金屬小齒輪熱處理變形與質(zhì)量控制

李蔭現(xiàn)，周智慧

（江蘇飛船股份有限公司，江蘇 泰州 225300）

機械化是現(xiàn)代社會快速發(fā)展的重要特征之一，金屬小齒輪是機械化傳動系統(tǒng)的重要部件，對改善人類生活方式、提升社會生產(chǎn)效率具有不可替代的作用[1]。因此，機械設備中金屬齒輪質(zhì)量是保障社會生產(chǎn)正常運轉(zhuǎn)的基本條件，生產(chǎn)合格、高質(zhì)量的齒輪意義重大[2]。但是，在金屬小齒輪的加工過程中，各方面因素均可能造成齒輪變形，影響其使用價值的正常發(fā)揮。金屬小齒輪熱處理是齒輪生產(chǎn)后期的重要環(huán)節(jié)，采用差異性溫度進行回火處理，用以大幅改善齒輪鋼的強度、硬度、耐磨性、疲勞強度等性能，是符合不同使用功能的齒輪生產(chǎn)工藝，滿足社會各領域機械零件的需求。基于操作步驟與工藝的復雜性，在熱處理過后，金屬小齒輪極易產(chǎn)生形變現(xiàn)象，影響了齒輪質(zhì)量的提升[3]。熱處理變形嚴重影響齒輪零件前期加工獲得的精度，即使采用復雜、先進的修形技術(shù)也難以恢復其精確度。若齒輪形變量較大，不僅提升削磨削量、增加資金投入，同時影響齒輪承載能力，縮短使用壽命。

金屬小齒輪在熱處理后發(fā)生形變的主要原因是熱處理環(huán)節(jié)本身原因，即淬火參數(shù)設置，包括淬火溫度、淬火介質(zhì)溫度等；此外，金屬材料選取、機械加工等步驟均對后期金屬小齒輪熱處理形變產(chǎn)生影響[4]。為此，本文從金屬小齒輪材料、淬火參數(shù)設置、齒輪機械加工等方面分析熱處理變形產(chǎn)生的原因，深入探究各因素對金屬小齒輪形變的影響機制，進而提出控制齒輪質(zhì)量的措施，提升齒輪精度、延長使用生命周期。

1 金屬小齒輪熱處理過程中產(chǎn)生變形的原因

1.1 材料的選擇

保障金屬小齒輪質(zhì)量、減少熱處理中的形變量，選取合格的材料是關(guān)鍵。純凈性、均勻性、淬透性是金屬小齒輪原材料選取的主要指標依據(jù)，是直接影響其變形的主要材料因素。在符合標準或設計要求的前提下，鋼中雜質(zhì)含量比重即為齒輪鋼材料的純凈性；成分、組織和缺陷分布的均勻性統(tǒng)稱為材料的均勻性；淬透性是指在預設環(huán)境中基于試樣淬透層深度和硬度的排列情況描述材料特征，材料的臨界淬火冷速的快慢決定淬透性大小[5]?；瘜W成分排列不均勻產(chǎn)生偏析，淬火后偏析部分的組織和應力與別處存在差異，由此產(chǎn)生形變。其中，帶狀組織是組織不均勻的一種表現(xiàn)，易于增加齒輪的形變量。

淬透性值分布帶的寬窄是描述淬透性性能的重要方面。一般情況下，淬透性值J9 處大小十分重要，J9 表示距端部9mm 的硬度，該位置淬透性值取值在28HRC 以上、42HRC 以下為合理值；若J9 在42HRC 以上，導致淬火后的材料產(chǎn)生大幅度形變，且容易發(fā)生脆性斷裂。所以，淬透性帶的寬度越窄越好。

1.2 金屬小齒輪熱處理的參數(shù)控制

金屬齒輪在熱處理淬火工藝過程中產(chǎn)生變形的原因如下：齒輪構(gòu)件淬火期間，淬火應力越大、相變均勻程度越差，同時比容差與淬火變形程度成正比。鋼的屈服強度也會影響齒輪淬火變形量，齒輪塑性變形抗力與變形程度成反比。研究火冷卻期間不同部位的參量值，如冷卻速度、組織、硬度狀態(tài)等因素，得知金屬小齒輪由上至下各部位冷卻速度有所不同，齒輪表面、過渡區(qū)、內(nèi)部冷卻速度的差異性導致齒輪產(chǎn)生變形現(xiàn)象。根據(jù)該原理，改善不同環(huán)節(jié)均勻度縮小齒輪熱處理變形可行性較強。

1.2.1 淬火溫度影響金屬小齒輪變形程度的機理研究

齒輪淬火加熱處理過程中的溫度簡稱“淬火溫度”，即齒輪在淬火工藝前溫度升高至大于奧氏體轉(zhuǎn)變溫度點的溫度上限值，齒輪冷卻的溫度也是該溫度值。淬火溫度應結(jié)合材料屬性差異、齒輪大小、形狀等因素適當調(diào)整淬火溫度，以實現(xiàn)齒輪淬火的良好組織性能。淬火溫度值可參考正常標準值設置：亞共析鋼淬火溫度超過AC3，共析鋼與過共析鋼淬火溫度取值一致，超過AC3。

齒輪淬火溫度必須適中才能塑造齒輪良好的性能，詳細分析齒輪淬火溫度過高與過低是產(chǎn)生的不良影響：①淬火溫度過高：齒輪的鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變，此時奧氏體在高溫作用下其晶粒開始生長變大，所以當淬火冷卻作用后，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體后，馬氏體組織呈現(xiàn)粗大狀態(tài)，大幅增加齒輪淬火后的脆性，在外力作用下容易變形。②淬火溫度過低：淬火溫度不足導致鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變量不完全，部分鐵素體轉(zhuǎn)變不成功，所以當溫度降低時，沒有轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的鐵素體遺留下來，并且殘留一定量的奧氏體。那么淬火后的齒輪中含有一部分鐵素體與奧氏體，它們的優(yōu)點是塑性與韌性優(yōu)良，但是強度與硬度嚴重不足[6]，此時淬火后的齒輪硬度和強度不符合標準，極易發(fā)生變形。

1.2.2 金屬小齒輪的變形量分析測試

為驗證淬火溫度對金屬小齒輪淬火變形程度的影響，進行實驗研究。通過采集金屬小齒輪淬火加工過程相關(guān)數(shù)據(jù)，分析不同淬火溫度下金屬小齒輪變形量，探究淬火溫度與齒輪變形之間的關(guān)系。計算淬火溫度由880℃降低至820℃期間齒輪的外部、中部以及內(nèi)部形變率均值，如表1 所示。

表1 淬火溫度對金屬小齒輪變形率均值的影響

由表1 可知，在其他條件不發(fā)生變化的情況下，淬火溫度由880℃降低至820℃期間，金屬小齒輪三個部位的變形率均值均總體呈現(xiàn)先降低、后增加的趨勢，淬火溫度自880℃降低至840℃期間變形率降低，淬火溫度自840℃降低至820℃期間，變形率均值呈現(xiàn)回升趨勢。由此得知，淬火溫度約為840℃，金屬小齒輪熱處理的形變量最小，在此溫度值時控制齒輪變形量相對容易。

1.2.3 對金屬小齒輪性能機理產(chǎn)生影響因素

齒輪淬火介質(zhì)主要為液態(tài)油，安全性能、冷卻速率、熱處理后齒輪的組織性能是確定齒輪淬火油溫的重要參考依據(jù)，經(jīng)過上述因素的考慮，以保障金屬小齒輪淬火熱處理后變形量最小是主要生產(chǎn)目標。將淬火溫度控制在閃電以下50℃是保障安全生產(chǎn)的前提條件，這樣不易發(fā)生火災等事故。小幅度升高淬火油溫度對冷卻速度影響較小，但對于降低淬火過程中心部和表層的溫差效果顯著，金屬小齒輪冷卻均勻度主要取決于心部與表層的溫度差，溫度差值越大、冷卻越不均勻。

淬火內(nèi)外溫差大導致組織轉(zhuǎn)變不同步，冷卻過程中，表面冷卻速度始終在心部冷卻速度以上，表面溫度首先降到Ms 點，此時心部溫度仍然較高溫，表面向馬氏體轉(zhuǎn)變的速度同樣較快；當金屬小齒輪心部溫度降至小于Ms 點時，心部剛剛開始發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，但其四周形成的馬氏體脆性較強，使齒輪內(nèi)部馬氏體膨脹受阻，淬火完成后，金屬小齒輪產(chǎn)生較大殘余組織應力，熱應力與組織應力共同作用導致材料產(chǎn)生變形。由此可知，提高淬火油溫、降低內(nèi)部與外部的溫度差值是有效降低金屬小齒輪零件變形的方法。

1.2.4 金屬小齒輪淬火溫度冷卻分析測試

基于淬火溫度影響金屬小齒輪材料組織性能的分析得到：合理增加淬火溫度對于提升金屬小齒輪淬火后的力學性能具有積極作用，同時對于降低變形量具有顯著影響。根據(jù)該原理，將金屬小齒輪淬火溫度設為840℃保持不變，同時設置不同淬火油溫分別為45℃、65℃、80℃，測試溫度冷卻過程中金屬小齒輪內(nèi)外部溫差變化，探究熱處理形變情況。圖1 ～圖3 描述了45℃、65℃、80℃三種淬火溫度下金屬小齒輪內(nèi)部與外部溫度變化。

圖1 淬火油溫為45℃

圖2 淬火油溫為65℃

圖3 淬火油溫為80℃

結(jié)合圖1 ～圖3 可知，改變淬火溫度時，金屬小齒輪外部與內(nèi)溫差值逐漸降低，當淬火溫度升至80℃時齒輪內(nèi)部外部的溫差與65℃持平，甚至超過65℃時的溫度值，由此可知，當淬火溫度達到80℃時，通過升高淬火溫度減小金屬小齒輪內(nèi)外溫差的效果不顯著。

1.3 機械加工水平

金屬小齒輪進行熱處理加工前需進行機械加工處理，機械加工過程處理不當容易引起熱處理變形。加工刀具損壞直接導致表面拉花出口不正、工件變形。此外，鍛造對熱處理形變的影響同樣嚴重，金屬小齒輪構(gòu)件性能的提升可通過鍛造工藝實現(xiàn)，鍛造具有優(yōu)化材料組織的功能，清除材料個別缺陷，令材料質(zhì)地分布更加勻[7]。反之，不恰當?shù)氖褂缅懺旃に噭t形成過熱組織，嚴重者導致裂紋、殘留應力等破壞現(xiàn)象產(chǎn)生，對金屬小齒輪淬火形變產(chǎn)生嚴重干擾。若鍛造金屬流線不對稱，則鍛后冷卻不均勻?qū)е慢X輪熱處理產(chǎn)生變形。

2 生產(chǎn)質(zhì)量控制建議

針對淬火熱處理產(chǎn)生形變的原因，設計控制金屬小齒輪變形的方法。

2.1 材料選擇

材料淬透性對熱處理變形的影響機理表現(xiàn)為：淬透性帶寬與齒輪變形量成正比。因此，要合理控制齒輪加工材料的淬透性，獲取最佳的金屬小齒輪加工材料參數(shù)。還應嚴格控制齒輪材料中晶粒度尺寸，晶粒度與金屬小齒輪形變量成正比，所以齒輪選材在淬透性合理的情況下盡量做到晶粒度合理即可。

2.2 淬火控制

根據(jù)淬火溫度對變形量的影響測試、淬火溫度冷卻測試結(jié)果可知：淬火溫度約為840℃，金屬小齒輪熱處理的形變量最小，在此溫度值時控制金屬小齒輪變形量相對容易；且淬火內(nèi)外溫差大導致材料產(chǎn)生變形，淬火溫度達到80℃時，通過升高淬火溫度減小齒輪內(nèi)外溫差的效果不顯著，淬火溫度控制在80℃左右。此外，可在淬火中增加添加劑增加金屬小齒輪硬度。

2.3 改善機械加工水平量

在機械加工階段可通過反變形法改善金屬小齒輪熱處理質(zhì)量。通過二次加工與熱處理的方式解決其厚度與形狀不均勻、不對稱的問題，在熱處理前科學調(diào)整齒輪尺寸，令齒輪變形量處于合理值。

金屬小齒輪鍛造時，需保障鍛造金屬流線沿齒輪毛坯外部對稱排列，而縱剖面流線排列成封閉狀態(tài)，易于形成良好的熱處理變形規(guī)律，防止齒輪過度變形[8]。為滿足高速重載條件的齒輪制造要求，鍛比應不小于5。通過上述改革加強鍛后熱處理控制，改善金屬小齒輪鍛件質(zhì)量、減小熱處理變形。

3 結(jié)論

金屬小齒輪熱處理產(chǎn)生變形不僅僅取決于熱處理過程參數(shù)的設置，還受到材料、機械加工水平等因素的影響，本文重點研究了金屬小齒輪淬火熱處理過程中淬火溫度、淬火介質(zhì)溫度對齒輪變形的影響機制，得到以下結(jié)果：①淬火溫度約為840℃，金屬小齒輪熱處理的形變量最小，在此溫度值時控制金屬小齒輪變形量難度較低；②當齒輪淬火溫度達到80℃時，通過升高淬火溫度減小內(nèi)外溫差的效果不顯著。