現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對(duì)齒輪傳動(dòng)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(shí)還要求體積小、質(zhì)量輕、傳動(dòng)平穩(wěn)噪聲低，而能達(dá)到以上各項(xiàng)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(shí)間淬火介質(zhì)、淬火方式等。

1、熱處理變形原因

淬火時(shí)，淬火應(yīng)力越大，相變?cè)讲痪鶆?；比容差越大，則淬火變形越嚴(yán)重。通過對(duì)齒輪滲碳淬火冷卻時(shí)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(shí)性會(huì)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(jì)

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(dòng)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(shí)，齒輪底面變形。要比L<L時(shí)?。粌?nèi)環(huán)與外徑的尺寸比例，有無螺紋孔都會(huì)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(huì)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(huì)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(huì)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(huì)導(dǎo)致齒輪的塑形變形。

此外，齒輪不同的切齒方式會(huì)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(dòng)控制

在一定范圍之內(nèi)，可以對(duì)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(shí)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(huì)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(duì)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?。粚?duì)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(yàn)和熱處理工藝模擬發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不同淬透性材料而言，齒輪底面變形趨勢(shì)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(huì)導(dǎo)致淬透性不

同，因此淬透性的波動(dòng)受到材料化學(xué)成分波動(dòng)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(dòng)。

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(huì)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(huì)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(jí)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(shí)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(jí)。晶粒不均勻，尤其是局部晶粒粗大會(huì)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(shí)，常常需要在高溫狀態(tài)下持續(xù)放置數(shù)小時(shí)甚至十幾個(gè)小時(shí)的時(shí)

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(duì)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(shí)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(gè)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(gè)百分點(diǎn)。適當(dāng)降低滲碳及淬火溫度對(duì)減小變形是有利的，但淬火溫度不能太低，否則，對(duì)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?yàn)?，?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(shí)冷卻相對(duì)慢一些，以使馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)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(jí)淬火、等溫淬火。例如，對(duì)于中等尺寸或薄小零件，采用馬氏體分級(jí)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(duì)變形也有影響，一般來說攪拌速度高會(huì)加劇變形，但同時(shí)攪拌速度高，油的流動(dòng)性好，使工件能夠冷卻均勻，又有利于減小變形。對(duì)于不同的零件需要通過試驗(yàn)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(dòng)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(gè)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。