齿轮渗碳淬火过程中齿部畸变严重，这样处理合格率100%

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作者：赵建森，朱百智，占彬，江红兵

单位：南京高速齿轮制造有限公司

来源：《金属加工（热加工）》杂志

大的形势咱们就不叙了，直接上问题：图1所示为某公司大兆瓦机型的平行级齿轮，材料为18CrNiMo7-6钢，轮齿模数为10mm，要求采用渗碳淬火。此齿轮外径1680mm，齿宽180mm，内孔直径500mm，采用薄辐板设计。热处理技术要求见表1。

图1  齿轮外形尺寸

表1 18CrNiMo7-6钢齿轮热处理技术要求

有效硬 化层深/mm	表面硬 度HRC	心部硬 度HRC	碳化物	马氏体	残留奥 氏体（%）	心部 组织	IGO /mm
2.9~3.9	58~64	≥30	ISO 6336：5 MQ级	细针状	≤30	无块状 铁素体	≤0.05

一、工艺路线

齿轮加工工艺流程为锻造→正火→粗车→滚齿→倒角→渗碳淬火→喷丸→半精车→精车→插键槽→装配→镗→磨齿→入库。

在试制过程中，该齿轮经渗碳、高温回火、淬火、低温回火及喷丸后，在磨齿加工时，发现齿部畸变较大，试磨削后零件公法线小于要求值，同时齿根位置出现磨削台阶，零件作报废处理。

二、试制工艺及变形机理分析

在试制初期，考虑齿轮径宽比达9.3，辐板较薄，减重孔大，零件容易发生翘曲变形，综合考虑现场实际情况，选择序列号为H1的零件进行试制。试制热处理工艺如图2所示，采用“渗碳-高回-淬火-低回”工艺模式，在升温时采用阶梯升温，淬火采用盐浴淬火。

图2 H1零件热处理工艺（原工艺）

零件使用2m井式渗碳炉工装平装，装炉时为方便操作，选择8间隔的底盘工装，垫放4块扇形蜂窝板并间隔摆放，如图3所示，在高温回火后淬火装炉更改为挂装，挂装位置为零件内孔，如图4所示。

图3 H1零件渗碳装炉           图4 H1零件淬火装炉

零件热处理后各项理化指标检测合格，在磨齿工序反馈齿部畸变大，试磨削后零件公法线604.74mm，低于要求值下限605.014mm，部分轮齿齿根存在磨削台阶，零件作报废处理。

为了确定零件的变形原因，收集了H1零件磨齿时的对中数据，并对数据进行分析。

1）查看齿部的磨齿对中余量报告，多个齿形出现齿向交叉，整个齿向变形很大。

2）汇总左右齿面的磨齿对中高点与低点之差，采用雷达图分析，如图5所示，发现在57号~82号齿位置变形最大，其余位置变形尚可接受。

图5 H1零件左右齿面变形

3）对比左右齿面的磨齿余量分配，未发现磨齿时存在显著的偏心，车削内孔和端面基准时满足要求。

4）将左右齿面的磨齿对中数据进行平均，如图6所示，发现零件节圆存在明显的椭圆，椭圆趋势呈梨状分布，椭圆量约0.18mm。

图6 H1零件左右齿面平均磨量

根据对H1零件磨齿对中数据的分析，暂无法判定零件齿向变形是由端面翘曲或齿部畸变造成的。

零件的椭圆趋势呈梨状分布，虽无法确定具体位置是否与挂装有关，但根据单点挂装的情况推测，梨柄位置（148号齿附近）应是与工装接触的位置，此处凸起最大；左右齿面变形量最大位置无显著规律，但在椭圆的梨状尾部附近（即挂装下部）变形趋势最大。

根据以上分析，工件变形的主要原因有：

1）零件齿部变形的随机分布与渗碳工艺有关，如升温速度、渗碳温度等。

2）零件渗碳时仅采用4个蜂窝盘间隔摆放，在渗碳时发生蠕变，端面产生翘曲变形，从而引起齿向交叉。

3）在挂装淬火时，淬火加热时的蠕变引起变形，主要表现为淬火时挂装引起的椭圆。

4）零件盐浴淬火时，最先接触的位置表现出更大的变形趋势，该位置首先与盐浴发生接触，且该位置距离底部搅拌器较近，流体相对流动速度较快。

三、工艺改进

根据对H1零件的分析，我们无法找到引起该零件变形的关键因子。基于分析的原因，首先对热处理工艺进行了改善，同时跟踪齿轮渗碳后的变形情况，以判定在渗碳阶段是否已经发生了较大的热处理变形。试验零件序列号为H2，渗碳装炉方式同H1。

3.1 渗碳工艺改善

为了减小渗碳时零件产生的热应力，减少加热过程中产生的畸变，渗碳工艺更新如图7所示。工艺降低了零件进炉的温度，延长了650℃和880℃的等温时间，增加了770℃的等温段，并降低了强渗段的渗碳温度。

图7 H2零件热处理工艺（改进工艺）

3.2 渗碳装炉改善

为了分析齿轮在渗碳时的端面翘曲，以及端面翘曲对后续磨齿对中齿形数据的影响，H2零件重复了首次生产时H1齿轮的装炉方式，并在高温回火出炉后做好标记，预先车出端面基准，在磨齿机上进行磨齿对中。

在车床车削基准时，发现端面存在严重的跳动，具体数据如图8所示。在蜂窝板支撑到的位置，所有位置均为高点，在未垫放蜂窝板的位置，所有位置均为低点，高点间相差约0.2mm，低点间相差约0.25mm。

图8 H2零件渗碳后轴向圆跳动

磨齿对中数据显示，零件齿向已经产生明显的齿向交叉，零件未产生明显的椭圆，左右齿面的磨齿对中高低点差最大位置均为未垫放蜂窝板的位置。

通过对H2零件的渗碳装炉方式的摸索，可以确定，渗碳时的蠕变引起轴向圆跳动过大是零件变形的主要原因之一。

为保证齿轮在渗碳后的轴向圆跳动尽可能小，渗碳时底部支撑蜂窝板由4块增加到8块，如图9所示，渗碳淬火后零件的轴向圆跳动可控制在0.52mm以下。

图9  改善后的渗碳装炉

3.3 淬火装炉改善

综上所述，齿轮下部约1/4位置冷速较快是齿轮变形的影响因素之一，故对淬火的装炉形式进行调整。

使用已渗碳的H2零件进行试验，在底料盘上增加网孔阻尼工装，以减小在淬火时流体对齿轮下端的相对流动速度。随炉携带相同规格的齿形试样验证相关理化指标是否受到影响。

随炉携带的齿形试样淬火后的检测结果见表2，检测结果合格。H2零件淬火后的变形较H1有一定幅度的降低，零件磨齿后公法线较标准值下限小0.03 mm，零件可让步使用。

表2 H2零件热处理结果

项目	有效硬 化层深/mm	表面硬 度HRC	心部硬 度HRC	碳化物	马氏体	残留奥 氏体（%）	心部 组织	IGO /mm
要求	2.9~3.9	58~64	≥30	ISO 6336：5 MQ级	细针状	≤30	无块状 铁素体	≤0.05
实测	3.39 3.46	60.26 59.62	38	弥散	细针状	15	无块状 铁素体	0.025

3.4 优化验证

在序列号为H3和H4的零件生产时，同时采用图8的渗碳工艺、渗碳时底部蜂窝板满铺的平放装炉方式（见图9），在挂装淬火装炉时，在底盘上增加网孔阻尼工装，零件渗碳淬火后，变形得到大幅度改善。图10和图11为H3零件的磨齿对中数据汇总雷达图，其中109号齿位置为挂放时的支点位置，从图中可以看出，椭圆与H1零件基本保持一致，整体变形和淬火时与液面首先接触区域的变形均大幅减小。

图10 H3零件左右齿面变形

图11 H3零件左右齿面平均磨量

表3和图12为零件采用不同的渗碳工艺、装炉方式热处理后的变形情况汇总。从对比中可以看出，采用改善后的渗碳工艺、优化的渗碳和淬火装炉方式后，零件齿部畸变降低了约40%。

表3  不同装炉和热处理工艺对齿轮变形的影响

零件 号	渗碳 装炉	淬火 装炉	渗碳淬 火工艺	椭圆 /mm	轴向圆 跳动/mm	磨后公法 线尺寸/mm
H1	平装4块 蜂窝板	挂放无阻尼工装	原工艺	0.18	—	604.74
H2		挂放有阻尼工装	改进工艺	0.14	1.06	604.98
H3	平装8块 蜂窝板	挂放有阻尼工装	改进工艺	0.14	0.52	605.04
H4				0.15	0.25	605.06

图12  不同装炉方式和热处理工艺变形的箱线图

3.5 批量生产

针对在样机阶段总结的经验，又重新优化了淬火挂装的工装，从原有的单点支撑更改为两点支撑，零件的椭圆从原有的0.14~0.18mm减小至0.05~0.10mm。

在冷热加工配合上，针对该零件在渗碳淬火后公法线呈现收缩，收缩约0.25mm，在热处理前补偿0.25mm的滚齿公法线留量。经过以上改善，小批量生产的30件齿轮全部合格。

四、结束语

1）对扁平状的齿轮，在渗碳时应保证端面各点均匀支撑，齿轮平装渗碳时从原4块蜂窝盘间隔摆放更改为8块蜂窝板满铺，可降低因蠕变造成的端面翘曲变形。

2）采用挂放工装淬火，在淬火料盘底部增加网状阻尼工装后，由于降低了淬火冷却介质和零件的相对流速，挂装下部区域齿部变形大幅减小。

3）对扁平状齿轮，通过降低渗碳入炉温度，增加升温阶梯段，延长等温时间，降低渗碳温度，可减少热处理时的应力和高温蠕变，有助于变形改善。

4）通过热处理装炉和工艺改善，齿轮端面翘曲变形从1.06mm以上降低至0.52mm以下，节圆跳动从原来的0.18mm减小至0.1mm以下，齿部畸变降低约40%，小批量生产合格率达100%。

参考文献：略。

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