有关齿轮热处理变形因素分析

孤鸿踏雪

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       某些因素对渗碳齿轮热处理变形的影响（摘要）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（哈尔滨第一机械制造厂  姚桐年）
　　渗碳齿轮的热处理变形受很多因素影响，问题往往比较复杂。本文作者收集了1970年以来的有关文献，就一些对变形有重要影响而尚未为人们所充分重视的因素进行了介绍。
    （1）渗碳后的淬火冷却速度
　　渗碳后无论是直接淬火还是重新加热淬火，渗碳后的冷却速度对齿轮的变形有极重要的影响。
　　从减小齿轮变形出发，当要求重新加热淬火时，渗碳后应缓慢冷却。但缓冷（如坑冷）会造成网状碳化物析出。B.C.Carapдзe等提出齿轮在气体渗碳后最理想的冷却方法是在450℃等温冷却，他们用20Cr2Ni4A钢开口园环（фpeнна）在油冷、空冷以及650、625、600、575、450、350℃等温冷却和在200℃的碱浴冷却后，对渗层的应力分布和变形发现：450℃等温与650℃和350℃等温、油冷、空冷及200℃碱浴冷却时的应力分布近似，但经450℃等温处理的变形总是较小。
　　实际生产中，齿轮采用等温冷却是困难的，但可适当利用这一现象，例如渗碳后可以吹风冷却，控制风冷时间，在齿轮表面温度接近450℃时停止吹风。
　　齿轮渗碳后淬火时的冷却速度是影响齿轮变形的第一要素，以至于可以掩盖其他因素的影响。当冷却速度加快时（用快速冷却油BP/QA--55、水冷等），其尺寸变化明显加大。
    （1）淬火介质
    渗碳后的冷却对齿轮变形的影响之大是人所共知的，直接淬火时严格控制淬火介质的参数是非常重要的，冷却速度不仅影响变形的平均值，而且影响变形的散布。
　　油温是影响冷却的一个主要参数。一般认为：对于表面热处理，淬火油的温度应为50～80℃，无论如何不要低于50℃为了减小变形，宜延迟淬火油的搅拌。C．Pavee用30CD4和27CD4钢进行的试验（在0～80s之间变化开始搅拌的时间），发现延迟30s搅拌，变形最小。
    （2）淬透性
    许多人研究结果指出：渗碳钢的淬透性对热处理变形有明显影响。H.Fujio认为渗碳钢热处理的尺寸变化与钢的临界直径有线性关系。Llewellyn指出，渗碳钢的变形与淬透性的关系是复杂的。渗碳钢的淬透性对尺寸变化有明显影响。这种作用主要表现在零件截面由不能淬透到可以淬透的过渡中。当零件已经淬透，继续增大淬透性，影响减弱。
    含硼的渗碳钢热处理时尺寸变化的规律特殊。含硼钢在低的淬透下就表现出明显的径向收缩。硼钢中的含碳量对尺寸变化有强烈的影响。
    一般商用钢技术条件允许Jominy淬透性带颇宽，达14HRC以上，对渗碳零件变形的稳定性是不利的。齿轮渗碳钢应把允许的淬透性带宽度缩小一半，用上半部，否则难以避免不同熔炼号的钢尺寸变化的波动。
　  产品设计时选择刚好能淬透的材料是经济的。但淬透性正好是影响变形的最敏感条件。从减小尺寸变化的波动考虑，稍稍过合金化是适当的。
    （3）马氏体转变温度
　  Llewellyn等发现伪渗碳的环形试棒与渗碳试棒相比尺寸变化要大。Carap-дзe等也指出伪渗碳的фpeнча试棒尽管在渗碳之后开口扩胀较小，但在淬火之后却要大得多。渗碳有减小尺寸变化的作用（在相同的热规范下相比）。Llewellyn等指出这是由于渗碳降低了表面层的马氏体转变温度。
　　A.J.F.lether根据滞弹性---塑性数学模型，用有限差分法计算了淬火时马氏体转变温度对应变和应力的影响。结果表明：Ms温度对表面和心部的残余应力影响不大，但对残余应变有明显影响。水淬十分明显，油淬不太显著。马氏体转变温度范围越窄，淬火变形减小。从理论上证明了Llewellyn的观点。
　　Llewellyn等认为化学成分对渗碳零件变形的影响，首先是由于化学成分影响钢的淬透性。但淬透性的影响在达到零件整个截面淬透为止，以后化学成分的影响则主要是通过降低Ms温度而起作用的。
　　渗碳层的碳浓度影响Ms，因而也影响渗层残留奥氏体的量。所以不论从改变应变分布还是改变残留奥氏体量考虑，表面碳浓度都影响尺寸变化。内藤武志认为：精度要求高的工件渗碳必须是精密渗碳，即严格控制表面碳弄度。
    （4）预先热处理
　　渗碳前组织是否稳定，内应力是否彻底消除，对零件渗碳及其后的热处理变形有很大影响。所以有一些要求变形小的齿轮不仅进行毛坯正火、高温回火，而且在粗加工之后还要进行正火、高温回火（或只高温回火）。
　　最近有人试验在渗碳前预先进行调质处理，发现有显著效果。
　　Bamyk用20Cr2Ni4A钢制造的外径φ320mm的M8齿轮，对比了经两种不同的预先热处理，渗碳后或最终热处理后齿轮的变形。一种预先热处理是：锻造后正火、高温回火，粗加工后只进行高温回火；另一种是：锻造后正火、高温回火，粗加工后进行一次淬火及高温回火。结果表明：后者不仅减轻齿轮变形，而且提高变形的稳定性。
    （5）装炉方式
　　齿轮渗碳可平放装炉，也可挂起来让齿轮端面垂直于水平方向。一般认为挂起来装炉变形小，但不能盲目认为垂直悬挂总比平放好。在直接淬火的条件下，很薄的盘形齿轮或者水平淬火时，轮辐凹槽中由于淬火液不能对流易引起冷却不均匀时，悬挂装炉或许是有好处的，但不可一概而论。
　　（6）设计
　　齿轮应有尽可能高的对称性和均匀的截面。有人认为轮缘宽度取齿高的1.5倍对保证加热和冷却的均匀是有利的。花键孔是齿轮各尺寸要素中对变形反应最敏感的一个，轮毂壁厚不易太薄，否则由于径向冷却太快，会造成淬火后花键孔过分收缩。轮毂与薄的轮辐相连的部分，由于轮辐宽度方向散热较快，
　　可能在冷却中内孔的这个部位来不及收缩，造成局部胀大。在实际生产中，带花键孔的齿轮在渗碳淬火后经常发现化键明显收缩，以至于在校正花键时拉刀刮擦键底，易卡住拉刀。这种情况，在渗碳和淬火时采用加心轴的办法，减缓花键孔的冷却速度，可有效减小收缩量。
　    在设计中往往被忽视的一点是轮副辐上的孔。钻孔与否，钻孔大小，一般并未严格推敲。事实上齿轮参数在热处理中的变化主要是齿轮体的变形引起，因此轮辐钻孔与否有较大影响。Mypзин等在20Cr2Ni4A，M＝12，Z＝35的盘形齿轮上进行了试验。发现轮辐钻孔（一周8孔）使齿轮花键内孔的收缩增加101～184μm，公法线长度平均值的缩小增加接近190μm，花键宽的收缩量增加42～49μm。但是公法线长度变动量成倍减小，花键孔的形状改变（椭园度或园锥度）减小44～47μm，而且变形稳定。这是由于淬火时改善了油的循环，增大了冷却速度，保证了冷却的均匀性。Mypзин等还提出了钻孔直径为轮辐宽的1/3时最为有利。                 
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吉祥如意

感谢奉献。感谢无私奉献！

沧海一声笑

不同材质，不同的加工方法，不同的装炉量，不同的渗碳处理设备，不同的形状结构，不同的冷却方式等等都会带来不同的变形量！！

追求卓越

齿轮变形是一个难题，究竟如何控制才能使变形最小？

孤鸿踏雪

追求卓越 发表于 2013-8-21 14:23
齿轮变形是一个难题，究竟如何控制才能使变形最小？

       这是一个老生常谈而长期存在的大课题啊