現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對齒輪傳動精度的要求越來越高，既要求承載能力高，使用壽命長，安全可靠，同時還要求體積小、質(zhì)量輕、傳動平穩(wěn)噪聲低，而能達(dá)到以上各項要求的只有滲碳淬火并磨齒的齒輪。然而，熱處理變形卻一直是我國齒輪生產(chǎn)中.需要攻克的一道難關(guān)。這是由于影響滲碳熱處理變形的因素太多，包括材料的化學(xué)成分和淬透性、齒輪的幾何形狀、預(yù)先熱處理的組織、零件裝夾方式、淬火溫度和時間淬火介質(zhì)、淬火方式等。

1、熱處理變形原因

淬火時，淬火應(yīng)力越大，相變越不均勻；比容差越大，則淬火變形越嚴(yán)重。通過對齒輪滲碳淬火冷卻時各部位的冷卻速度、組織及硬度狀態(tài)比較分析，可以發(fā)現(xiàn)各部位冷卻速度的不同導(dǎo)致產(chǎn)生熱應(yīng)力，由冷速不均勻所導(dǎo)致組織轉(zhuǎn)變的不同時性會造成組織應(yīng)力。

2、影響齒輪熱處理變形的因素及控制方法

2.1齒輪設(shè)計

齒輪結(jié)構(gòu)

齒輪的結(jié)構(gòu)，例如形狀、尺寸等是影響熱處理變形的因素之一。動錐齒輪模型，其齒部厚度Lo與齒座厚度L的比例影響齒輪底面變形，當(dāng)L≥Lo時，齒輪底面變形。要比L<L時小；內(nèi)環(huán)與外徑的尺寸比例，有無螺紋孔都會影響齒輪的變形；此外由形狀、尺寸引起的不同部位的冷卻速率不同，所產(chǎn)生的熱應(yīng)力不同，也會導(dǎo)致齒輪不規(guī)則的變形。

機(jī)械加工

齒輪的熱處理變形與機(jī)械加工相關(guān)，機(jī)械加工會產(chǎn)生加工應(yīng)力，受切削工藝不當(dāng)、刀具用鈍等因素的影響，會造成更復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，這種應(yīng)力在熱處理過程中得以釋放，由于齒輪在高溫下的強(qiáng)度較低，釋放的應(yīng)力會導(dǎo)致齒輪的塑形變形。

此外，齒輪不同的切齒方式會在表層形成不同的應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致其變形傾向也不盡相同，因此必須采用合理的加工工藝，降低加工應(yīng)力。當(dāng)通過一些手段措施將齒輪的變形波動控制

在一定范圍之內(nèi)，可以對齒輪在熱前的尺寸進(jìn)行調(diào)整，即預(yù)留加工余量以補(bǔ)償熱處理產(chǎn)生的變形量。

2.2原材料

齒輪熱處理變形是齒輪在熱處理過程中，因齒輪各部位組織結(jié)構(gòu)不同或組織轉(zhuǎn)變不同時所產(chǎn)

生的尺寸和形狀的變化。因此，由于材料的不穩(wěn)定和缺陷而導(dǎo)致的齒輪熱處理過程中變形失控已成為影響精度的關(guān)鍵之一凹。

淬透性

在相同熱處理工藝條件下，齒輪各部分的冷卻速率相同，但由于材料淬透性不同會導(dǎo)致齒輪各部分，特別是心部位置相變進(jìn)程不同，最終轉(zhuǎn)變組織也不同。通常，對于淬透性較低的材料，齒輪心部以鐵素體和貝氏體為主，齒輪變形較小；對于高淬透性材料，齒輪心部以低碳馬氏體和貝氏體為主，齒輪變形較大。通過實(shí)際生產(chǎn)檢驗和熱處理工藝模擬發(fā)現(xiàn)，對于不同淬透性材料而言，齒輪底面變形趨勢和規(guī)律也不同。

嚴(yán)格控制淬透性帶寬是控制熱處理變形的重要手段之一，材料化學(xué)成分不同會導(dǎo)致淬透性不

同，因此淬透性的波動受到材料化學(xué)成分波動的影響。控制淬透性帶寬就需要嚴(yán)格控制材料化學(xué)成分的波動。

組織缺陷

a.帶狀組織多數(shù)為沿軋制方向呈現(xiàn)層狀分布或條帶狀分布的鐵素體與珠光體，帶狀組織的形

成與成分的偏析有關(guān)，元素貧瘠區(qū)的Ar3比富集區(qū)的高，相變過程中在貧瘠區(qū)首先析出鐵素體，而多余的碳元素則擴(kuò)散到富集區(qū)發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，從而形成帶狀組織。帶狀組織會導(dǎo)致材料的各向異性，造成齒輪在熱處理過程中出現(xiàn)不規(guī)則的變形。有研究結(jié)果表明，含有帶狀組織的22CrMo齒輪鋼在不同方向試樣的淬火變形量呈現(xiàn)明顯各向異性，垂直于軋制帶的膨脹量明顯大于軋制帶方向。不同帶狀組織的合金元素富集程度不同，導(dǎo)致相變產(chǎn)生的塑性應(yīng)變制約相鄰帶的膨脹變形，熱軋態(tài)22CrMo齒輪鋼淬火膨脹呈現(xiàn)無規(guī)律性。

b.奧氏體晶粒度是影響齒輪熱處理變形的重要因素之一。具有粗晶粒的材料熱處理變形明顯比具有細(xì)晶粒材料的大，由于奧氏體晶粒度不同，淬火后的馬氏體粗細(xì)不同，即粗大的奧氏體晶粒淬火后轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮鸟R氏體，導(dǎo)致產(chǎn)生的組織應(yīng)力也相應(yīng)的變大，因此熱處理變形量就會增大。

c.混晶組織是在細(xì)晶粒上分布著粗大的晶粒，兩者晶粒度差別在3級以上，表現(xiàn)為晶粒大小混雜，無規(guī)律性。奧氏體晶粒異常長大導(dǎo)致混晶組織，混晶嚴(yán)重的組織因鍛造時不同晶粒變形率不同，加之結(jié)構(gòu)遺傳效應(yīng)，原始晶粒粗大的部位正火后晶粒仍然粗大，尤其是目前常用的20CrMnTi鋼，同爐鍛造正火的鍛件晶粒差別達(dá)3~4級。晶粒不均勻，尤其是局部晶粒粗大會使齒輪滲碳后出現(xiàn)粗大組織和網(wǎng)狀碳化物，從而導(dǎo)致淬透性不同，產(chǎn)生不均勻變形凹。

2.3熱處理工藝

裝料方式\掛件

齒輪進(jìn)行滲碳熱處理加工時，常常需要在高溫狀態(tài)下持續(xù)放置數(shù)小時甚至十幾個小時的時

間，因此零件在高溫狀態(tài)下由于自重而引起的蠕變也是齒輪最終變形的原因之一?？梢?，研究齒輪裝爐裝載方法對克服蠕變而引起的熱處理平面度變形是十分必要的。

齒輪零件滲碳時一般采用平放裝載和吊掛裝載兩種裝爐方式，視零件的具體結(jié)構(gòu)而定。有研

究表明凹，平裝零件變形合格率比吊裝零件變形合格率高很多，前者的合格率比后者的合格率高約25個百分點(diǎn)。又如，齒輪穿串式裝爐滲碳，如果每串裝的過多的話，每串下部齒輪將因自重而產(chǎn)生變形或粘連。

淬火溫度

齒輪在滲碳加熱和冷卻過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力是造成熱處理平面度變形的重要因

素。淬火溫度過高，易造成淬火后馬氏體針粗大，從而降低齒輪的韌性、疲勞強(qiáng)度，并使組織應(yīng)力引起的淬火變形量增加。有研究表面，采用850℃淬火的齒輪零件變形合格率比采用870℃淬火的零件合格率高9.1個百分點(diǎn)。適當(dāng)降低滲碳及淬火溫度對減小變形是有利的，但淬火溫度不能太低，否則，對于有效尺寸較大的工件心部就可能留有較多的鐵素體組織。

淬火介質(zhì)和方式

一般來說，淬火介質(zhì)冷卻速度愈快，零件的變形就愈大，淬火介質(zhì)冷卻速度愈低，零件的變形就愈小，這是因為，當(dāng)冷卻速度愈快，冷卻過程中在熱應(yīng)力作用下產(chǎn)生的不均勻塑性變形愈大。理想的淬火介質(zhì)是在Ms點(diǎn)以上快速冷卻，而在Ms點(diǎn)以下發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時冷卻相對慢一些，以使馬氏體轉(zhuǎn)變時產(chǎn)生的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力最小，這樣就可以有效地減小淬火變形。正確的選擇淬火介質(zhì)和淬火方法，在滿足性能要求的前提下，應(yīng)選用較為緩和的淬火介質(zhì)或采用分級淬火、等溫淬火。例如，對于中等尺寸或薄小零件，采用馬氏體分級淬火可大幅度降低零件變形的分散度。此外，淬火介質(zhì)的攪拌速度對變形也有影響，一般來說攪拌速度高會加劇變形，但同時攪拌速度高，油的流動性好，使工件能夠冷卻均勻，又有利于減小變形。對于不同的零件需要通過試驗來確定不同的攪拌速度。

壓淬

采用壓床淬火是目前熱處理生產(chǎn)中限制汽車從動錐齒輪淬火變形最有效的手段之一，改變壓床參數(shù)可以進(jìn)一步減小熱處理變形。例如，根據(jù)齒輪底面的變形規(guī)律，改變壓床底面角度，使齒輪底面產(chǎn)生一個反方向的預(yù)變形，這樣就可以明顯地降低齒輪底面變形，此方法適用于底面變形較大的齒輪零件。