热处理技术在齿轮制造中的应用和发展

摘 要：文章对齿轮热处理技术的应用和发展进行了概述，对齿轮材料性能与热处理的关系进行了重点的阐述，对减轻齿轮热处理变形的途径进行了分析归纳。

关键词：齿轮；热处理技术；应用；发展

齿轮热处理技术随着各种机械产品对齿轮零件综合性能和品质要求的不断提高而快速发展。因此，了解国内外齿轮热处理工艺的发展动态、分析研究现有齿轮热处理方法的优缺点和改进方向是很有必要的，对减少齿轮热处理变形、提高齿轮制造精度和使用性能，具有重要意义。

1 齿轮磨损浅析及材料性能要求

作为传动系统中的重要零件，齿轮对于机械设备的运动精度和工作时的稳定性、可靠性发挥着重要的作用。由于齿轮及齿轮箱制造误差的存在，使得一对齿轮在传递动力的过程中和运动速度改变的时候，啮合齿面之间理想的纯滚动状态难以实现，运动冲击、滑动摩擦及循环交变的弯曲应力共同对齿面产生不良作用，产生材料疲劳和磨损。其中包括以下几种方式：①由于啮合齿面间的相互研磨以及摩擦放热的共同作用，导致齿面材料分子发生氧化或是与周围介质发生其它化学变化，造成以齿面腐蚀磨损为主的复合磨损；②在循环接触应力的反复作用下，齿面金属材料发生疲劳，产生点蚀、裂纹、剥落等破坏形式[1]。通过分析齿轮的磨损原因和失效形式，可得出齿轮毛坯材料应该具备的基本性能：①良好的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度；②齿面达到理想的硬度和良好的耐磨性，具有分布合理的硬化层。

2 齿轮材料与热处理方法概述

齿轮因其在众多机械机构中的工作条件不同，对其性能要求也有较大差别。对高转速、重载荷、需承受冲击及高精度的齿轮，多采用渗碳钢经渗碳、淬火及低温回火热处理工艺，表层金相组织为高碳回火马氏体，硬度高、耐磨性好，芯部为低碳马氏体组织，韧性强、不易发生金属疲劳；渗碳钢20CrMnTi经上述处理后，表面硬度可达58～62HRC，芯部硬度可达30～45HRC。对于承受中等工况的齿轮，多采用调质钢经调质和高频感应淬火热处理，其齿部抗疲劳性能较好，但耐磨性和硬度比渗碳钢稍弱。对低转速、轻载荷的齿轮，可使用球墨铸铁材质，采用正火或等温淬火热处理。

淬火工艺的发展对提高齿轮性能起到了重要作用，感应加热表面淬火技术及设备因加热速度极快、生产效率高，变形小，淬硬层深，淬火后齿面表层低脆性、高疲劳强度，工件表面不易氧化脱碳，易于实现自动化控制等诸多优点，目前在我国的齿轮生产中已广泛使用[2]。

3 齿轮热处理工艺的创新发展

对齿轮锻坯的热处理通常具有两种目的：首先是改善坯料的切削加工性能，例如：渗碳钢经正火后得到具有较细片间距并且分布均匀的珠光体组织，这种组织有较好的切削性能，有利于机械加工；其次是获得组织均匀一致的齿轮毛坯，有利于控制、减少后续加工及热处理所产生的变形量，获得稳定的尺寸精度，有利于降低齿轮工作时的噪音[3]。

汽车变速器齿轮材质多为渗碳合金钢，其锻造毛坯长期采用正火作为预备热处理方法。然而随着齿轮制造材料的发展及品质标准不断提高，传统的锻后正火热处理工艺在很多情况下无法满足生产实际需要，而新型齿轮钢的应用，对锻后热处理工艺的创新发展提出了新的要求[4]。正火时，钢的组织转变必须要在规定的温度范围内进行，因此在连续冷却过程中，通常无法得到理想的均匀组织。锻坯批量正火时大多数情况下成堆码放在空气中进行冷却，周围环境以及锻坯在堆中的摆放位置等多种因素都会影响到其冷却的速度，从而导致同批次锻坯的正火质量出现较大波动，冷却过程可能产生贝氏体组织，使切削性能变差，并且容易引起齿轮渗碳淬火时的变形量加大。

基于上述原因，国外汽车生产厂家已经普遍采用了等温退火技术对齿轮锻坯进行热处理，不同的材料有各自对应的等温温度。经过等温退火的齿轮锻坯在获得了良好切削性能的同时，对提高渗碳淬火后齿部尺寸精度的稳定性也很有益处。

冷挤压成型相对于传统的锻造成形再切削工艺而言，具有不用加热的优势特点，所以毛坯不存在热处理过程中的氧化脱碳现象，并且毛坯尺寸具有非常高的精度，较小的加工余量。对于小模数齿轮，能够将齿形直接通过冷挤压方式加工出来，与传统铣齿工艺相比较，可有效缩短加工时间、降低生产成本。与锻后切削加工的齿轮相比，冷挤压成形齿轮的各层金属纤维流线可以保持连续，因此其齿部的强度和韧性更好。在冷挤压加工当中使用的钢材应具有较高的塑性和较低的变形抗力，对钢材进行球化退火预先热处理可以有效的提高其冷成形性能，消除其在冷挤压过程当中的开裂倾向。

4 齿轮热处理变形和改进方法

由于齿轮热处理变形的原因非常复杂，会受到冷、热加工当中很多因素的综合影响，比如：装炉方式、淬火介质冷却速率、材料淬透性、淬火过程的热应力和组织应力、预先热处理及机械加工残余应力等多种因素都会对其产生综合影响，所以必须全面考虑冷、热加工全过程当中的各种因素，优化设计齿轮结构，注意各种不利因素之间的相互作用，以上对于减少齿轮热处理变形非常关键。例如：齿轮轮毂上的减重孔位置如果分布不合理，就会对齿部淬火变形量产生影响；而一批里的每个齿轮加工时，机床调整、刀具磨损及切削参数等都存在变化，因此各件的切削应力差异明显；渗碳时每炉零件的表面碳浓度、渗层深度的波动，会造成变形没有规律。

控制齿轮渗碳淬火热处理变形的重要因素是表层碳浓度和渗碳层深度以及淬火温度与淬火介质的冷却速度，渗碳深度和碳浓度会对渗层组织膨胀系数产生影响，而淬火条件将决定齿轮的金相组织、机械性能及变形量是否满足要求；同时钢材特性对热处理过程也会产生重要影响，利用窄淬透性带的钢材使淬火后残余奥氏体量降到低水平并对渗碳层深度进行适当地调整，能够将零件变形控制在较小且有规律的状态，并能在渗碳层上实现最佳的残余压应力分布。影响齿轮孔缩的主要因素是淬火温度，渗碳温度及淬火温度越高，花键孔的收缩量越大，但淬火温度又不能过低，否则会产生非马氏体组织影响性能。通过选择正确的淬火温度、分级温度和时间以及合理的淬火剂（如低温盐浴、碱溶或油浴等介质），采用分级淬火可有效减少零件变形；而更新的计算机控制喷雾冷却方式，可在规定的时间内对零件指定部位完成淬火，与常规淬火介质相比，更容易得到较为理想的冷却速度。

5 结束语

我国的齿轮制造热处理技术经过长时间的积累和探索，齿轮产品性能已经基本能够满足各种机械设备的使用要求，相关理论研究正从引进消化国外技术转向注重自主创新，齿轮热处理新技术的应用和发展将有效促进我国机械工业的显著提升。

参考文献

[1]胡明霞.汽车渗碳齿轮的质量指标及其控制方法[J].第六届全国热处理大会论文集，1995.

[2]李国隆.国产齿轮热处理炉的现状与技改选型[J].工厂建设与设计，1996.

[3]裴玲，等.变速箱齿轮齿形齿向热处理变形精度控制[J].汽车工艺与材料，1998.

[4]区文波.渗碳齿轮热处理变形的分析及减少变形的对策[J].机械开发，1996.

作者简介：戴秋琦（1985-），男，黑龙江齐齐哈尔人。黑龙江省齐齐哈尔市齐齐哈尔二机床集团有限公司工艺员，本科学历，主要从事机械加工制造方面的工作和研究。