齿轮齿圈渗碳淬火后变形严重

齿轮渗碳淬火热处理变形原因与改进技术摘要】齿轮是常见的机械零部件，其啮合传动力学在汽车、轮船等机械产品中广泛应用。

齿轮的重要作用不言而喻，但在齿轮的具体使用当中会存在齿轮失效的现象，此种现象的出现大部分是由于齿轮长期使用后磨损、折断所导致的。

齿轮的生产主要以渗碳淬火热处理的加工方式进行批量生产，但此种生产方式容易导致齿轮变形，不利于齿轮的批量成产与成本投入。

为保障齿轮的生产质量文章对齿轮渗碳淬火热处理技术进行分析，找寻齿轮变形原因并提出相关的改进措施，以供行业参考。

【关键词】渗碳淬火热处理齿轮渗碳淬火是当下齿轮生产中的重要工艺流程，渗碳淬火能够使齿轮的耐磨性能更加稳定。

渗碳淬火属于热处理技术，其具体工作开展分为多种形式，但渗碳淬火过程较为复杂，导致齿轮在淬火后容易发生变形。

齿轮变形属于齿轮制作过程中的常见问题，极大的影响了齿轮的使用质量，齿轮在机械中应用广泛，如何提高齿轮质量，改进工作技术成为当下技术研究的重点。

一、齿轮及渗碳淬火热处理工艺分析1.1齿轮结构从大部分的齿轮结构来讲，齿轮的整体结构呈现对称性，其制作材料主要包含调质钢、渗碳钢、合金钢等多种材料，制作完成的齿轮中间多为空心、内外径较大、齿轮壁较薄，渗碳淬火需要进行高温加热，以此齿轮容易发生变形现象。

1.2渗碳淬火热处理工艺齿轮的渗碳淬火热处理工艺较为复杂，包含直接淬火低温回火、预冷直接淬火低温回火、一次加热淬火低温回火、渗碳后感应加热淬火低温回火等多种工艺。

以20CrMnTi齿轮为例，首先要将齿轮要放置在炉温为920℃的渗碳淬火炉中进行长达3小时的渗碳处理，其次将渗碳炉的温度调至860℃，在保持50分钟的恒温状态后进行淬火出炉。

最后，使用淬火液处理，进行2小时的低温回火，在低温回火的过程中回火炉的温度应当保持在160℃。

在进行渗碳淬火热处理时，要注意四只齿轮在全过程当中要保持平放状态。

1.3齿轮渗碳淬火热处理后导致变形的因素在齿轮进行渗碳淬火热处理前后分别对齿轮的直径、公法线进行测量，发现在经过热工艺处理后，齿轮的内外直径与公法线均发生了变化。

大型齿轮渗碳淬火变形原因及控制摘要: 本文主要从影响大型齿轮渗碳淬火变形的几个方面入手，分析其产生的原因，并采取相应措施，通过良好的设计及机加工与热处理工序间的相互配合，采用合理的工艺，从而使工件产生变形的应力减少，以减少热处理变形，提高工件的质量。

关键词大型齿轮变形控制渗碳淬火1 引言大型齿轮渗碳淬火的变形直接关系到齿轮强度、精度等质量指标。

对于渗碳淬火的齿轮，特别是大型齿轮，其变形量很大，且难以控制。

较大的变形不仅会使磨齿加工的磨量增加，成本提高，而且影响齿轮制造精度，降低承载能力，最终寿命也会大大下降。

大型齿轮渗碳淬火热处理变形主要是由于工件在机加工时产生的残余应力，热处理过程中产生的热应力和组织应力以及工件自重变形等共同作用而产生的。

影响齿轮渗碳淬火变形的因素很多，包括齿轮的几何形状、原材料及冶金质量、锻造和机加工的残余应力、装料方式和热处理工艺及设备等诸方面。

掌握变形规律，减少齿轮渗碳淬火变形，能够提高齿轮的承载能力和使用寿命，对缩短制造周期，降低生产成本也都具有重要意义。

2 大型齿轮渗碳淬火变形规律对大型齿轮质量和寿命影响最大的变形来自齿轮外径、公法线长度和螺旋角等。

一般说来，变形趋势如下：2.1 大型齿轮变形规律：大型齿轮渗碳淬火后齿顶圆外径呈明显胀大趋势，且上下不均匀呈锥形；径长比（齿轮外径/齿宽）越大，外径胀大量越大。

碳浓度失控偏高时，齿轮外径呈收缩趋势。

2.2 大型齿轮轴变形规律：齿顶圆外径呈明显收缩趋势，但一根齿轴的齿宽方向上，中间呈缩小，两端略有胀大2.3 齿圈变形规律：大型齿圈经渗碳淬火后，其外径均胀大，齿宽大小不同时，齿宽方向呈锥形或腰鼓形。

3 渗碳淬火齿轮变形原因3.1 渗碳件变形的实质渗碳的低碳钢，原始相结构是由铁素体和少量珠光体组成，铁素体量约占整个体积的80%。

当加热至AC1以上温度时，珠光体转变为奥氏体，900℃铁素体全部转变为奥氏体。

920—940℃渗碳时，零件表面奥氏体区碳浓度增加至0.6—1.2%，这部分碳浓度高的奥氏体冷至600—650℃才开始向珠光体、索氏体转变，而心部区的低碳奥氏体在900℃即开始分解为铁素体，冷至550℃左右全部转变完成。

减小齿轮热处理变形的两种方法戚墅堰机车车辆厂 张秋英1 问题的提出多年来,戚墅堰机车车辆厂在280系列机车齿轮的生产中,一直被齿轮渗碳淬火变形大以致在后续的机加工中出现公法线超差等质量问题所困扰。

近来为此开展了一些质量攻关活动。

笔者主持了这项工作,分别从优化热处理工艺和设计工装夹具着手,所用方法有效地减小了齿轮的热处理变形,解决了生产过程中的一大难题。

2 优化工艺 控制变形我们知道,齿轮变形不仅影响到机加工后公法线尺寸超差,而且影响齿轮的传动精度,产生严重的噪音和异音。

因此,控制与稳定齿轮的变形显得十分重要。

从实际出发,我们努力寻求一种优良的热处理工艺,既能减小齿轮变形,稳定尺寸,又能满足设计要求,提高使用性能和降低成本,提高经济效益。

笔者在控制齿轮变形的攻关中,认真分析了渗碳、氮化、普通碳氮共渗等工艺的优缺点。

渗碳变形大,生产中无法找到齿轮的变形规律,公法线长度变化多端,即经过渗碳、正火、高温回火、淬火、回火等一系列的加热与冷却过程,时而胀,时而缩,变形显得复杂。

虽然渗碳层可以获得较高的齿面接触疲劳强度和脆性疲劳强度,但表面层压应力小,往往要增加喷丸强化处理。

可是在离表层0.1mm处,由于高的喷丸强度和渗碳层应力叠加,可能会导致应力过大,引起次表层的微裂纹,而且喷丸降低了齿面精度;氮化处理,虽然表面压应力大、耐磨性好、变形小,但渗层较浅,承载能力低,脆性疲劳强度不如渗碳高;普通碳氮共渗,渗层深局限于0. 5mm0.8mm,而且极易出现黑色组织等缺陷,使材料性能恶化;若用低温的碳氮共渗(软氮化),渗层较浅,仅适用于负荷小的零件。

笔者在经过多种工艺比较分析的基础上,开发了一种高温以渗碳为主,中温碳氮共渗的二段共渗后直接淬火的工艺,用此工艺对齿轮进行热处理(见图1),效果良好。

该工艺减小了齿轮变形,使公法线长度变化缩小43.7%,并使其公差基本稳定在+0.074mm~+0.136mm的范围内。

该工艺也缩短了周期,节约了成本。

机车从动齿轮渗碳淬火变形问题的分析与预防摘要齿圈类机车从动齿轮，因为尺寸较大的薄板形结构，渗碳淬火后不可避免地要发生变形。

这样既影响从动齿轮的精度，也严重影响齿轮的使用性能。

本文从材料、热处理等影响齿轮热处理变形的几个主要因素入手，分析其产生的原因，并通过适当的选材以及热处理工序等相应措施，减少齿轮热处理变形，从而提高齿轮加工精度。

关键词齿轮热处理变形因素变形控制1 前言目前，在铁路跨越式发展理念的引导下，各个主机厂都以“客运高速、货运重载”为目标，应用新材料、研究新工艺、开发新产品。

牵引从动齿轮是机车驱动装置上的关键零部件，它的好坏直接影响到机车是否能够高速重载。

由于大功率机车从动齿轮因为尺寸较大，渗碳淬火后易产生变形，已经成为制约产品质量和使用性能的瓶颈，所以对机车从动齿轮渗碳淬火的研究有重要的现实意义。

2 齿轮热处理变形的影响因素2.1齿轮材料对齿轮变形的影响由于同一牌号的钢材，其淬透性曲线会在一定范围内变化，导致了淬透性带宽的不同，渗碳淬火后的组织就会出现差异，变形也就不一样，如果淬透性带宽过宽，必然会导致齿轮热处理变形无规律。

实验表明，钢的淬透性越高，热处理后齿轮的变形就越大。

当心部硬度高于HRC40时，变形就会明显增大。

目前，使用与从动齿轮强度相匹配的窄淬透性带宽的渗碳钢已经成为齿轮行业选材的共识。

2.2 预备热处理对齿轮变形的影响齿轮预备热处理组织的均匀性和稳定性对齿轮最终热处理变形的影响很大，因为齿轮各部分的原始组织不同，其比热就不同，在热处理过程中产生的尺寸变化也就不同。

齿轮经高温锻造后，由于其组织粗大不利于随后的渗碳处理，所以一般高温锻造后的齿轮需要经过正火处理，以达到细化晶粒和改善显微组织的目的。

但是，往往正火硬度过高，出现大量索氏体或魏氏体组织，它们的存在都会使内孔变形增大，所以必须引起足够的重视。

2.3 渗碳工艺对齿轮的影响2.3.1 温度的均匀性对齿轮的影响温度的均匀性是造成热处理变形的因素之一。

齿轮渗碳淬火变形原因及控制措施研究摘要：齿轮零件在前期加工期间若是遭受到热处理变形作用，将会导致其获取的精度遭受到严重的影响，一旦出现变形即使是使用校直及磨齿等先进的修形技术也难以达到恢复的效果。

尤其是齿轮在遭受到渗碳淬火之后会出现变形情况，具有较大的变形量，该种变形无法通过控制来实现，并且变形过大，也会增加磨削成本及磨削量，对齿轮制造精度会造成极大的影响，承载能力显著降低，寿命也会随之而下降。

本文着重分析齿轮渗碳淬火变形原因，并提出合理化的变形控制措施。

关键词：齿轮渗碳淬火；变形原因；控制措施前言：在制造硬齿面汽车齿轮期间，目前所使用的主流工艺是渗碳淬火，但是在使用之后不得不面对的问题便是出现变形情况，会对齿轮的加工质量造成极大的影响。

有相关的研究报告显示，之所以会导致碳淬火齿轮出现变形，与锻造质量、原材料质量、齿轮的结构设计、毛坯预备热处理有直接关系，并且以上几种因素之间彼此也会出现相互影响的情况，进而增加了上述因素的控制难度。

现如今，在汽车齿轮制造中控制变形量已经成为一项需要解决的重难点问题。

一、齿轮渗碳淬火变形原因（一）渗碳件变形原因渗碳低碳钢，经过对原始相结构进行分析可知，由少量珠光体组织及铁素体共同来构成，经过对整个体积的占比情况进行了解可知，铁素体量的占比高达80%，当加温到AC1以上温度之后，珠光体会向奥氏体进行转变。

当温度为900℃时，铁素体会向奥氏体进行转变。

当渗碳的温度为920℃-940℃时，零件表面的奥氏体区碳浓度的升高度为0.6%-1.2%，碳浓度比较高的奥氏体区碳浓度会增加至0.6%-1.2%，当奥氏体的温度冷却到600-650℃时，会向索氏体及珠光体进行转变[1]。

当低碳奥氏体处于心部区时，若是在900℃的高温下会将其转变为铁素体，当冷却到550℃时，会全部转变完成。

比容增大的过程是心部奥氏体向铁素体进行转变的过程，而通过对表层奥氏体冷却情况进行探究可知，可将热缩量增加变化的整个过程呈现出来，在冷却期间，在生成心部铁素体时，会遭受到表层高碳奥氏体区的压力影响[2]。

控制齿轮淬火畸变的两个值得注意的问题齿轮淬火是造成畸变的主要环节。

掌握淬火畸变的基本方法是尽可能地使齿轮各部位冷却匀称。

除此之外，还有一些值得留意的问题：一、钢材本身的淬透性对畸变的影响。

钢材淬透性越高，即参加组织转变的体积也越大。

当工件完全淬透整体均呈马氏体时，淬火前后的体积差达到最大，含碳量1%的钢材体积变化约为1%; 假如只淬透一半，即体积的一半淬火成马氏体，则淬火前后的体积差将比前者小一倍，因此，淬透性愈小，淬火畸变也就愈小。

反之齿轮的淬火畸变就越大。

在很多渗碳齿轮中，为了解决畸变问题经常采纳降低心部硬度的方法，然而，从齿轮强度来考虑，心部硬度又不能太低，由于许多齿轮疲惫失效的一个重要的缘由就是心部硬度偏低，所以，这成为齿轮生产中的一大冲突。

为了解决齿轮强度与热处理畸变对齿轮心部硬度要求的冲突，必需合理限制钢材的淬透性。

试验表明，只要钢材淬透性(或心部硬度) 相近，其畸变也相近，这就为掌握畸变供应了有利的条件。

对于齿轮淬火畸变而言，钢材的淬透性凹凸当然重要，但更重要的是钢材淬透性带宽，即淬透性的波动程度。

正是由于钢材的淬透性对齿轮淬火畸变有重要的意义，各国都将淬透性纳入钢材标准。

近年来，淬透性带宽度进一步变窄，如德国的《渗碳淬火钢交货技术条件》中就新规定了窄淬透性钢，其带宽由一般淬透性钢的8 HRC 减小到5 HRC。

我国于2023年发布的新标准也比原标准缩小了淬透性带的宽度。

二、压力强制淬火。

国内众多齿轮生产者在观念上主见自由淬火，以求简化工艺，便利操作，降低成本，压力强制淬火工艺及设备的进展也因此受到很大的影响。

圆满的是，象锥齿轮这类具有结构特别性的齿轮采纳自由淬火难于掌握畸变，几十年来，锥齿轮的畸变始终困扰着我国的齿轮行业。

实际上，在热处理生产中对于像细小麻花钻头及瘦长杆件等工件的弯曲畸变，大家都认可采纳压力校直，以此实现了稳定的批量生产;而对于齿轮制造中的薄壁大圆盘锥齿轮以及汽车同步器齿套之类的零件，采纳压床淬火同样可以将生产过程及热处理工艺中存在的各种潜在畸变因素在强压下消退或减小其影响作用，从总体上比自由淬火付出的代价要低得多。

影响齿轮热处理变形的几个重要因素影响齿轮热处理变形的几个重要因素■陈正国，郝丰林我公司是一家专业生产汽车齿轮、摩托车齿轮、电动工具齿轮、工程机械齿轮的股份制企业。

齿轮在进行渗碳热处理的过程中，常遇到齿轮渗碳淬火后平面扭曲变形大，造成齿轮报废；渗碳淬火后齿轮的M值变化不稳定；齿轮的齿形齿向变化不稳定，造成装机异响。

以下就是对上面的几种情况分别进行说明。

一个新产品开发，尤其是热处理工艺的设计，一般是按照类似的产品，采用本公司掌握的成熟工艺。

试制时一般是先采用类似的工艺，处理6个工件，对其变形及热处理项目进行检测；合格后再热处理30件，再次对变形及热处理项目进行检测；合格后按照一炉（或者一盘）热处理，检测变形；合格后连续生产几炉（或几盘），热处理合格、变形合格，这样热处理工艺就可固定下来。

但是有时新产品开发半年后，产品才可以进行批量生产，试制时试制的工件不是很多，有时不能反映真正的工件变形趋势；或者材料有变化、锻造工艺变化、正火变化、冷加工工艺的变化，虽然热处理工艺没有变化，但是热处理后的工件端面扭曲，造成产品报废。

图1是开发产品结构示意，图2是试制时的热处理工艺，图3是改进的热处理工艺。

可以看出试制的热处理工艺渗碳温度较高，生产效率高；产品采用平放，热处理后内孔的硬度较高，硬化层也均匀，椭圆度小。

改进后的热处理工艺，产品采用串放，产品的轴向圆跳动较好，渗碳温度降低，渗碳时间增加，减少热处理变形。

这样改进后的热处理工艺生产的产品由原来不合格率15%降为0.1%。

也有时出现产品处理了几年，突然出现批量不合格，改变热处理工艺后产品合格。

事实上最终原因是因不同钢厂的材料、锻造、正火、冷加工工艺流程的变化造成的。

图1图4所示产品，最大外圆156mm，热处理了1万件，有一批产品出现轴向圆跳动超差，不合格品占10%左右，造成部分产品报废。

于是对没有热处理的毛坯的正火硬度进行检查，正火硬度要求160～190HBW，对称检测4点，一共检查了6件，检测结果如表1所示。

汽车同步器齿轮淬火变形问题分析某公司生产的同步器齿轮由20CrMnTi碳氮共渗淬火而成，由于淬火后变形较大，尤其是椭圆度超差在诸多变形中最为严重。

其中两个产品170F01齿套椭圆度超差占总数的30%，7A五齿套椭圆度超差的占总数的20%左右。

为解决椭圆度超差不得不采用压淬处理，浪费大量的人力、物力。

为解决淬火后椭圆度超差变形问题，我们对产生变形的原因从原材料、热处理工艺、设备情况几方面进行了分析。

1.对原材料检验（1）项目包括化学成分、硬度、低倍组织、带状组织、晶粒度、非金属夹杂物等各项。

检验结果表明：化学成分、硬度、低倍组织、非金属夹杂物都在国标和图样要求的合格范围。

而带状组织比较严重，已经达到3级，晶粒如图1所示有混晶现象（图样要求不大于2级，最好是1级或0级）。

（2）分析：严重的带状组织，是由成分的微观不均匀引起的，带状组织使材料产生各向异性，使淬火变形增大。

混晶也是一种组织不均匀现象，其成因同样与偏析有关，对变形影响也很大，此二项必须严格控制，级别越小越好。

2.重新验证对热处理工艺的合理性进行了重新验证，发现有些产品的渗层深度控制的不合理，如7A三四档（见图2a）及五档齿套（见图2b）渗层要求0.4~0.7mm，结果实际深度平均值达到0.6~0.8mm。

其原因是渗碳时间过长，原工艺为860℃X220min，强渗；860℃X70min，扩散，然后将温度降低到815℃X30min，淬火。

分析：经过大量的试验及理论分析后得知，强渗及扩散温度合适，而强渗时间过长，导致渗层深度过深。

由于齿套的有效厚度只有2.5mm左右，而原来渗层单边0.8mm，两边加起来就是1.6mm，几乎就要淬透，整个截面硬度很高，热处理应力很大，从而使淬火变形增大，最终使椭圆变形超差。

3.热处理设备情况（1）淬火油内的残渣及氧化皮和污泥由于长期没有清理，导致大量存在，这些残渣一般沉到底部，会降低淬火油的流动性，造成淬火时各部位冷却不均，增大淬火变形。