齿轮热处理过程中的常见缺陷及解决对策

[摘 要]文章结合作者多年工作经验，主要分析齿轮在热处理及关联工序中遇到的质量问题，提出预防措施及解决对策。

[关键词]齿轮加工；热处理；缺陷；对策

中图分类号：TF416.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）33-0038-01

1.不同的热处理方式对齿轮机械性能的影响

1.1 渗碳齿轮整体淬火

1）其目的是要求表面具有高强度、硬度及耐磨性。具有良好的心部综合机械性能、负荷大、转速高、齿面耐磨的齿轮常用整体淬火。

2）渗碳齿轮心部强度、硬度、抗冲击力要求高时，淬火温度则选择高些，可采用淬火温度840±10℃、回火温度200±10℃，淬火后得到的金相组织为[表面M+Fe3C.心部低碳M]，其低碳M较高。

3）渗碳齿轮齿面强度、硬度及耐磨性要求高时，淬火温度则选择低一些，可采用淬火温度800±10℃、回火温度180±20℃，淬火后得到的金相组织为[表面M+Fe3C.心部低碳M]，其低碳M较低。

1.2 渗碳齿轮齿面淬火

其目的是要求齿轮齿面具有高的强度、硬度及耐磨性，而心部综合机械性能要求不太高。负荷较小的齿轮常用齿面淬火。

1.3 调质齿轮齿面淬火

其目的是要求齿轮齿面具有较高的强度、硬度及耐磨性，同时心部具有良好的综合机械性能。常用的调质齿轮材料有35CrMo、40Cr、42CrMo钢等。负荷大、转速低、耐磨性要求不太高的齿轮常采用此种处理方式。

2.齿轮的常见热处理缺陷及解决对策

2.1 裂纹

1）渗碳扩散阶段的碳势影响。若渗层浓度过高、梯度大，后续磨削时磨削面易起皮脱落。解决方法：从强渗阶段开始，将强渗阶段碳势控制在1.0～1.20%C之间，扩散阶段碳势控制在0.80%C左右，保温90～120分钟，可有效防止磨削时齿轮渗碳层起皮脱落。

2）若齿轮渗碳出炉温度≤840℃、出炉聚堆、冷速慢，则渗层易形成网状碳化物和大块铁素体，这两种组织脆性极大，磨削时磨削面往往产生龟裂现象。解决方法：井式气体渗碳炉采用850±10℃保护气氛散开冷却，而多用炉则采用860±10℃前室风扇冷却。

3）如果渗碳齿轮正火空冷时聚堆而冷速过缓，那么其渗层也易滋生网状碳化物和大块铁素体，磨削时磨削面同样可能产生龟裂。解决方法：渗碳齿轮正火空冷时，一定要将工件散开，必要时予以风冷，甚至雾冷。多功能炉用正火风扇冷却。齿轮渗碳层一旦产生了网状碳化物和大块铁素体，则可采用920±10℃重新正火，消除此种不良组织。若处理不当，以上情况会再次出现，故而不可忽视。

4）未及时回火的齿轮开裂。齿轮淬火时的组织应力与热应力都很大，若综合应力超过材料强度极限，齿轮随时有开裂的危险。解决方法：及时充分回火，以尽快降低消除热处理应力。

2.2 变形

变形量按淬火方式排列：整体淬火>表面淬火。变形量按加热设备排列：多用炉>盐浴炉>高频、中频炉。

1）升温速度快、淬火温度高、冷却过急，都会导致齿轮的表面和心部存在大的温差，内部组织应力和热力增大，热处理变形量超差。解决方法：匀速加热、预冷淬火。将升温速度控制在150～180℃/小时或采用分段加热方式，缩小表面与心部温差，尽可能降低热应力因素影响。淬火时先预冷至较低淬火温度，再以适宜的冷却速度进行冷却，最大程度地减小热应力和组织应力，以有效控制齿轮变形量。感应加热可采用大功率短时间快速加热，尽量减小热影响区，控制加热层深，以减小齿轮变形。

2）感应加热时，齿轮与感应器往往不同心，齿部受热不均，易导致变形。解决方法：齿轮在感应器中采用匀速旋转方式加热。

3）装炉方式不规范、受热不均、冷却方式不当都会使齿轮产生变形。解决方法：装炉时，片齿轮要均匀、水平摆放在相应的工位器具上，并以合适的支垫隔开，轴齿轮要垂直放立在托架上或悬吊在合适的挂架上，厚度较小的齿轮允许重叠摆放，但不得无序挤压。淬火时齿轮以端面为准，垂直浸入30～60℃热油中并上下移动，冷至120～180℃（齿轮表面冒青烟但不着火为最佳）时出油空冷，尽量减少或消除导致齿轮热处理变形的诸多物理因素。多用炉采用搅拌冷却，油温冷至120～180℃时则停止搅拌，工件在热油中冷却即可，而模数≤5的小齿轮可采用无搅拌冷却，其变形一般不会超差。

3.锻造齿轮毛坯对齿轮机械性能的影响

1）始锻温度偏高、工件过热、晶粒粗大，或终锻温度偏低、甚至强行冷锻，均有可能在毛坯内部产生微裂纹，对后续齿轮的热处理质量影响及大，甚至致废。解决方法：按材质控制始锻温度和终锻温度，严格执行锻造工艺。

2）就同一炉锻造而言，若最后锻打的齿轮毛坯与开始锻打的时间间隔太长，则后锻的齿轮毛坯可能因保温时间过长、组织过热、晶粒粗大而导致后续处理变形量增大。解决方法：合理控制装炉量和保温时间。

3）齿轮锻坯正火的必要性。其目的为：①细化晶粒，均匀组织；②改善内部结构，为淬火工序做好预处理组织准备； ③改善切削加工性能，提高机械性能；④消除内应力，稳定零件尺寸，避免或减少后续渗碳、淬火等热处理工序中的变形和开裂。在此必须强调，正火作为预先热处理的一种，是非常重要一道工序，是保证齿轮机械性能及内在质量的重要基础，不可轻视。

4）齿轮毛坯装炉量过多、装炉不均匀、加热不透会造成组织应力和热应力消除不理想，甚至导致齿轮在后续处理中变形或开裂。解决方法：严格装炉方式，控制好装炉量和保温时间。

4.其他因素对齿轮机械性能和质量的影响

1）磨削时，若进给量太大、磨削速度过快、磨削面温度过高，那么在磨床冷却剂的冷却下，可导致磨削面的重新“淬火”或局部组织改变较多，产生磨削裂纹。解决方法：根据不同材质、不同余量编制齿轮磨削工艺，严控进给量、磨削速度、磨削深度。

2）齿轮的加工流程要合理，编排工艺路线要科学。在热处理时，齿轮的壁厚和形状结构对其内孔的胀缩和齿圈精度影响很大。圆孔或花键孔齿轮往往呈现不同的腰鼓形。带有单键槽的孔齿轮，内孔向键槽方向膨胀，形成椭圆形。解决方法：结合齿轮的材质、结构和热处理特点，针对性地预留精加工量或预先放量，必要时，可先淬火、回火，再精加工内孔、制作键槽，以减少齿轮的变形。

5.结束语

上述浅析是我厂热处理技术人员刻苦钻研、潜心试验、长期积累的结晶，也是作者将理论与实践辩证结合的经验总结。自从我厂渗碳齿轮的热处理优化为整体渗碳直淬后，齿轮的综合机械性能明显改善，尤其是热处理质更加量稳定可靠，合格率达98%以上，在配套厂家中树有良好的口碑。现在，我们的产品行销全国著名主机厂，并随之出口国外，经济效益显著提高。实践证明采用上述预防措施和解决方法是切实可行的。

参考文献

[1] 大连工学院（金属学及热处理）编写小组，《金属学及热处理》，科学出版社，1977.

[2] 周敬恩等，《热处理手册》，机械工业出版社，2008.

[3] 史美堂，《金属材料及热处理》，上海科学技术出版社，1979.