齿轮渗碳淬火热处理变形的分析与改进

刘海斌++柳岩

【摘 要】齿轮是机械传动中应用最广泛的零件之一，在汽车、拖拉机、机床和起重机械等产品中不仅有重要作用，而且用量相当大。齿轮的加工工艺流程为粗车——精车——插齿——滚齿——倒棱（磨棱）——倒角——清洗——渗碳淬火——磨内孔端面——（磨另一端面）——磨齿——清洗——强化喷丸——清洗——成品检验。在齿轮的制造过程中，合理进行热处理工艺，是提高承载能力和延长使用寿命的必要保证。渗碳强化齿轮具有优异的机械性能，但由于渗碳淬火齿轮工序复杂，齿轮的热处理变形已成为阻碍其使用的重要因素。本文通过对渗碳淬火齿轮热处理变形进行分析，针对齿轮热处理工艺的装炉以及摆放方式，提出了有效的热处理变形控制方法。

【关键词】渗碳；淬火；齿轮；热处理变形

1 齿轮的结构和热处理工艺

1.1 齿轮结构

齿轮参数如表1所示，齿轮图片如图1。齿轮内外径较大，为对称中空结构，壁厚相对较薄，由于缺少腹板支撑，在热处理时变形趋势很大。

1.2 热处理工艺

齿轮的材质为20CrMnTiH.。热处理加工过程在15m长的渗碳淬火炉和8m长的回火炉中完成。

设计热处理工艺路线如图1，渗碳入炉炉温升到920℃±5℃，渗碳3小时结束后降温到860℃保温50分钟后淬火出炉，淬火液温度为80℃，低温回火温度为160±5℃保温2小时。

原工艺齿轮渗碳时每次4只平放，摆放方式示意图如图2。

1.3 齿轮的热处理变形机理分析

经上述热处理工艺后，4只齿轮变形前0°，180°2个位置，变形后测量0°，180°上下4个值，齿顶圆直径使用卡尺检测，公法线使用公法线百分尺，可以看出渗碳后所有齿轮外径和公法线均出现了不同程度的胀大，部分齿轮形成了椭圆畸变（编号1、2），在淬火后齿轮外径和公法线又再次缩小，在大幅胀大缩小过程中，齿轮发生了严重的扭曲变形，端面跳动最大1.9mm。这批齿轮虽然在淬火完成以后公法线变形不是很大，不过由于端面的扭曲，给后续的机加工找正带来了很大的困难，有一只齿轮由于磨齿后齿面仍然存在大量氧化皮而报废。

再有由于4只齿轮平放，渗碳时气体流通不均匀，导致渗碳层厚度不均匀为0.25、0.28、0.30、0.35，硬度也不均匀，检测结果为308、362、347、320、352，使用金相显微镜和维氏硬度计检测，渗碳层的厚度单位为mm，硬度单位为HV。

通过对该批次齿轮变形数据的分析可以发现，热处理变形主要表现为胀缩度、锥度、椭圆度和齿面扭曲4个方面。

2 工艺改进

2.1 更改装炉方式

更改渗碳装炉方式。将齿轮斜着叠放，一个紧靠着一个，角度大约45°左右，装炉示意图如图3，减少因自重引起的高温蠕变，在最上层放一块隔板，增加渗碳完成后出炉过程热容量，并防止冷空气直接与齿轮上端面接触。

图3 装炉方式示意图

2.2 齿轮的摆放

在渗碳过程中记录齿轮的上下端面，在淬火过程中反置，使齿轮外径较小端面朝下摆放，齿轮在渗碳淬火过程中高温蠕变是不可避免的，淬火时反置后齿轮的高温蠕变可抵消掉部分形成于渗碳过程中的锥度。齿轮在淬火时会因零件上下齿端进入介质的时间差造成热应力不均，齿轮的下端面产生向上凸的变形趋势，使齿轮发生变形，先入油端会胀大或缩小的稍微相对较小一些。将齿轮较小端朝下摆放，可进一步减小锥度。

2.3 摆放方式改进后的齿轮变形情况分析

改善摆放方式后的齿轮外径和公法线，可以看出经该工艺处理后齿轮渗碳墩粗效应明显减小，外径和公法线变化减小，由于高温蠕变和炉膛温度的不均匀仍然存在，仍有部分齿轮出现了一定的锥变，但经反置淬火后齿轮锥度基本消除，该批次齿轮端面跳动最大为0.7mm，虽然经淬火后部分齿轮公法线出现超差现象，但通过控制磨齿过程中粗磨与精磨余量，所有齿轮齿面均未出现黑色氧化皮。另外，由于改善摆放方式，齿轮周围的介质流速均匀，接触一致，渗碳均匀，即导致渗碳层厚度和硬度也都均匀。

3 结论

通过改变齿轮的摆放方式以及装炉方式可以大幅降低齿轮因高温蠕变和热应力引起的墩粗效应。淬火时将齿轮反置可以基本消除齿轮在渗碳过程中形成的锥度。

上述针对于齿轮热处理变形的预防与修正，基本消除了由变形引起的齿轮规律性报废，在一定程度上降低了生产成本，取得满意效果，具有明显的经济效益。

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[责任编辑：王楠]