動最大1.9mm。這批齒輪雖然在淬火完成以后公法線變形不是很大，不過由于端面的扭曲，給后續的機加工找正帶來了很大的困難，有一只齒輪由于磨齒后齒面仍然存在大量氧化皮而報廢。

再有由于4只齒輪平放，滲碳時氣體流通不均勻，導致滲碳層厚度不均勻為0.25、0.28、0.30、0.35，硬度也不均勻，檢測結果為308、362、347、320、352，使用金相顯微鏡和維氏硬度計檢測，滲碳層的厚度單位為mm，硬度單位為HV。

通過對該批次齒輪變形數據的分析可以發現，熱處理變形主要表現為脹縮度、錐度、橢圓度和齒面扭曲4個方面。

2 工藝改進

2.1 更改裝爐方式

更改滲碳裝爐方式。將齒輪斜著疊放，一個緊靠著一個，角度大約45°左右，裝爐示意圖如圖3，減少因自重引起的高溫蠕變，在最上層放一塊隔板，增加滲碳完成后出爐過程熱容量，并防止冷空氣直接與齒輪上端面接觸。

圖3 裝爐方式示意圖

2.2 齒輪的擺放

在滲碳過程中記錄齒輪的上下端面，在淬火過程中反置，使齒輪外徑較小端面朝下擺放，齒輪在滲碳淬火過程中高溫蠕變是不可避免的，淬火時反置后齒輪的高溫蠕變可抵消掉部分形成于滲碳過程中的錐度。齒輪在淬火時會因零件上下齒端進入介質的時間差造成熱應力不均，齒輪的下端面產生向上凸的變形趨勢，使齒輪發生變形，先入油端會脹大或縮小的稍微相對較小一些。將齒輪較小端朝下擺放，可進一步減小錐度。

2.3 擺放方式改進后的齒輪變形情況分析

改善擺放方式后的齒輪外徑和公法線，可以看出經該工藝處理后齒輪滲碳墩粗效應明顯減小，外徑和公法線變化減小，由于高溫蠕變和爐膛溫度的不均勻仍然存在，仍有部分齒輪出現了一定的錐變，但經反置淬火后齒輪錐度基本消除，該批次齒輪端面跳動最大為0.7mm，雖然經淬火后部分齒輪公法線出現超差現象，但通過控制磨齒過程中粗磨與精磨余量，所有齒輪齒面均未出現黑色氧化皮。另外，由于改善擺放方式，齒輪周圍的介質流速均勻，接觸一致，滲碳均勻，即導致滲碳層厚度和硬度也都均勻。

3 結論

通過改變齒輪的擺放方式以及裝爐方式可以大幅降低齒輪因高溫蠕變和熱應力引起的墩粗效應。淬火時將齒輪反置可以基本消除齒輪在滲碳過程中形成的錐度。

上述針對于齒輪熱處理變形的預防與修正，基本消除了由變形引起的齒輪規律性報廢，在一定程度上降低了生產成本，取得滿意效果，具有明顯的經濟效益。

【參考文獻】

[1]柳曉鵬，雷建波.齒輪滲碳淬火變形原因及控制措施[J].四川兵宮學報，2009， 30（4）：58-60.

[2]陳仁悟，林建生.化學熱處理原理[M].北京：機械工業出版社，1998.

[3]程里，程方.滲碳齒輪圈熱處理畸變與控制[J].金屬熱處理，2005，30（3）：88-90.

[4]蘇興武，任富林，夏永輝，等.齒輪圈在淬火槽內淬火時介質流速場的模擬研究[J].熱處理技術與裝備，2008，29（4）：23-26.

[責任編輯：王楠]