大型齿轮渗碳淬火变形原因及其控制

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1 引言

大型齿轮渗碳淬火的变形直接关系到齿轮强度、精度等质量指标。对于渗碳淬火的齿轮，特别是大型齿轮，其变形量很大，且难以控制。较大的变形不仅会使磨齿加工的磨量增加，成本提高，而且影响齿轮制造精度，降低承载能力，最终寿命也会大大下降。大型齿轮渗碳淬火热处理变形主要是由于工件在机加工时产生的残余应力，热处理过程中产生的热应力和组织应力以及工件自重变形等共同作用而产生的。影响齿轮渗碳淬火变形的因素很多，包括齿轮的几何形状、原材料及冶金质量、锻造和机加工的残余应力、装料方式和热处理工艺及设备等诸方面。掌握变形规律，减少齿轮渗碳淬火变形，能够提高齿轮的承载能力和使用寿命，对缩短制造周期，降低生产成本也都具有重要意义。

2 大型齿轮渗碳淬火变形规律

对大型齿轮质量和寿命影响最大的变形来自齿轮外径、公法线长度和螺旋角等。一般说来，变形趋势如下：

2.1 大型齿轮变形规律：大型齿轮渗碳淬火后齿顶圆外径呈明显胀大趋势，且上下不均匀呈锥形；径长比（齿轮外径/齿宽）越大，外径胀大量越大。碳浓度失控偏高时，齿轮外径呈收缩趋势。

2.2 大型齿轮轴变形规律：齿顶圆外径呈明显收缩趋势，但一根齿轴的齿宽方向上，中间呈缩小，两 端略有胀大

2.3 齿圈变形规律：大型齿圈经渗碳淬火后，其外径均胀大，齿宽大小不同时，齿宽方向呈锥形或腰鼓形。

3 渗碳淬火齿轮变形原因

3.1 渗碳件变形的实质

渗碳的低碳钢，原始相结构是由铁素体和少量珠光体组成，铁素体量约占整个体积的80%。当加热至AC1以上温度时，珠光体转变为奥氏体，900℃铁素体全部转变为奥氏体。920—940℃渗碳时，零件表面奥氏体区碳浓度增加至0.6—1.2%，这部分碳浓度高的奥氏体冷至600—650℃才开始向珠光体、索氏体转变，而心部区的低碳奥氏体在900℃即开始分解为铁素体，冷至550℃左右全部转变完成。心部奥氏体向铁素体转变是比容增大的过程，表层奥氏体冷却时是热收缩量增加的变化过程。在整个冷却过程中，心部铁素体生成时总是受着表层高碳奥氏体区的压应力。此外，大型齿轮由于模数大、渗层深，渗碳时间较长，由于自重影响，也会增加变形。

3.2 大型齿轮渗碳淬火变形的原因

工件淬火时，淬火应力越大，相变越不均匀，比容差越大，则淬火变形越严重。淬火变形还与钢的屈服强度有关，塑性变形抗力越大，其变形程度就越小。

从齿轮和齿轮轴渗碳淬火冷却各部位冷却速度、组织及硬度状态比较分析，可以发现上中下各部位冷却速度的差别，以及表面、过渡区、心部冷却速度差别，和其组织转变的不同时性是造成齿轮变形的主要原因。减小大型齿轮渗碳淬火变形也要通过提高各环节的均匀性来实现。