刘富金 谢世杰
江西省核工业地质局二六四大队 江西赣州 341000
摘要：薄壁齿轮是目前工业装备中的主要零部件之一，其经过渗碳淬火处理后强度大幅度提升，是薄壁齿轮加工中的重要环节。但渗碳淬火热处理同时也极易引发薄壁齿轮产生变形，增大其报废的概率。本文基于多角度探讨了薄壁齿轮在渗碳淬火热处理过程中产生变形的机制，并提出薄壁齿轮制造的各个阶段影响其热处理变形的因素，同时详细地给出了薄壁齿轮热处理过程中变形控制的措施。
关键词：薄壁齿轮；强度；渗碳淬火；变形控制
引言
薄壁齿轮是一些相对自身尺寸壁厚较薄的环形齿轮和轮幅宽度较小的盘形齿轮，是目前工业装备制造中主要零件之一，齿轮经过渗碳淬火处理后，齿轮的接触应力得到很大限度的提升，一般是原有的3倍左右，允许的弯曲应力相当于原有的1.5倍左右，对于齿轮的耐用性能和寿命将会起到极为关键的作用。但是薄壁齿轮在渗碳淬火过程中，由于壁薄容易发生严重椭圆、翘曲、涨大等变形，齿轮在进行磨齿时由于齿面上的余量分配不均，容易产生齿面黑皮及磨削台阶，造成左右齿面硬化层不均，表面硬度下降，在加工过程中报废率较高，如何解决薄壁齿轮渗碳淬火变形问题一直是齿轮热处理加工的研究热点。本文对齿轮在渗碳淬火过程中变形的机制以及控制措施进行研究。
1.薄壁齿轮热处理变形机制
薄壁齿轮在热处理过程中，温度从室温首先加热到高温，进行强渗、扩散、降温、升温淬火、回火等工艺流程，其工艺流程见图1所示。齿轮在热处理过程中的这种温度变化导致热胀冷缩现象，从而产生了齿轮内部应力的产生和变形的出现。齿轮内部应力可以分为热应力和组织应力，薄壁齿轮的变形是内部热应力和组织应力共同作用的结果。薄壁齿轮部件加热或冷却时，由于部件表层和心部温度变化不同时，造成热胀冷缩不均，这种热胀冷缩不同而产生的应力叫热应力。钢加热到临界点以上及冷却到临界点以下时，发生了组织转变，由于部件内部组织转变不同期，又因不同组织的比容也不同，因此就产生了应力。由于组织转变的不等时性而产生的应力叫做组织应力[1]。
图1 齿轮渗碳、淬火、回火热处理工艺
热应力与薄壁齿轮材料的线膨胀系数相关，组织应力与所发生的组织比容改变有关。从力学的角度上讲，当材料的内部应力大于其相应温度下的塑性极限时，材料将发生塑性变形，这是零件热处理变形的根本原因。
图2 热应力和组织应力单独作用时工件淬火变形的趋势[2]
2.薄壁齿轮热处理变形影响因素
由于薄壁齿轮的材料为钢，故薄壁齿轮在热处理过程中发生变形的影响因素与影响钢的屈服强度的因素一致。薄壁齿轮热处理变形的影响因素在整个薄壁齿轮的各个加工阶段均存在，在齿轮设计阶段的用钢选择、几何形状的设计；在原材料选择阶段的组织晶粒度和应力状态；在薄壁齿轮机械加工阶段的切削量以及残留应力；在预先热处理阶段的工艺选择、加热质量、冷却质量；在热处理工艺阶段的工艺先进性、回火工艺和冷却方式；在热处理操作阶段的操作者水平、夹具装夹方法等。
2.1设计及原材料选择阶段
薄壁齿轮部件的几何形状对热处理中产生的变形影响很大，部件的形状简单、规则对称则热处理过程中产生的变形小且规则和均匀；若部件的形状较为复杂，厚薄不均，形状不对称则热处理过程中产生的变形就大，有些可能会产生严重的翘曲。
在原材料的用钢选择上，钢的化学成分影响钢的淬透性和点温度，不同成分的钢淬火变形的倾向也不同，其中以含碳量对淬火变形影响最大。随着钢中含碳量的增加，钢中马氏体的比容增大，热应力的影响减小，而组织应力的影响则增大。合金元素大多会明显提高钢的淬透性，使点下降，残余奥氏体量增多，因此减小了组织应力，同时又由于合金元素大大提高了钢的淬透性，可缓冷淬火，减小工件的内应力，以及由于合金元素的加入，提高了钢的屈服强度，因此也显著地减小了淬火应力引起的变形。
2.2热处理阶段
薄壁齿轮部件加热时，表面与心部截面由于温差产生热应力而变形，加热温度越高，温度差越大，变形也越大。此外时间过长也有同温度增高相同的影响，同时加热速度过快，会造成工件温度不均匀，也加大工件的变形。
2.3热处理操作及焊接工艺
热处理夹具工件装夹方法、夹具结构，热处理操作不当包括加热不当，冷却不当，操作者技术水平，热处理设备以及工件的自重等都影响热处理变形。部件在浸入淬火介质的方式同样会影响变形，如果浸入的方式不正确，则因零件各部分的冷却速度不一致，会产生变形。
焊接方法的不同同样也会影响变形，焊接方法、焊接顺序、是否预热等。
3.薄壁齿轮热处理变形控制措施
基于上述的薄壁齿轮部件经过相应热处理后的变形机制和因素，研究薄壁齿轮热处理变形控制措施。
3.1 设计及原材料选择的控制措施
基于上述2.1节可知，薄壁齿轮部件在设计时应尽量对称、尺寸均匀，不要直角、尖角，孔的分布要均匀，尽量减少盲孔，孔离边缘应有一定的距离，淬透性要好等。热处理部件的理想形状是在整个工件范围内质量分布十分均衡。如此在加热和冷却时，每个表面点会以相同的速率吸收和放出相同数量的热量，从而不会因应力不均匀引起变形过大问题。
而在用钢选择上，对要求淬透的部件，应当选用淬透性较好的钢。选材时应注意采用高级优质钢，杂质含量要少，特别是含量应小于或等于0.03%。在选择钢材时还应注意，尽量选用含有等元素的合金钢，能有效地减少变形。
3.2 热处理阶段的控制措施
冷却方式对淬火变形影响较大。降低点以上的冷却速度，，可减小因热应力而引起的变形，降低点以下的冷速，可减小因组织应力而引起的变形。
（1）淬火加热温度
钢的化学成分是确定淬火加热温度的主要因素，其中含碳量的影响最为明显。一般情况下，亚共析钢的淬火加热温度为℃。对于合金钢，还要考虑合金元素的溶解和均匀化问题，一般低合金钢淬火加热温度常选用临界温度以上70~100℃。在保证零件力学性能的前提下，应尽量将淬火加热温度控制在下限，以减小由温差引起的热应力。
（2）淬火加热时间
淬火加热时间包括工件加热到淬火温度所需的升温时间和使工件透热及奥氏体均匀化所需的保温时间。它与钢的成分、工件有效厚度和装炉情况有关。在满足工件各项技术要求的前提下，应尽量缩短加热时间。
（3）淬火加热速度
加热速度过快容易引起工件的不均匀加热。为了减小不均匀加热引起的变形，应当限制加热速度。为了限制加热速度，可以采用限速升温或预热升温的方法。
针对形状复杂、要求变形小的薄壁齿轮部件，为防止或减少加热变形，除适当控制升温
速度外，还要预热升温。以500℃左右为预热温度；钢在500℃时将从弹性体变成塑性体，一旦产生塑性变形，就不能象弹性体那样再回复到原有状态，于是变成加热变形保留下来。所以，可采用这一弹塑性转变温度为低温预热温度。将相变点下的温度作为预热温度；普通钢的相变点下是指650~700℃。钢在加热时会膨胀，到达相变点又会突然收缩。在相变点下附近的温度应该略有停顿。这种停顿使得零件整体温度均匀，应变缓和，通过相变点时能产生合适的相变，防止热变形[2]〔王运炎. 金属材料与热处理. 北京：机械工业出版社，1984.6）。
（4）在粗车和精车之间增加正火
在粗车和精车之间增加正火，以细化晶粒、均匀组织来减小变形，并提高渗碳淬火后组织的保证能力。同炉渗碳、淬火并回火的显微组织照片。经过两次正火后获得马氏体+残余奥氏体组织，优于一次正火获得的组织，减小了齿轮的内应力。
（5）冷热加工密切配合[3，4]
薄壁齿轮在渗碳淬火前不加工出中间的筋，使齿轮的形状简单，减小形状对变形的影响。
将渗碳缓冷温度由840℃降到810℃，降低缓冷温度可避免出炉冷却时表层或表层局部发生马氏体转变，使之获得平衡组织，降低表面拉应力，降低缓冷温度对减小齿轮各部冷却的速度差也有影响，同时降低淬透性，更易获得平衡组织，从而可减小变形。
（6）热处理装炉方式
热处理装炉方式同样对变形的影响显著，装炉方式一：水平放置，见图3所示。
图3 水平放置示意图
装炉方式二：垂直悬挂，垂直悬挂装炉方式示意图见图4所示，实物图见图5所示。
图4 垂直悬挂示意图
图5 垂直悬挂实物图
水平放置零件由于翘曲变形，齿形、齿向、节圆跳动过大，引起磨齿余量分配出现负值，磨削后部分齿面留有黑皮，部分齿面磨削台阶十分明显，最终报废；悬挂放置齿轮变形小，磨齿余量分配均匀，磨削后无黑皮，无台阶。水平放置由于齿轮边缘悬空，渗碳过程轮缘自重引起蠕变，淬火瞬时，触油截面积大，且下端面较上端面先入油；由于瞬时两端面热应力及相变应力不平衡，导致上端面凸起，齿轮翘曲过大；反观悬挂放置，渗碳也存在高温蠕变，
但齿轮轮缘不承受较大弯矩，同时淬火时两个端面平行入油，入油截面小，相变应力及热应力平衡对称，齿轮端面跳动及节圆跳动小于水平放置。
4.结语
本文针对薄壁齿轮的渗碳淬火热处理中变形的现状开展研究，对薄壁齿轮在渗碳淬火热处理中产生变形的机理进行分析，详细阐述了在薄壁齿轮从设计到加工成型的各个阶段对渗碳淬火热处理过程中变形产生影响的因素，并给出了针对性的薄壁齿轮在渗碳淬火热处理过程中变形控制措施，本文研究结果可以供广大同行工程师参考借鉴使用。
参考文献：
[1]李小末，朱百智. 薄壁齿轮渗碳淬火变形的控制[J]. 金属加工（热加工），2016（S2）：114-116.
[2]王顺兴，刘勇. 实用热处理模拟技术. 北京：机械工业出版社，2002.1.
[3]彭庚翠．20Cr Mn Mo钢重载齿轮轴磨削裂纹控制与热处理工艺改进［J］．金属热处理，2011，36（4）：93－95．1.
[4]邓影洲. 薄壁齿轮渗碳淬火畸变的分析与改进[J]. 热处理技术与装备，2013，34（04）：19-21.
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根据提供的厂内试验数据进行分析：
值都非常小，除inner race 外，timken振动速度稍大于SKF。
下面对加速度进行分析。
2）振动加速度对比
根据提供的厂内试验数据进行分析：
Cage & outer race，timken振动加速度大于SKF，但相差不太多；Inner race & rolling element，SKF 振动加速度大于timken。Inner race加速度区间相差比较大。
4、结论
由上面振动数据可知，场内试验未见异常，可能为后期在风场运行期间油液清洁度或其他原因造成齿轮箱高速轴轴承异常，振动异常变大。且场内各种轴承试验结果满足产品要求，未见明显异常。
论文作者:刘富金,谢世杰
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第29期
论文发表时间:2019/8/28
标签：齿轮论文; 薄壁论文; 渗碳论文; 应力论文; 温度论文; 组织论文; 工件论文; 《建筑细部》2018年第29期论文;