解析齿轮热处理工艺

解析齿轮热处理工艺

赵时静

赵时静（哈尔滨汽轮机技工学校，黑龙江哈尔滨150046）

摘要：本文分析齿轮加工中对锻造及热处理的要求和齿轮热处理变形的两种类型，说明了齿轮热处理中控制变形的措施。

关键词：齿轮热处理；要求；措施

前言

在历史的发展的进程中，热处理工艺的作用逐渐被人们所认识。早在公元前，中国人在生产实践中就已发现，铜铁的性能会因温度和加压变形的影响而变化。白口铸铁的柔化处理就是制造农具的重要工艺。公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高钢的硬度，淬火工艺遂得到迅速发展。随着淬火技术的发展，人们逐渐发现淬冷剂对淬火质量的影响。钢在加热和冷却时，内部会发生组织改变，钢中高温时的相在急冷时转变为一种较硬的相。与此同时，人们还研究了在金属热处理的加热过程中对金属的保护方法，以避免加热过程中金属的氧化和脱碳等。二十世纪以来，金属物理的发展和其他新技术的移植应用，使金属热处理工艺得到更大发展。

1齿轮材料的选择

齿轮应按照使用的工作条件选用合适的材料。齿轮材料的选择对齿轮的加工性能和使用寿命都有直接的影响。一般齿轮选用中碳钢（如45钢）和低、中碳合金钢，如20Cr、40Cr、20CrMnTi等。要求较高的重要齿轮可选用38CrMoAlA氮化钢，非传力齿轮也可以用铸铁、夹布胶木或尼龙等材料。

2热处理工艺的特点

金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。钢铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性能。

3齿轮加工中对锻造及热处理的要求

齿轮类零件是减速机的重要组成部件，其质量的优劣，直接影响减速机的使用寿命和安全生产。齿轮加工机床出现和使用以后，严重影响和制约齿轮加工质量的瓶颈出现在毛坯锻造工艺和热处理工艺，其中尤以热处理工艺为重。齿坯锻造环节，由于工艺执行不严格，容易出现内部裂纹，在机械加工过程中不易被发现和检测，往往工件处于成品或半成品时在内应力的作用下由内部裂开造成废品，产生质量事故，此类质量问题时有发生，应严格注意。热处理过程，齿轮类零件一般要进行两次以上的热处理。对齿坯进行热处理的主要目的是消除热锻齿坯造成的内应力，改善齿坯在加工前的金相组织和可加工性，从而提高生产率，节约刀具费用，提高机床使用率，减少和防止机械加工中或在进行热处理时的变形。齿形加工后进行热处理的目的，主要是提高轮齿工作面的硬度、工作强度及耐磨性。在此热处理工艺过程中齿轮类零件极易产生变形，需要精心操作，细心摸索规律，严格控制淬火时的升温时间、保温时间、工件大小和在炉内的放置方式，尽量减少工件在此过程中的变形量。对圆柱齿轮来说，如果变形量过大，在齿面精加工过程中，存在单侧轮齿磨不出来而发生废品。或是齿形齿向在精磨中发生改变，使得接触区偏向一边，影响接触区位置，达不到要求。锥齿轮在热处理过程中要求高，但是热后变形也最大。最终热处理后，齿轮轴的变形是轴体与轴头的中心偏差，齿轮的变形是整体弓变，在硬齿面刮削过程中出现凸凹面，少数轮齿一面提前进入切削，另一面切削到齿厚时还有黑皮，达不到要求，齿面没有完全切成。提前进入切削的少数齿面的渗碳层此时已经被切薄，甚至被切掉，使得轮齿失去硬度和强度，表面看起来挺好，可是在实际装箱使用时寿命大幅减少。在齿轮类工件的生产过程中，从齿坯料的锻造，到粗加工后的热处理以及精加工后的热处理，都要严格执行各工序的工艺流程，减少废品，节约成本，提高产品质量是非常关键的。

4齿轮热处理变形的两种类型

齿轮热处理变形有两种类型：一是零件几何形状的变化，二是尺寸的变化。热处理技术的不同，齿轮的几何形状的变形和尺寸及防变形方法也不相同。在常规热处理中，零件形状变化的主要原因是热处理加热和淬火时发生的热应力和相变应力。加热速度过快、相对于加热炉而言零件太大、零件各部分的温度不同，都会导致热变形。保温时，加工的残余应力会发生释放而产生变形，零件的自重也会导致变形。冷却时，由于零件不同部位的冷却速度不同，会形成热应力而使零件变形。即使冷却速度相同，冷却总是表面快，心部慢。所以，先相变的表面使未相变的心部发生塑性变形。如果热处理材料中存在合金成分的偏析，或者表面脱碳，则相变应力更不均匀，更易导致零件变形。此外，如果零件厚薄不均，也会造成冷却速度不同。在锻件的热处理中，减少变形的零件摆放方式，一是尽可能垂直吊挂，二是用两点水平支撑，支点位置处于全长的三分之一与四分之一之间，三是垂直放在炉底部，四是平放于耐热钢工装上。在零件的冷却过程中，淬火介质的种类、冷却性能、淬硬性等与变形有关。冷却性能的变化可通过改变热处理介质的黏度、温度、液面压力、使用添加剂、搅拌等进行调节。淬火油的黏度越高，温度越高，椭圆形变形越小。在静止状态下，变形较小。

5齿轮热处理中控制变形的措施

5.1控制原材料减小变形

我国高速重载齿轮行业目前普遍使用的钢种有20CrNi2Mo、20Cr2Ni4等，由于受到冶炼水平等影响，原材料质量状况不尽人意。同时由于进货渠道不同，质量也有较大波动，给变形控制带来很大难度。总体来说，原材料对变形的影响如下：材料淬透性是影响热处理变形的主要因素之一，淬透性带宽较小变形较小；反之则变形较大。钢的冶金质量，钢材经过真空脱气处理后，材料纯净度提高，杂质含量少，晶粒度均匀，以氧化物为主的夹杂物大幅度减少。在这方面，国外的冶金质量控制得较好，而国内齿轮钢化学成份波动较大，有害夹杂物含量高，钢锭偏析严重，这对齿轮变形控制造成先天性缺陷。锻件质量，合理的锻造流线和锻造比；严格控制锻件利用率；加强锻后热处理控制。

5.2设计和机加工的预先控制

合理的设计，零件的结构、用材、技术要求对其热处理工艺性能有很大的影响。处理好它们之间的关系，对减少淬火变形大有益处。合理结构即零件在设计时其形状应尽可能简单，分布均匀、对称，力求在零件上避免盲孔、尖棱等。由于零件设计不合理，往往在淬火时应力分布不均匀，而产生不规则变形。零件在选材时，首先应保证使用性能的要求，同时还要考虑热处理工艺性能及经济的合理性。既不能为降低成本采用热处理工艺性能较差的材料，又不能盲目提高成本。机加工由于进给量、工件各部位加工余量及加工差异，可导致工件各部位应力性质不同和应力分部不均衡，致使工件在淬火时发生变形。变形的预补偿，对大型齿圈，可针对渗碳淬火后齿顶圆涨大规律，预先车小齿顶圆；对大型齿轴的螺旋角，可采取滚齿时预补偿办法达到减小螺旋角变形的目的。

结束语

针对热处理工艺的特点和齿轮加工中对锻造及热处理的要求，在齿轮热处理过程中采取措施，减少和控制热处理变形，确保齿轮热处理的质量。