摘 要 本文主要從影響滲碳淬火齒輪變形的幾個(gè)方面入手，分析其產(chǎn)生的原因，并采取相應(yīng)
措施，通過(guò)良好的設(shè)計(jì)及機(jī)加工與熱處理工序間的相互配合，采用合理的工藝，從而使工件產(chǎn)生變形
的應(yīng)力減少，以減少熱處理變形，提高工件的質(zhì)量。
關(guān)鍵詞 大型齒輪 變形 控制
Deformation Causes and Its Control
Regarding Large-Size Carburized-Quenched Gears
NIU Tang-song , WANG Zheng-bing , ZHU Bai-zhi
(Nan-jing High-speed & Accurate Gear Co. Ltd , Nan-jing 210012 )
Abstract Proceeding mainly from areas affected to deformation of large-size
carburized-quenched gears, this paper analyzes causes of deformation creating; presents
corresponding measures for decreasing deformation stress in workpiece, so as to achieve
reducing heat-treatment deformation and raising workpiece quality, through mutual
coordination among processes of design, machining and heat-treatment with proper process
technologies.
Keywords Large-size gear Deformation control
1 引言
齒輪的變形直接關(guān)系到齒輪強(qiáng)度、精度等質(zhì)量指標(biāo)。.對(duì)于滲碳淬火的齒輪，特別是大型齒輪，其變
形量很大，且難以控制。較大的變形不僅會(huì)使磨量增加，成本提高，而且影響齒輪制造精度，降低承
載能力，最終壽命也會(huì)大大下降。熱處理變形主要是由于工件在機(jī)加工時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，熱處理過(guò)
程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力以及工件自重變形等共同作用而產(chǎn)生的。影響齒輪滲碳淬火變形的因素
很多，包括齒輪的幾何形狀、原材料及冶金質(zhì)量、鍛造和機(jī)加工的殘余應(yīng)力、裝料方式和熱處理工藝
及設(shè)備等諸方面。掌握變形規(guī)律，減少齒輪滲碳淬火變形，能夠提高齒輪的承載能力和使用壽命，對(duì)
縮短制造周期，降低生產(chǎn)成本也都具有重要意義。
2 滲碳淬火齒輪變形規(guī)律
對(duì)大型齒輪質(zhì)量和壽命影響最大的變形來(lái)自齒輪外徑、公法線長(zhǎng)度和螺旋角等。一般說(shuō)來(lái)，變形
趨勢(shì)如下：
2.1 大型齒輪變形規(guī)律：滲碳淬火后齒頂圓外徑呈明顯脹大趨勢(shì)，且上下不均勻呈錐形；徑長(zhǎng)比（齒
輪外徑/齒寬）越大，外徑脹大量越大。碳濃度失控偏高時(shí)，齒輪外徑呈收縮趨勢(shì)。
2.2 大型齒輪軸變形規(guī)律：齒頂圓外徑呈明顯收縮趨勢(shì)，但一根齒軸的齒寬方向上，中間呈縮小，兩
端略有脹大（如下圖表）。
表１，大型齒輪軸熱處理徑向變形
2.3 齒圈變形規(guī)律：大型齒圈經(jīng)滲碳淬火后，其外徑均脹大，齒寬大小不同時(shí)，齒寬方向呈錐形或腰
鼓形。
3 滲碳淬火齒輪變形原因
3.1 滲碳件變形的實(shí)質(zhì)
滲碳的低碳鋼，原始相結(jié)構(gòu)是由鐵素體和少量珠光體組成，鐵素體量約占整個(gè)體積的 80%。當(dāng)加
熱至 AC1 以上溫度時(shí)，珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，900℃鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。920—940℃滲碳時(shí)，
零件表面奧氏體區(qū)碳濃度增加至 0.6—1.2%，這部分碳濃度高的奧氏體冷至 600—650℃才開(kāi)始向珠光
體、索氏體轉(zhuǎn)變，而心部區(qū)的低碳奧氏體在 900℃即開(kāi)始分解為鐵素體，冷至 550℃左右全部轉(zhuǎn)變完成。
心部奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變是比容增大的過(guò)程，表層奧氏體冷卻時(shí)是熱收縮量增加的變化過(guò)程。在整個(gè)
冷卻過(guò)程中，心部鐵素體生成時(shí)總是受著表層高碳奧氏體區(qū)的壓應(yīng)力。此外，大型齒輪由于模數(shù)大、
滲層深，滲碳時(shí)間較長(zhǎng)，由于自重影響，也會(huì)增加變形。
3.2 淬火變形的原因
工件淬火時(shí)，淬火應(yīng)力越大，相變?cè)讲痪鶆颍热莶钤酱�，則淬火變形越嚴(yán)重。淬火變形還與鋼
的屈服強(qiáng)度有關(guān)，塑性變形抗力越大，其變形程度就越小。
從齒輪和齒輪軸滲碳淬火冷卻各部位冷卻速度、組織及硬度狀態(tài)比較分析，可以發(fā)現(xiàn)上中下各部
位冷卻速度的差別，以及表面、過(guò)渡區(qū)、心部冷卻速度差別，和其組織轉(zhuǎn)變的不同時(shí)性是造成齒輪變
形的主要原因。減小變形也要通過(guò)提高各環(huán)節(jié)的均勻性來(lái)實(shí)現(xiàn)。
4 減小和控制滲碳淬火齒輪變形的措施
4.1 控制原材料減小變形
我國(guó)高速重載齒輪行業(yè)目前普遍使用的鋼種有 20CrMnMo、20CrNi2Mo、17Cr2Ni2Mo、20Cr2Ni4
等，由于受到冶煉水平等影響，原材料質(zhì)量狀況不盡人意。同時(shí)由于進(jìn)貨渠道不同，質(zhì)量也有較大波
動(dòng)，給變形控制帶來(lái)很大難度。總體來(lái)說(shuō)，原材料對(duì)變形的影響如下：
(1) 材料淬透性是影響熱處理變形的主要因素之一，淬透性帶寬較小變形較�。环粗畡t變形較大。
(2) 鋼的冶金質(zhì)量：鋼材經(jīng)過(guò)真空脫氣處理后，材料純凈度提高，雜質(zhì)含量少，晶粒度均勻，以
氧化物為主的夾雜物大幅度減少．在這方面，國(guó)外的冶金質(zhì)量控制得較好，而國(guó)內(nèi)齒輪鋼化學(xué)成份波
動(dòng)較大，有害夾雜物含量高，鋼錠偏析嚴(yán)重，這對(duì)齒輪變形控制造成先天性缺陷�？煽偨Y(jié)如下：
（a）鋼材晶粒度對(duì)變形有著明顯的影響，隨著晶粒度尺寸增加,變形加大．因而要嚴(yán)格控制晶
粒度尺寸及混晶。大型齒輪通常要求晶粒度在 5 級(jí)以上。
(b) 隨著鋼材淬透性的增加，變形率增大。因而在設(shè)計(jì)齒輪選材時(shí)，只要淬透性能滿(mǎn)足要求
即可．但應(yīng)盡可能控制好淬透性帶, 以利于變形規(guī)律的統(tǒng)計(jì)和摸索。
(c) 馬氏體相變點(diǎn) Ms 對(duì)變形的影響是隨著 Ms 點(diǎn)降低，變形增大。一般 C、Mn 含量較高的鋼
材具有較低的 Ms 點(diǎn)，因而從變形的角度考慮，鋼材中 C、Mn 含量盡可能控制在較低的范圍內(nèi)。
(3)鍛件質(zhì)量
(a) 合理的鍛造流線和鍛造比；
(b) 嚴(yán)格控制鍛件利用率；
(c) 加強(qiáng)鍛后熱處理控制。
4.2 設(shè)計(jì)和機(jī)加工的預(yù)先控制
4.2.1 合理的設(shè)計(jì)
零件的結(jié)構(gòu)、用材、技術(shù)要求對(duì)其熱處理工藝性能有很大的影響。處理好它們之間的關(guān)系，對(duì)減
少淬火變形大有益處。
(1) 合理的零件結(jié)構(gòu)：合理結(jié)構(gòu)即零件在設(shè)計(jì)時(shí)其形狀應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單，分布均勻、對(duì)稱(chēng)，力求在
零件上避免盲孔、尖棱等。由于零件設(shè)計(jì)不合理，往往在淬火時(shí)應(yīng)力分布不均勻，而產(chǎn)生不規(guī)則變形。
因此,零件設(shè)計(jì)時(shí)，在滿(mǎn)足使用性能的條件下，要盡可能兼顧熱處理變形。
(2) 選材：零件在選材時(shí)，首先應(yīng)保證使用性能的要求，同時(shí)還要考慮熱處理工藝性能及經(jīng)濟(jì)的
合理性。既不能為降低成本采用熱處理工藝性能較差的材料，又不能盲目提高成本，一般應(yīng)遵循以下
原則：
• 依據(jù)材料熱處理性能選材。一般情況選材原則是要以較緩和的冷卻方法來(lái)達(dá)到淬硬零件目的。
• 將材料和熱處理方法結(jié)合起來(lái)選材．在使用性能允許情況下，可通過(guò)改變熱處理方法來(lái)達(dá)到設(shè)
計(jì)要求，即將選材與熱處理方法有機(jī)的結(jié)合起來(lái)。
•合理力學(xué)性能要求．設(shè)計(jì)者除在材料與力學(xué)性能之間進(jìn)行合理搭配外，應(yīng)考慮某些零件局部的特
殊要求，以免降低熱處理工藝性能，造成不必要的變形，甚至產(chǎn)生不合格品。
4.2.2 適當(dāng)?shù)臋C(jī)加工
機(jī)加工由于進(jìn)給量、工件各部位加工余量及加工差異，可導(dǎo)致工件各部位應(yīng)力性質(zhì)不同和應(yīng)力分
部不均衡，致使工件在淬火時(shí)發(fā)生變形。為此，應(yīng)考慮：
(1) 加工方法與變形關(guān)系； 在工件的成形加工過(guò)程中，可能會(huì)采用車(chē)、滾、鏜、磨等不同的加
工方法，從而使工件的各部位應(yīng)力分布不均衡，淬火時(shí)產(chǎn)生較大變形． 反過(guò)來(lái)，則可通過(guò)改變局部的
加工方法，使該部分殘留的應(yīng)力對(duì)減少變形有利，從而達(dá)到減少變形的目的。
(2) 加工量與變形；工件各部分加工量不同或人為地造成加工量的不同，均會(huì)給工件熱處理后的
變形造成不良影響。
(3) 機(jī)加工工序與變形；合理地安排機(jī)加工工序，協(xié)調(diào)好機(jī)加工與熱處理之間的關(guān)系，對(duì)減少淬
火變形大有益處。特別是那些形狀不對(duì)稱(chēng)或帶有長(zhǎng)槽類(lèi)工件，這點(diǎn)尤為重要。例如在易變形的齒圈淬
火前增加一道去應(yīng)力工序，磨齒后再進(jìn)行一次低溫回火。
4.2.3 變形的預(yù)補(bǔ)償
(1) 對(duì)大型齒圈,可針對(duì)滲碳淬火后齒頂圓漲大規(guī)律，預(yù)先車(chē)小齒頂圓；
（2）對(duì)大型齒軸的螺旋角,可采取滾齒時(shí)預(yù)補(bǔ)償辦法達(dá)到減小螺旋角變形的目的。
4.3 熱處理工藝操作與變形關(guān)系
4.3.1 預(yù)先熱處理
采用適當(dāng)?shù)念A(yù)先熱處理方法，可有效減小后續(xù)熱處理的變形。對(duì)齒輪和齒輪軸，由于退火周期長(zhǎng)，
成本高，目前一般采用正火回火處理，而大型齒圈則采用調(diào)質(zhì)作為預(yù)先熱處理。
4.3.2 滲碳與淬火溫度
通常采用的滲碳溫度為 920—930℃．采用稀土催滲技術(shù)時(shí)，加入稀土元素后，在滲碳周期相當(dāng)?shù)?SPAN lang=EN-US>
前提下，可使?jié)B碳溫度由 930℃降為 860~880℃．在改善滲層組織、節(jié)能、延長(zhǎng)設(shè)備壽命的同時(shí)，還
可以明顯減少滲碳件的變形．但目前催滲技術(shù)在大型齒輪深層滲碳變形控制方面還有待進(jìn)一步研究。
淬火溫度對(duì)工件的淬火變形影響很大，淬火變形趨勢(shì)一般規(guī)律如下圖。根據(jù)此規(guī)律，可以通過(guò)調(diào)
整淬火溫度來(lái)達(dá)到減少變形的目的，或?qū)㈩A(yù)留機(jī)加工量同淬火溫度經(jīng)熱處理試驗(yàn)后合理選擇使用。一
般情況下，淬火溫度越高均使工件變形增大．這是由于增加了工件截面上的溫差，使熱應(yīng)力增加，同
時(shí)由于過(guò)高的加熱溫度，使奧氏體晶粒長(zhǎng)大，降低了塑性變形的抗力，從而增大了淬火變形。從減少
變形出發(fā)，盡量選擇淬火下限溫度是有利的。
4.3.3 加熱速度
當(dāng)工件內(nèi)部存在較大的機(jī)加工殘余應(yīng)力，而工件截面差別又較大時(shí)， 升溫速度影響更大。工件快
速加熱會(huì)產(chǎn)生較大熱應(yīng)力，與工件內(nèi)殘余應(yīng)力和相變組織應(yīng)力相互作用，如應(yīng)力方向一致，產(chǎn)生迭加
或合成的應(yīng)力很容易使高溫狀態(tài)下零件產(chǎn)生變形。
4.3.4 淬火保溫時(shí)間
保溫時(shí)間的選擇除保證工件透燒，淬火后達(dá)到要求的硬度或其它力學(xué)性能外，還要考慮它對(duì)淬火
變形的影響。延長(zhǎng)淬火保溫時(shí)間，實(shí)際上就相應(yīng)地提高了淬火溫度。
4.3.5 裝爐方法
工件在加熱時(shí)擺放形式不合理，則會(huì)產(chǎn)生因工件自重而引起的變形，或因工件之間相互擠壓產(chǎn)生
變形，或工件堆放過(guò)密造成加熱及冷卻不均而產(chǎn)生變形。因而裝爐要均勻，各種齒輪軸滲碳淬火時(shí)可
設(shè)計(jì)相應(yīng)的工裝進(jìn)行壓緊，以減少變形。齒輪要根據(jù)形狀分別采用平放或垂直放方法，減小變形。以
下是我廠水泥磨齒圈由于裝爐層次不同，在滲碳淬火前后尺寸變形對(duì)比表。
表２，水泥磨齒圈因裝爐層次不同，滲碳淬火后的變形差異
4.3.6 滲碳淬火設(shè)備
良好的滲碳淬火設(shè)備是減小齒輪變形的重要手段，對(duì)大型齒輪尤為重要。大型齒輪采用井式氣體
滲碳爐進(jìn)行滲碳淬火時(shí)，應(yīng)滿(mǎn)足控溫精度±1℃；爐溫均勻度±7℃；碳勢(shì)均勻度±0.05%。
4.3.7 淬火介質(zhì)與設(shè)備
在保證工件淬火硬度要求下，一般選用冷卻較緩和的介質(zhì)，同時(shí)還要控制好介質(zhì)的溫度。目前我
廠的淬火介質(zhì)為普通淬火油，通過(guò)北京華立的添加劑改性處理后，其冷卻性能較好，都能滿(mǎn)足硬度要
求。對(duì)于淬火冷卻設(shè)備，要保證工件淬火時(shí)冷卻均勻，避免使淬火油溫的溫差較大，因而要求安裝加
熱裝置和攪拌裝置。我廠熱處理車(chē)間有兩個(gè)淬火油槽，舊油槽只有循環(huán)攪拌，新油槽既有攪拌循環(huán)，
又有熱交換器循環(huán)。通過(guò)對(duì)比, 在保證硬度情況下，熱油淬火變形要比冷油淬火變形小。
淬火過(guò)程中，發(fā)生的變形是由于內(nèi)部殘余應(yīng)力分布不均勻，應(yīng)力性質(zhì)與大小受多種因素影響．單
項(xiàng)因素或多項(xiàng)因素同時(shí)起作用時(shí)，淬火介質(zhì)溫度是重要因素。就目前使用的淬火油來(lái)講，其溫度對(duì)冷
卻速度并無(wú)明顯影響，但對(duì)變形影響較大。所以在滿(mǎn)足使用性能的前提下，往往采用熱油淬火。
５ 結(jié)束語(yǔ)
以上介紹了影響變形的幾個(gè)比較主要的因素．此外還有滲碳件的質(zhì)量（分布均勻的硬化層，緩和
的硬度梯度，良好的金相組織）；回火方面的控制等等。針對(duì)變形控制，還有采用分級(jí)、等溫淬火；采
用專(zhuān)用夾具和淬火壓床等�？傊X輪變形是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，是各種因素綜合作用的結(jié)果，可
歸結(jié)為“均勻”二字，只要做到材料均勻，形狀均勻、加熱和冷卻均勻，各個(gè)環(huán)節(jié)都均勻，就不會(huì)有
變形問(wèn)題．實(shí)際上這是不可能的，所以變形是不可避免的．到目前為止，大型齒輪的變形控制依然是
一個(gè)長(zhǎng)期的課題，但是只要有針對(duì)性的采取措施控制變形，就會(huì)使變形量盡可能地減小。
