大齿轮的热处理工艺优化

1 齿轮的强度设计与热处理

齿轮的抗接触疲劳强度、抗弯曲疲劳强度、心部韧性、表面硬度及耐磨性等都是热后齿轮的关键指标，直接关系着齿轮的使用寿命长短。原材料性能及热处理工艺都会显著影响到齿轮件的承载力，因此按需选材、合理编制工艺就显得尤为重要。通常来说齿轮的承载力评判主要是通过热后齿轮的表面硬度、心部硬度及有效硬化层深来衡量。GB/T3480.5-2008中将齿轮疲劳强度与材料热处理质量等级进行结合，并将疲劳极限分为ME、MQ、ML三个等级并予以图示。设计齿轮时应根据质量等级和相应的疲劳极限曲线图为基础进行齿轮承载能力计算，既考虑使用强度又兼顾经济性。

2 影响齿轮热处理变形的关键因素

2.1齿轮毛坯的预先热处理 

齿轮毛坯的预先热处理通常有调质处理、普通正火、等温正火、锻造余热等温正火等手段。普通正火处理会造成不同零件或同一零件不同部位的组织、硬度出现较大差别，会降低加工性能和加剧热处理变形，进而影响齿轮精度等级和使用性能。齿轮毛坯终锻温度一般在900℃左右，毛坯仍处在奥氏体阶段，其晶粒会比重新加热显著粗大，而粗大晶粒具有遗传性且转变P+F过程滞后，容易出现贝氏体或断离珠光体，使得加工性变差。等温正火即将毛坯完全加热到Ac3线以上的适当温度得到均匀的奥氏体后，通过速冷方式将毛坯冷至奥氏体等温转变图“鼻尖”温度左右在低温炉中进行等温转变，出炉后再空冷到室温的工艺过程。因此可以采用锻造余热等温正火或等温正火进行预处理，生产中要根据毛坯材质、尺寸因素来合理选择和控制等温前的冷却速度、等温温度和等温时间这三个工艺参数，使毛坯在相 对恒定的温度下完成组织转变，以此来获得均匀的显微组织和合适的硬度，即硬度在160HB~197HB，金相组织为均匀的F+P。等温正火工艺的特点是正火质量稳定，热处理变形小，适合大批量生产。对于大批量生产的变速箱齿轮来说，合适毛坯的硬度和均匀组织能保证刀具的zui 佳切削，既满足高的切削效率，又对减小热处理变形有着至关重要的作用。 

2.2齿轮钢的淬透性和淬硬性 

淬透性是表示钢在条件下淬火时获得马氏体的能力，或者说是获得淬透层深度的能力，它是钢材本身固有的属性，主要受合金元素的影响。工作中计算淬透性值的方法有多种，齿轮行业渗碳钢实际应用笔者推荐采用下列公式。含碳量≤0.25%的渗碳钢淬透性计算公式：式中J6-40—至水冷端6mm~40mm范围内各点硬度；E—距离水冷端距离；

淬透性还包括冷却条件和合金元素之间的关系，以及应用于钢种设计及替代、设计选材、热处理工艺参数控制等。换言之，淬透性对于齿轮的设计和制造工艺都具有十分重要的意义。实验数据表明同样深度的渗碳层，由于原材料、模数、外形尺寸、冷却条件不同而得到的有效硬化层深差异非常大，即使是外形尺寸、模数和冷却条件非常类似或相同，工件有效硬化层深可相差0.3mm~0.5mm之多，究其原因就是渗碳层淬透性差异所致。 

  淬硬性是工件在正常淬火后获得马氏体组织所能达到的zui高硬度。主要取决于马氏体中的含碳量，碳的过饱和度越大则钢的淬硬性越高。通常情况下淬火硬度随含碳量的提高而提高，但是当含碳量≥0.6%C时工件淬火硬度几乎不再变化，常用的渗碳钢在渗碳淬火后硬度通常为64HRC左右，低温回火后表面硬度往往在60HRC左右，这就是渗碳齿轮的表面硬度一般规定为58HRC~63HRC的根本原因。 

2.3 齿轮热处理变形的一般来说都是多种因素的综合作用、相互影响所致 

除预先热处理及淬透性外，零件形状、锻造、机械加工、淬火规范都可能会造成零件变形，进而影响齿轮精度和寿命。于齿轮件来说，易变形点无非是齿形齿向、周节累计、内花键缩孔等，由经验即可判断其变形规律，根据工艺路线提前预留好加工余量或补偿量，使成品件正处于可接受的形变区间内。 

（1）齿轮几何形状。齿轮的外形结构是决定热处理变形的关键因素之一，设计者应充分考虑齿轮截面结构均匀性、对称性，避免薄厚差异过大而导致应力集中。一般来说结构复杂，应力集中明显的零件在热处理过程的形变规律越难掌握。沃尔沃公司曾就齿轮的设计、原材料、热处理工艺三个因素对变形影响程度的研究表明，设计、材料、工艺对齿轮热处理变形的影响程度分别为50%~60%、20%~30%、5%~15%。 

（2）热前的应力状态。热前零件在经过锻造、正火、抛丸及机加工等工序后，或多或少会累积残余应力、锻造缺陷、组织不良等，而应力集中对变形影响非常显著。消除或控制残余应力的产生对后续热处理工序控制变形大有裨益。锻造过程中通过管理镦粗方向等手段控制金属纤维流线，使其沿齿轮毛坯外轮廓 对称状均匀分布；正火过程应控制带状组织形成趋势，减少材料各项异性；机加工过程应注意均匀切削和通过刀具寿命管理等尽力避免加工应力的过度累积和不均匀状态。特别是形状复杂的工件，前序产生的残余应力对淬火变形影响很大，可采用去 应力回火或均匀化处理措施消除应力。 

（3）热处理过程要素。工件加热速度、渗碳温度、淬火温度、油搅拌速度等工艺参数的调整，装卡方式、冷却介质和回火工艺等的不同也会影响的齿轮的变形情况及综合机械性能。

3 齿轮有效硬化层深的设计与控制

汽车变速箱齿轮的设计和生产中，有效硬化层深设计一般来说就是两种方法。即按齿轮模数划定大致范围而套用标准或是根据经验公式t=α*m（m模数），α=0.20-0.30计算，很少从力学角度分析其适用性。设计zui佳的齿轮有效硬化层深，无论是对提高齿面强度，还是节能降耗都有非常重要的意义。 

齿轮剥落失效的产生不仅与齿面下的剪应力分布有关，还与有效硬化层深、硬度梯度等因素有关。齿轮的有效硬化层深对于过渡区常常难以涵盖，而各类硬齿面齿轮的剥落往往都与过渡区有关，实践表明有效硬化层深剥落的zui大特点就是疲劳裂纹在硬化层与心部的过渡区产生，形成的剥落坑较深且面积大。通常情况下增加有效硬化层深有利于提高齿轮承载能力，防止疲劳剥落失效。然而过大的硬化层深会使工艺难度加大、工艺周期增长、畸变增加等诸多问题，造成齿轮生产成本和能源消耗增加。合理的有效硬化层深设计是既要保证过渡区有足够的强度 防止深层剥落，又不过度设计。 

表面硬化齿轮的有效硬化层深与齿轮的强度、可靠性等性能密切相关，是保证齿轮承载能力充分发挥的关键。齿轮啮合过程中齿面接触时在局部产生的表面压应力称为接触应力，也叫赫兹应力。齿面承载能力与赫兹接触应力有关，由公式可知，接触应力的大小取决于外加载荷和齿面当量曲率半径的倒数。当zui大接触应力相同时，当量曲率半径越大所需有效硬化层深就越大。