柱形齿轮热整治形变扼制和原则解析

　　降温到860直接出炉油淬，再进行180、120min回火处理，渗层深度控制在1822mm.试验结束后进行检测，硬度、渗层深度达标，但公法线长度畸变量达007011mm，内花键M值畸变量为006008mm，同时平面度超差。根据次试验结果，修改后的第二次试验工艺路线为：锻造正火加工齿形加工内花键气体渗碳预冷淬火低温回火喷丸磨齿。其中渗碳设备改为IPSEN多用炉，渗碳介质采用丙酮，淬火介质改为HoughtonG型淬火油，采用特殊料架挂装。渗碳后降温到860淬火，出炉后进行180、120min回火处理，渗层深度1822mm.试验后检测结果表明，齿轮外公发线长度、内花键M值及平面度畸变量仍然超差。同时，在两次试验冷加工过程中发现了坯件齿形加工切削性能差和磨齿裂纹的问题。

　　综合两次试验结果，深入分析各热加工、热处理工序的特点及可能出现的问题，第三次试验工艺路线确定为锻造二次正火加工齿形加工内花键碳氮共渗预冷淬火低温回火喷丸磨平面。其中将原工艺中的锻后一次正火改为二次正火，并将正火时间由原来的180min改为240min.改气体渗碳为碳氮共渗，渗透介质为丙酮、氨气。将渗碳后淬火温度降至820，采用HoughtonG型淬火油淬火，零件采用挂装。同时根据、二次试验结果中畸变规律，修正机加工工艺参数。试验结束后检测结果表明，齿轮畸变量很小，且机加工过程中未出现问题，终加工变为简单的平面磨削，简化了工艺，提高了加工效率。

　　试验结果与分析试验结果三次试验测得的数据。

　　正火对渗碳齿轮的畸变的影响试验中，对锻造正火后的金相组织进行观察，在、二次试验中正火组织中存在着粒状贝氏体，并且铁素体以白色断续网状分布，珠光体呈黑色块状，晶粒较粗大。这是由于渗碳齿轮钢坯在锻造时，因高温加热，变形度不均匀以及终锻温度较高，会造成奥氏体晶粒的粗大和不均匀。而由粗大奥氏体晶粒形成非稳定组织的低碳低合金钢有组织遗传性，锻后冷却时，粗大晶粒部分容易获得非稳定的显微组织，如W和B;晶粒细小部分容易获得FP.在正火加热时，前者因组织遗传又会形成粗大晶粒，而FP的细小部分则获得较小晶粒。这种混晶组织在正火空冷时，粗晶粒部分还容易形成B.因此，造成在机加工时切削性能恶化，由于刀具磨损变钝，切削力变大，增加了表面残余应力。同时，齿轮锻坯正火后有由粗大奥氏体晶粒产生的B组织存在，因此在后期的渗碳加热时又会因组织遗传形成粗大晶粒，淬火中这部分粗大晶粒的淬透性大于细小晶粒的部分，使淬火内应力分布不均，致齿轮热处理畸变增大。针对这种情况，采用较高温度和较长时间的二次正火方法，通过相变硬化使高温奥氏体再结晶，达到细化晶粒，消除组织遗传的效果。同时避免了在碳氮共渗时由于晶粒粗大引起的网状碳氮化合物的出现，保证齿轮的使用性能。

　　渗碳、氮共渗及淬火对齿轮畸变的影响低碳钢件通过渗碳可使表面获得高的碳浓度，在经过适当淬火和回火处理后，可提高表面硬度、耐磨性和疲劳强度，而心部保持好的韧性和塑性。但由于渗碳温度高，奥氏体晶粒长大，淬火前虽经预冷，但晶粒不会收缩，淬火后马氏体较粗，残余奥氏体也较多且组织粗大，造成耐磨性降低，变形较大。采用碳氮共渗，共渗温度较低，晶粒长大倾向小，预冷淬火后得到细针含氮马氏体、残余奥氏体及碳氮化合物，晶粒较细，变形小。同时，碳氮共渗后直接淬火时，温差变化较渗碳小，因此由内外温差引起的热应力也较小，带来的齿轮畸变也较小。并且齿轮共渗后经热处理获得的含氮马氏体和少量氮化物耐磨性比渗碳组织更好，同时心部组织为低碳马氏体及铁素体，保证了工件心部具有较高的强度和冲击韧性。

　　渗碳后淬火、回火处理的金相组织(400)碳氮共渗后淬火、回火处理的齿脚组织(400)碳氮共渗后淬火在淬火过程当中，由于齿轮内外层的冷却速度不同而造成各处温度不一致，使工件热胀冷缩的程度不同，从而产生了较大的热应力。同时，由于表面含碳量的增大，使表面易发生马氏体转变，工件表面首先转变成马氏体硬壳，将工件固定在相对尺寸较大的范围内。而当马氏体转变时，由于比容的变化差，体积还要胀大，此时渗碳层和中心仍处于奥氏体状态，首先转变的马氏体胀大，加之渗碳层和中心转变马氏体时又附加胀大，故零件淬火后恢复不到淬火前的尺寸。

　　淬火介质的影响淬火冷却时为了获得马氏体，必须使冷却速度大于VK(临界冷却速度);而快冷将产生巨大的组织应力和热应力，使工件有变形、开裂的危险。为了解决上述矛盾，钢的理想淬火介质冷却过程。650以上缓冷以减小热应力;650400之间快冷，以避免过冷奥氏体分解;400

　　以下慢冷通过马氏体转变区，降低马氏体转变时所产生的组织应力，以防止淬火变形和开裂。理想淬火介质冷却曲线是选择冷却介质的重要依据。合金钢的临界冷却速度小，可采用较为缓和的淬火介质。

　　因此在第二、三次试验中选取了HoughtonG型淬火油，其冷却曲线如所示。HoughtonG图型淬火油冷却特性曲线5钢的理想淬火冷却曲线224根据热处理畸变规律调整机械加工工艺参数根据齿轮热处理畸变规律调整机加工工艺参数，使经过热处理的渗碳齿轮符合技术要求。此次试验中根据热处理后齿轮公法线长度及内花键M值变大的规律，适当修改机加工工艺参数，效果明显。

　　结论(1)渗碳或碳氮共渗前合理的正火工艺是消除粒状贝氏体、网状铁素体和块状珠光体等不正常及粗大组织的关键措施。若齿轮坯件模锻加热温度过高，组织中出现组织不正常、晶粒粗大的情况，经一次正火很难常化和细化组织，则可采用二次正火的工艺进行改善，从而减小由于粗大晶粒因组织遗传带来的齿轮畸变以及机加工残余应力。同时也可减少在碳氮共渗时由于晶粒粗大引起的网状碳氮化合物，提高齿轮表面的耐磨性能。

　　(2)对于尺寸精度和性能要求都较高的齿轮，采用碳氮共渗替代高温渗碳，在保证性能的前提下，有效降低因加热温度较高由粗大奥氏体在淬火过程中转变为粗大马氏体引起的齿轮畸变。同时，淬火温度的适当降低，也减少了因温差带来的热应力畸变。

　　(3)随着新型淬火介质的不断出现，认真分析工件材质的淬火冷却特性，选用性能适当的淬火介质也是减小齿轮热处理畸变的有效措施。