鋼材熱處理之：影響齒輪熱處理變形的幾個重要因素
我公司是一家專業生產汽車齒輪、摩托車齒輪、電動工具齒輪、工程機械齒輪的股份制企業。齒輪在進行滲碳熱處理的過程中，常遇到齒輪滲碳淬火后平面扭曲變形大，造成齒輪報廢；滲碳淬火后齒輪的M值變化不穩定；齒輪的齒形齒向變化不穩定，造成裝機異響。以下就是對上面的幾種情況分別進行說明。
一個新產品開發，尤其是熱處理工藝的設計，一般是按照類似的產品，采用本公司掌握的成熟工藝。試制時一般是先采用類似的工藝，處理6個工件，對其變形及熱處理項目進行檢測；合格后再熱處理30件，再次對變形及熱處理項目進行檢測；合格后按照一爐（或者一盤）熱處理，檢測變形；合格后連續生產幾爐（或幾盤），熱處理合格、變形合格，這樣熱處理工藝就固定下來。
但是有時新產品開發半年后，產品才可以進行批量生產，試制時試制的工件不是很多，有時不能反映真正的工件變形趨勢；或者材料有變化、鍛造工藝變化、正火變化、冷加工工藝的變化，雖然熱處理工藝沒有變化但是熱處理后的工件端面扭曲，造成產品報廢。圖1是開發產品的簡圖，圖2是試制是的熱處理工藝，圖3是改進的熱處理工藝。
可以看出試制的熱處理工藝滲碳溫度較高,生產效率高；產品采用平放,熱處理后內孔的硬度較高，硬化層也均勻，橢圓小。改進后的熱處理工藝，產品采用串放，產品的端跳較好，滲碳溫度降低，滲碳時間增加，減少熱處理變形。這樣改進后的熱處理工藝處理的產品由原來不合格率15%降為0.1%。也有時出現產品處理了幾年，突然出現批量不合格，改變熱處理工藝產品合格。事實上最終原因是由于不同鋼廠的材料、鍛造、正火、冷加工工藝流程的變化造成了這種現象。
如圖4這種產品，最大外圓156mm，熱處理了1萬件，有一批產品出現端跳超差，不合格品占10%左右，造成部分產品報廢。
于是對沒有熱處理的毛坯的正火硬度進行檢查正火硬度要求160～190HBW，對稱檢測4點，一共檢查了6件檢測結果如表1所示。
表1 檢測結果（HBW）
編號 | 點1 | 點2 | 點3 | 點4 | 備注 |
1 | 170 | 172 | 175 | 173 | 正常 |
2 | 168 | 170 | 172 | 171 | 正常 |
3 | 173 | 175 | 176 | 175 | 正常 |
4 | 169 | 184 | 170 | 175 | 異常 |
5 | 170 | 172 | 173 | 172 | 正常 |
6 | 175 | 176 | 176 | 177 | 正常 |
根據檢測結果可以看出，由于正火硬度不均勻，造成工件加工后應力不均勻，熱處理后工件變形超差，采用冷速比現有工藝冷速慢的淬火油，變形可以改善。
圖5是一款變速箱齒輪的減速大齒輪，熱處理時我們采用壓裝的方式進行滲碳淬火，這種滲碳的方法對于變形控制的不錯，其缺點是兩個端面的硬化層偏淺，但是不影響使用。
這一款變速箱已經生產了5年多了，產品的壽命周期就要到了，客戶反饋變速箱有噪音，檢查沒有發現問題，由于量較少客戶認為主減大齒輪較大，可能出現扭曲。（于是要求我們對于端面跳動進行嚴格控制）后來有個月出現的量較大，檢查從箱體拆下來的齒輪進行檢測齒形齒向，發現齒行齒向不符合圖樣要求，存在剃反的可能。因為這個工件只有內孔倒角處有點區別，其余的都是對稱的，剃齒是不能防錯，只有靠員工的自覺；熱處理時產品壓裝后也檢查不了是否按工藝要求壓裝。于是我們針對這種現象，專門針對裝夾方向做了熱處理試驗，熱處理后數據如附表所示。
根據數據可以看出，產品熱處理時如果沒有按照熱處理要求裝夾，出現的變形效果與剃齒剃反有同樣的效果。因此，出現這種現象對于剃齒工序，熱處理工序應該加強控制，最好的辦法是對于產品設置防錯措施，保證產品剃齒、熱處理裝夾的一致性。
還有類似圖5的減速大齒輪熱處理后M值比下差小0.03～0.05mm，熱處理工藝見圖6，為了挽救此批產品采用箱式多用爐熱處理采用的熱處理工藝見圖7，熱處理后M值合格。這兩個工藝的區別是采用的熱處理淬火油不同，為了工件的M值漲大，采用比原來滲碳高的溫度滲碳，提高淬火溫度達到M值漲大。
采用圖6的熱處理工藝，熱處理檢測結果硬化層0.62/550HV1，心部硬度357～375HV1。采用圖7的熱處理工藝，熱處理檢測結果硬化層0.67/550HV1，心部硬度382～418HV1。因此，只有針對問題,優化熱處理工藝,減少廢品,減少企業損失。
作者：陳正國，單位：浙江雙環傳動股份有限公司
作者：郝豐林，單位：江蘇雙環齒輪有限公司
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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