隨著國內機械裝備市場的迅速發展，產品結構也發生了巨大的變化，大直徑、薄腹板類的齒輪在產品中越來越多。由于其結構的特殊性，在熱處理過程中極易出現變形的問題。本文針對大直徑、薄腹板易變形齒輪的滲碳淬火進行了系列研究，采取了一些有利于減少變形的綜合措施，取得了良好的效果。

滲碳過程中高溫蠕變導致齒輪下彎，淬火過程中顯微組織快速轉變，腹板強度難以支撐其冷卻過程中的組織應力和熱應力，極易造成齒輪變形。試生產過程中由于變形較大，磨齒后關鍵尺寸出現較大偏差影響其使用，因此將齒輪滲碳淬火后的變形量控制到較低范圍，是此類齒輪順利批量生產的關鍵。

1.技術要求

圖1為某變速箱齒輪結構示意圖，材質17CrNiMo6，重量3795 kg。齒面要求滲碳淬火處理，有效硬化層深度2.85～3.25mm，單邊余量0.45mm，齒面硬度58～62HRC，心部硬度35～42HRC，金相組織符合機械行業標準JB/T6141.3-1992的要求，晶粒度不低于6.5級。力學性能要求：屈服強度R_eL≥795MPa、抗拉強度R_m≥1079MPa、伸長率A≥8%、斷面收縮率Z≥35%、沖擊吸收功A_KV（-40 ℃）≥25 J。

圖1 齒輪尺寸結構圖

齒輪的滲碳淬火變形主要體現在橢圓度和錐度兩個方面。工件淬火后變形量要求為：橢圓度≤0.9 mm、錐度≤0.9 mm。

2.處理工藝

齒輪生產工藝流程：下料→鍛造→鍛后退火→粗加工→調質→半精車→滾齒→滲碳淬火及回火→噴丸→精車→磨齒→入庫。

在常規熱處理工藝的基礎上，結合實際生產經驗做出適當改進后的適用于大直徑、薄腹板齒輪的

滲碳淬火工藝曲線見圖2。齒輪加工過程中切削區域產生擠壓塑性變形，導致殘留應力產生，所以在齒輪滲碳前升溫期采取階梯升溫并嚴格控制升溫速度60℃/h，可以減小齒輪各部位由于受熱不均勻引起的溫差。受熱不均勻會影響奧氏體的轉變速度，奧氏體轉變速度不同必然會引起工件變形。將滲碳溫度由常規930℃降低到910℃，且采取脈沖碳勢進行滲碳，從而使得工件中的碳濃度從表面到心部緩慢降低。淬火溫度由820℃降低到800℃，可以使熱應力和組織應力相應的減少，同時提高鋼的塑性變形抗力和降低工件的蠕變傾向，可以在一定程度上減小齒輪的畸變程度。淬火介質的溫度提高至60～70℃，提前對油槽開啟攪拌，工件入油時停止攪拌，30 s后再開啟攪拌，可以縮小齒輪與淬火油的溫度差，同時增加淬火油的流動性，有利于減小熱應力，使工件均勻冷卻，進而減小齒輪淬火過程中的畸變。

圖2 滲碳淬火工藝

滲碳階段選用耐熱鋼底盤及墊塊，內輪轂處三點均布墊實，外輪緣截面中心位置八點均布，利用0.2mm墊片進行調整以預留0.8～1mm間隙。起吊過程中輕起輕放，避免輪緣處墊塊挪動。淬、回火階段選用耐熱鋼工裝，將齒輪上下端面進行翻個后內輪轂處三點均布墊實，外輪緣不進行支墊。可以使淬火過程與滲碳過程產生的變形相互抵消一部分，有助于將淬火回火后的變形量控制到較低的范圍。

3.檢測結果

按照以上工藝生產后，參照相關標準對隨爐試樣進行檢測，結果如下：有效硬化層深3.21mm（見圖3），碳化物1級，馬氏體以及殘留奧氏體3級，心部組織2級，心部硬度36～39HRC，齒面硬度59～60HRC，力學性能：R_eL為1070MPa，R_m為1240MPa，A為11%，Z為65%，A_KV（-40℃）為48J、40J、45J、37J，均符合技術要求。

圖3 回火后隨爐試樣有效硬化層硬度分布曲線

第1件齒輪滲碳后錐度0.9mm，橢圓度0.18mm，淬火后的錐度0.1mm，橢圓度0.18mm，均滿足技術要求。試生產合格后，又對后期采用同樣工藝生產的15件齒輪變形結果進行統計（見圖4、圖5），可以將最終的橢圓度控制到0.16 ~0.28mm，錐度控制到0.12 ~0.28mm，遠遠低于技術要求的變形量最大值。

圖4 齒輪橢圓度變形量統計圖

圖5 齒輪錐度變形量統計圖

4.技術難點分析

在淬火過程中組織由珠光體轉變為馬氏體，由于其比容值的差異，齒輪外徑出現為脹大趨勢。齒輪在油槽中淬火時，上下端面的冷卻效果有差異，所以淬火過程中齒輪會發生錐變現象。前期生產經驗表明，齒輪在淬火后通常出現上大下小的變形，即上端脹大量大于下端脹大量，該結構類型的齒輪淬火后單側錐變量基本在0.7 ~1.0mm。

齒輪滲碳階段支墊方式一般為兩種：第一種為單一的輪轂處支墊；第二種為輪轂處和輪緣處均支墊。采用單一輪轂支墊方式滲碳后的齒輪外徑變形通常為上大下小，這是因為此時輪緣懸空，隨著溫度升高材料的屈服強度迅速降低，腹板處的強度降低，同時外緣在重力作用下由于高溫蠕變產生向下的下墜變形，其下墜量主要由齒輪本身結構及滲碳的高溫時間決定。采用第二種輪轂處和輪緣處均支墊方式時，由于輪轂和輪緣均有支撐力，輪緣下墜受到阻礙，輪轂、輪緣墊實后齒輪滲碳后錐度變化不明顯。

該齒輪腹板薄且較寬，輪緣處受到內部支撐力小，滲碳時在910℃停留時間為48h，前期升溫20h，若外緣不進行支墊，則外緣下墜引起的錐變量遠遠大于淬火的錐變量，錯過抵消反變形量最佳時機。若滲碳時輪轂、輪緣均支墊，滲碳后錐度變化不明顯，淬火時的錐變量會導致成品的變形量超差無法滿足技術要求。綜合考慮，需滲碳時采取輪轂支墊、外緣處預留間隙支墊的支墊方式，如此可以在滲碳過程中使齒輪外緣產生可控制的錐變，形成預變形。在淬火時將齒輪上下翻轉進行淬火，可以恰巧使兩個處理過程中的變形量相互抵消，是控制該種齒輪熱處理變形的有效途徑。

5.結語

影響大直徑、薄腹板齒輪滲碳變形的因素是多方面的，針對影響齒輪滲碳淬火變形的因素，在工藝方面控制升溫速度、階梯型升溫、降低滲碳淬火溫度、提高淬火介質溫度，在工裝方面采取輪轂支墊、輪緣預留空隙支墊，可以將橢圓度控制到0.16 ~0.28mm，錐度控制到0.12 ~0.28mm，遠遠低于技術要求的變形量最大值，極大的提升了大直徑、薄腹板類齒輪的熱處理質量，降低了此類產品的報廢率。