【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。在经热工艺处理的4只齿轮中，有两只齿轮发生了椭圆畸变，发生变化的原因是由于齿轮在渗碳炉中受高温后发生膨胀，在冷却后会出现的热胀冷缩现象，这一现象导致齿轮的发生变形。
在实际的渗碳淬火热处理过程中，部分齿轮变形较轻，但其端面会发生扭曲，不利于使用，一旦使用会对机械作业产生困扰。小部分端面扭曲不严重的齿轮可以通过磨齿进行校正，对于不能磨齿以及磨齿以后氧化严重的齿轮不能应用在实际的机械中，只能报废处理。
另外由于齿轮在热处理的工艺中需要平整摆放，会存在一定程度的上下两面受热不均现象，一方面渗碳过程中的气体流通不能保证均匀，同样会造成齿轮厚度不均匀的现象。综上所述，齿轮变形是由多种因素共同导致的，其中胀缩、锥度、椭圆度、齿面扭曲是造成齿轮渗碳淬火变形的主要原因。
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二、齿轮渗碳淬火热处理工艺改进措施
2.1改进齿轮入炉方式及摆放方法
更改齿轮进入渗碳炉的装炉方式，改为斜靠叠放，倾斜角度为45度，该改良方式能有效避免齿轮因其自重发生的高温蠕变；并在齿轮上方加盖隔板，这样能对齿轮出炉时起到保温作用，且能避免其直接接触冷空气。
在齿轮渗碳淬火环节，会因为齿轮的上下齿端进入介质时间不同而出现受热不均匀的问题，致使齿轮的下端面发生变形。为此，在渗碳淬火热处理过程中，可以采取将齿轮的上下端面交换方向摆放的方法，待齿轮渗碳后，淬火时将齿轮上下端面进行反置，虽然高温蠕变是不可避免的，但是，采取这种方法可以在一定程度上降低齿轮的锥度。
2.2分析齿轮入炉方式及摆放方法改进后的形变情况
经改进摆放方法后，对齿轮的外径及公法线进行测量发现变化有所减小，能明显发现其渗碳墩粗效应有所缓解，但基于炉膛内温度不稳定情况及高温蠕变现象，两只齿轮产生了一些锥变，在淬火过程将齿轮进行反置后，其锥变现象得到了有效消除，改进工艺后生产的四只齿轮中端面跳动现象最严重的为0.7mm,淬火后仍有两只齿轮公法线超差，经由控制磨齿工序精磨余量后没有残留黑色氧化皮。且齿轮的渗碳厚度及硬度均符合要求，可见改变齿轮的摆放方法能有效改善齿轮的渗碳情况。
2.3改善齿轮锻坯质量
齿轮在锻造过程中极易出现硬度差异较大、质量不平衡等问题，会大大提高之后加工工序的难度，且热处理变形及加工精度难以控制。针对此种现象，在下料时一定要提前对材料的晶粒度、夹杂物及化学成分进行系统检查。不同材料、不同炉号的同种材料经渗碳淬火后的变形是不同的，淬透性宽度波动越小越便于控制其热处理的变形。绝大部分齿轮运用的是正火处理，正火组织具有细小、匀称、等优点，有助于控制齿轮热处理的变形。
2.4对齿坯进行预备热处理
对齿坯进行预备热处理是十分有必要的步骤，第一，该步骤能有效降低锻造应力，避免切齿出现的重新分布应力而产生的变形问题；第二，该步骤能显著均匀细化不良组织。开展齿轮渗碳淬火热处理工艺前，可以提前对齿坯实施预热处理，可有效改善齿轮的热处理变形问题。需要注意的是一定要确保预备热处理的有效性，否则极易破坏其切削性能和加工精度，可见做好齿坯预备热处理能有效改善齿轮变形。
三、结束语
齿轮作为现代机械组合中最常见的零件之一，在所有机械设备中起着重要的作用，提高齿轮的制造质量和速度对我国工业化的发展具有积极的影响。文章对齿轮渗碳淬火热处理变形问题进行了深入讨论，提出来修正和改进热处理变形的措施,最大限度地提高热处理操作过程中齿轮制造空间,同时减少齿轮报废概率,提高装备制造业的质量,使其更好的服务在现代机械制造中,并发挥它应有的作用。
【参考文献】
[1]张翠莹,李潜,高明超.齿轮渗碳淬火热处理变形的分析和改进探讨[J].南方农机.2018(04)
[2]张茂国.渗碳淬火齿轮断齿分析[J].金属加工(热加工).2018(06)
[3]卢金生,李宝奎.齿轮的精密热处理及抗疲劳制造探讨[J].机械传动.2019(03)
论文作者:王丙利,燕丽娜,孙博文
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第09期
论文发表时间:2019/9/30
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