泰興減速機專業(yè)生產(chǎn)廠家泰強減速機2019年7月14日訊  齒輪是傳動機械中的重要零件,工礦條件對齒輪的要求很高，即要求高的表面耐磨性、還要求高的表面接觸疲勞強度和齒根彎曲疲勞強度，這樣就必須對齒輪進行表面強化處理（硬齒面齒輪），齒輪的表面強化處理工藝主要有滲碳淬火、表面氮化和表面淬火三種表面強化方法，在硬齒面齒輪的制造中, 滲碳淬火是主流的表面強化工藝,而對于高參數(shù)硬齒面齒輪,幾乎被滲碳淬火工藝主導.

因為滲碳淬火表面強化齒輪無論是接觸疲勞強度還是彎曲疲勞強度均高于其它表面強化的齒輪，但由于滲碳淬火表面強化齒輪的工序復(fù)雜，也存在著突出的技術(shù)問題，即齒輪滲碳淬火后的畸變問題，由于影響滲碳淬火齒輪畸變的因素很多, 目前公認的影響因素達77種，而且這些因素彼此交互影響, 對畸變影響的權(quán)重也在隨內(nèi)、外因素的變化而變化，主次因素辨別起來難度很大，對其控制就更難了, 已成為國內(nèi)外齒輪制造中的技術(shù)難點，成為公認的世界性難題。國際上非常重視，成立了零件的熱處理畸變控制協(xié)會,每四年舉行一次會議，其中著重探討的就是滲碳淬火齒輪的畸變及控制問題。

在德國不來梅大學成立了畸變工程研究中心, 對零件(以滲碳淬火齒輪為主)整個加工過程中的畸變進行研究與控制,英國材料工程院對滲碳鋼的淬透性、鋼的冶煉方式、澆注方式及錠型、鍛造工藝、滲碳淬火工藝、爐型與裝爐方式、微觀組織與滲碳前期的殘余應(yīng)力對齒輪畸變的影響進行了系統(tǒng)的研究, 對零件淬火過程中的傳熱學、溫度場、應(yīng)力場、畸變傾向進行了計算機模擬, 并以實驗進行驗證。美國則投資兩千萬美金用于研究零件熱處理畸變的控制, 并提出于2020年實現(xiàn)零件“零熱處理畸變”的目標。

本文在技術(shù)理論分析和大量的試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出了“一條直線，兩條曲線”的宏觀解決方案，“一條直線”就是直接向滲碳淬火畸變進攻，“兩條曲線”是迂回戰(zhàn)術(shù)，第一條是通過簡化工藝來降低滲碳淬火的畸變，第二條是以離子氮化代替滲碳淬火，避開滲碳淬火畸變的痼疾，提出的大尺寸薄壁滲碳淬火齒輪的畸變控制技術(shù)。

1  控制滲碳淬火齒輪畸變的概述

1.1  研究背景

滲碳淬火表面強化齒輪的畸變問題，制約著齒輪制造工藝技術(shù)的發(fā)展，是齒輪生產(chǎn)制造工藝上的一個難題，經(jīng)常出現(xiàn)滲碳淬火畸變導致尺寸超差報廢的質(zhì)量事故，直接的危害是導致制造成本上升、制造周期延長，對企業(yè)來講，更加嚴重的問題是拖期交貨，是亟待解決的技術(shù)關(guān)鍵問題。我們選擇滲碳淬火齒輪中，滲碳淬火畸變量比較大，比較有代表性的兩類結(jié)構(gòu)尺寸的齒輪（見圖1、圖2），進行了滲碳淬火的畸變試驗，圖1、圖2是我們進行滲碳淬火畸變試驗研究用的模擬齒輪（按比列縮小的）圖，我們重點對圖1的薄壁齒輪進行了試驗研究。

圖1、大尺寸薄壁滲碳淬火齒輪

圖2、大尺寸人字滲碳淬火齒輪

1.2  滲碳淬火齒輪畸變的危害及影響因素

滲碳淬火齒輪的畸變使齒輪的精度大幅下降，一般精度下降2級左右很正常，齒輪的滲碳淬火畸變不僅使齒輪的精度下降，也影響齒輪的強度。對于滲碳淬火后不進行磨削的齒輪，畸變量較大將引起偏載；滲碳淬火后進行磨齒的，由于畸變會引起偏磨的現(xiàn)象，會造成齒面燒傷、產(chǎn)生磨削臺階等，而發(fā)生早期點蝕和疲勞斷齒。

另外畸變量大還有很多危害：畸變量大，尺寸超差不夠用導致報廢的；畸變量大，導致表面硬度不均勻、不合格，必然導致耐磨性大幅下降；畸變量大，導致滲碳層的厚度不均勻、硬度梯度不良，必然造成承載能力的大幅下降；畸變量大，更重要的是接觸疲勞強度、彎曲疲勞強度大幅下降。美國、德國等西方技術(shù)發(fā)達國家，對滲碳淬火齒輪的畸變問題，非常重視，投入巨資成立專門機構(gòu)進行研究。

影響滲碳淬火齒輪畸變的因素太多，目前世界上公認影響因素達77個之多，而且這些影響因素交互疊加、主次因素隨內(nèi)外參數(shù)的變化而變換、作用的復(fù)雜使結(jié)果變幻莫測，研究起來難度特大?？刂茲B碳淬火齒輪的畸變，針對個體進行畸變規(guī)律的分析，探尋相應(yīng)的控制畸變的途徑，抓主要矛盾，減小控制滲碳淬火工藝過程的畸變量。滲碳淬火畸變主要由零件在機加工時產(chǎn)生的殘余應(yīng)力、熱處理過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力以及零件自重等共同相互作用產(chǎn)生的．影響因素眾多，包括齒輪的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸、原材料及冶金質(zhì)量、鍛造和機加工的殘余應(yīng)力、裝料方式和熱處理工藝及設(shè)備等。另外滲碳淬火畸變具過程函數(shù)特征。

1.3  研究方法及解決方案

滲碳淬火齒輪的變形問題已經(jīng)成為世界性的難題。過去對滲碳齒輪變形的研究，只針對熱處理工藝、工裝及裝爐擺放對變形的影響進行研究和控制。我們這次對滲碳淬火齒輪畸變研究的解決方案是：采取分類突圍的辦法，即能解決的解決（用離子氮化代替滲碳淬火），能減小的減小（簡化滲碳淬火熱處理工藝），能控制的控制（采用微觀因素分析、宏觀進行控制的辦法，對滲碳淬火齒輪的變形進行控制）。

我們瞄準國際上控制畸變的先進技術(shù)，借鑒國內(nèi)外控制畸變的先進經(jīng)驗，采用“一條直線，兩條曲線”的研究方案，在三個方向上、全方位地向滲碳淬火畸變（世界性難題）挑戰(zhàn)，同時向滲碳淬火畸變展開了科技創(chuàng)新的攻堅戰(zhàn)。在理論研究、工藝試驗上同時進行；在結(jié)構(gòu)尺寸影響因素、滲碳淬火工藝影響因素上同時試驗；一條直線，即直接向影響滲碳淬火齒輪畸變的主要因素開戰(zhàn)；兩條曲線，一是簡化滲碳淬火工藝，來降低滲碳淬火的畸變；二是以離子氮化代替滲碳淬火表面強化工藝，從根本上遠離滲碳淬火的痼疾--畸變問題。

指導思想是：從微觀因數(shù)的分析研究入手，形成一個微觀因素宏觀控制的辦法，即制定一個滲碳齒輪畸變的宏觀控制標準。

1.3.1  控制滲碳淬火的畸變

采用國際上通用的C形畸變試樣（見圖3）、模擬齒輪（見圖1和圖2）、金相試樣、心部性能試樣、剝碳層試樣（見圖4）等研究工具，對不同材料、不同工序、不同的熱處理工藝的畸變量進行基礎(chǔ)測試試驗；采用模擬齒輪，對不同結(jié)構(gòu)尺寸的、不同工藝的變形量進行對比測試試驗，大直徑薄壁滲碳淬火齒輪的攻擊目標是影響畸變最大的因素即結(jié)構(gòu)尺寸，有人說在影響齒輪畸變的眾多因素中，齒輪結(jié)構(gòu)尺寸的影響占到了60%，對于普遍性上講，可能說的過于嚴重了，但對于大直徑薄壁滲碳淬火齒輪（沒有經(jīng)過抗畸變優(yōu)化設(shè)計的）來講，結(jié)構(gòu)尺寸對畸變的影響不是占到了60%的問題，而是遠遠超過了60%的，甚至達到80%；而對于另外一類畸變量大的齒輪，即人字齒滲碳淬火齒輪，其薄弱環(huán)節(jié)是滲碳淬火過程，由于自重和高溫引起的高溫蠕變產(chǎn)生的錐度變形，兩類齒環(huán)的攻擊均取得了重大突破，并提出控制滲碳淬火畸變的相關(guān)措施及有效的解決方案。結(jié)構(gòu)尺寸之外就是采用微觀因素宏觀控制的辦法，對滲碳齒輪的變形問題進行控制，對滲碳淬火變形的微觀影響因素進行分析研究，首先進行滲碳淬火齒輪的變形數(shù)據(jù)記錄，對數(shù)據(jù)進行歸納分析，借鑒先進的控制變形方法，形成一個微觀因素宏觀控制的辦法，即制定一個滲碳齒輪畸變的宏觀控制標準。                     

圖3、通用C形畸變試樣

圖4、剝碳層、金相、心部性能試樣

1.3.2  簡化現(xiàn)行的、過于復(fù)雜的滲碳淬火工藝

這主要是針對高參數(shù)齒輪，采用復(fù)雜的滲碳淬火工藝的齒輪。復(fù)雜的滲碳淬火工藝該對于保證產(chǎn)品質(zhì)量的確有好處，但工藝太復(fù)雜，不僅制造周期長，制造成本高，而且畸變量大，能源消耗也大。對于相對要求不是很高的齒輪也沒有必要。我們就是要研究簡化現(xiàn)有的復(fù)雜的滲碳淬火熱處理工藝，至少是在參數(shù)要求不是很高的齒輪上應(yīng)用。所以我們以減小滲碳淬火變形為目的，簡化、改進滲碳淬火熱處理工藝，在進行滲碳淬火工藝試驗的基礎(chǔ)上進行改進，要做兩個方面的試驗，一是改進后心部性能的試驗，二是改進后表面滲層的性能試驗。對不同設(shè)計要求的滲碳齒輪用不同的滲碳工藝方法。技術(shù)關(guān)鍵是，工藝簡化后，要保證表面和心部的性能。滲碳層的性能包括碳化物的級別、馬氏體和殘余奧氏體的評級、表層內(nèi)氧化的評級、滲碳層的厚度、表面硬度等；心部性能包括心部組織。

1.3.3  離子氮化代替滲碳淬火

本項目的一個突圍方向，就是部分滲碳淬火齒輪用離子氮化代替，離子氮化代替滲碳淬火工藝對于解決滲碳淬火齒輪的畸變問題具有重大的意義，也是世界上技術(shù)發(fā)達國家的研究方向，著名的美國費城齒輪公司有43%的高參數(shù)齒輪采用的是氮化處理。采用氮化熱處理，就沒有了滲碳淬火齒輪的變形問題，也可以說從根本上解決了畸變的問題。

從提高齒面接觸疲勞、齒根彎曲疲勞入手進行試驗研究，研發(fā)高質(zhì)量的深層離子氮化工藝，提高許用應(yīng)力極限；研究改進預(yù)備熱處理工藝、提高心部性能，也提高許用應(yīng)力極限；應(yīng)用有限元對大尺寸薄壁滲碳淬火齒輪進行應(yīng)力分析，對表面剝落進行力學分析，形成一個判據(jù)，將符合條件的滲碳淬火齒輪改為離子氮化處理，從根本上遠離滲碳淬火的痼疾--畸變問題。

1.4  試驗研究方案及實施

1.4.1試驗研究方案

首先對齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸進行畸變的工藝試驗，大尺寸薄壁齒輪的畸變試驗包括如下的內(nèi)容：齒輪直徑與厚度的比值對畸變量影響的試驗；齒輪工藝孔的圓周位置對畸變量影響的試驗；齒輪工藝孔的數(shù)量以及圓周分布對畸變量影響的試驗；齒輪直徑與厚度的比值對橢圓度變形量影響的試驗；工藝孔直徑及圓周分布對橢圓度變形量影響的試驗；滲碳淬火工裝、工藝方法對雙人字齒輪變形量影響的試驗；不同預(yù)備熱處理方法對齒輪畸變量影響的試驗；滲碳淬火工藝簡化的工藝試驗；不同材料、不同工藝參數(shù)、不同的滲碳淬火工藝方案對齒輪畸變量影響的試驗等。

1.4.2試驗研究的實施

圖5是裝入試驗件最多的一爐畸變試驗的照片，裝入了模擬齒輪23個，C形畸變試樣45個，金相試樣9串，心部性能試樣3個，剝碳層試棒3個，共計裝入試樣83個。圖6是局部放大的裝爐示意圖，用來

圖5、試驗裝爐照片

圖6、說明裝爐要點的照片

說明裝爐要點的，進行對比的模擬齒輪、C形畸變試樣、金相試樣等，裝爐時一定要保證所處的環(huán)境一致，即在滲碳工藝過程中，要保證碳勢趨于一致，在淬火工藝過程中，要保證淬火的冷卻條件一致，這樣裝爐時要保證兩個對比模擬盤的高度一致，位置臨近，盡量減小對比試樣間的環(huán)境差異。另外尺寸測量，測試試驗前、淬火回火后的測量，要由同一個人測量，使用同一個千分尺，且千分尺要經(jīng)過校核等，即盡量減小測量誤差。

1.5  成果匯報

本試驗研究已經(jīng)申報且受理的發(fā)明專利13項，例如：一種抗畸變薄壁滲碳淬火高速齒輪及應(yīng)用；一種滲碳淬火高速齒輪抗畸變的預(yù)備熱處理工藝選擇方法；一種離子氮化齒輪承載能力的計算判斷方法；一種用于滲碳淬火齒輪變形量測試的畸變試樣；一種減小薄壁滲碳淬火高速齒輪畸變量的方法及應(yīng)用等。發(fā)表論文30余篇，高靈敏度C形畸變試樣的開發(fā)試驗研究；薄壁滲碳淬火齒輪工藝孔設(shè)計對畸變量的影響；薄壁滲碳淬火齒輪直徑厚度比對畸變量的影響；12Cr2Ni4鋼預(yù)備熱處理方法對畸變量的影響；三種滲碳淬火鋼內(nèi)氧化敏感性的試驗研究；滲碳材料網(wǎng)狀碳化物敏感性的研究；三種材料的離子氮化性能比較等。2018年在“The 25th Congress of InternationalFederationfor Heat Treatment and Surface Engineering”國際會議上宣讀了題為“Distortion Control Technology for Large-Size and Thin-WallCarburizing and Quenching Gear”的論文，2019年將在“ASM Heat Treating Society 30th Annual Conference and Exhibition”國際會議上宣讀題為“Research of Distortion Characteristics of Carburizing and QuenchingGears”的論文。

參考文獻:

[1]孫銘炎，華公平，等.滲碳齒輪的熱處理畸變及其控制技術(shù)[J].熱處理，2008,23（3）:24-31.

作者：沈陽熱處理學會  張忠和