齒輪熱處理變形，特別是滲碳淬火齒輪內(nèi)花鍵的變形，一直以來是我公司老大難的技術(shù)問題之一，為了解決這一問題，長(zhǎng)期以來我們?cè)谧冃蔚姆乐紊贤度肓舜罅康娜肆Α⑽锪Α⒇?cái)力。由于方法欠妥，未能從根本上進(jìn)行防治，所以收效甚微，報(bào)廢率居高不下，對(duì)生產(chǎn)帶來了很大影響。帶著滲碳淬火齒輪內(nèi)花鍵變形的這一問題，結(jié)合我公司的具體情況，經(jīng)長(zhǎng)期反復(fù)思考和探索，并通過向國(guó)內(nèi)、外知名的熱處理專家以及國(guó)內(nèi)大型齒輪制造廠請(qǐng)教和學(xué)習(xí)，對(duì)我公司滲碳淬火齒輪內(nèi)花鍵變形的原因有了清楚的認(rèn)識(shí)，針對(duì)變形的原因提出了減小變形的對(duì)策和防治措施。現(xiàn)分述于下：

 

一、 我公司滲碳淬火齒輪內(nèi)花鍵變形的主要原因

 

1、 齒輪所用的材料20Cr2Ni4A

 

合金元素的含量高達(dá)5.35%，該鋼材為高淬透性的滲碳鋼（屬典型的馬氏體鋼）。淬透性對(duì)畸變影響很大，淬透性越高，畸變量越大。我公司加工齒輪所用的材料是美國(guó)TEREX所指定的材料，對(duì)于所用的材料我公司無權(quán)更改。

 

2、淬火油的問題：

我公司密封箱式多用爐所用的淬火油為HOUGHTO-QUENCH K(美國(guó)好富頓K油)，K油冷速最高可達(dá)到110℃/S，因此，可以肯定的說，對(duì)于20Cr2Ni4A材質(zhì)選用K油進(jìn)行淬火是個(gè)典型的原則上的失誤（也包含G油在內(nèi)，G油的冷速也可以達(dá)到100℃/S，冷速也快）。由于在馬氏體相變點(diǎn)附近，K油冷卻速度過快，加上20Cr2Ni4A鋼材的高淬透性，淬火中馬氏體轉(zhuǎn)變過于迅猛，轉(zhuǎn)變時(shí)體積迅速發(fā)生膨脹，因而產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，從而引發(fā)齒輪內(nèi)花鍵的變形加劇，導(dǎo)致內(nèi)花鍵橢圓、錐度、不圓柱度的嚴(yán)重變形。變形最多時(shí)錐度和不圓柱度將近0.3（mm），橢圓將近0.15（mm），無法裝配使用。這也是長(zhǎng)期以來困擾我們的主要原因。

3、我公司密封箱式多用爐淬火油槽內(nèi)的攪拌問題

對(duì)于齒輪鋼材淬透性差的時(shí)候，就希望攪拌的力度要快一些，提高淬火烈度；對(duì)于變形要求小的工件，要求攪拌力度要慢一些，降低淬火烈度。由于我公司用油不當(dāng)，再通過攪拌冷卻會(huì)使淬火介質(zhì)冷速更高，加劇變形，在這種情況下，應(yīng)停止攪拌。

二、 我公司滲碳淬火齒輪內(nèi)花鍵變形的原因之一——齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上引發(fā)的變形

從結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)上分析可知，見圖1所示：

①A端和B端在形狀上不對(duì)稱

②工件壁厚不均

因此，變形是絕對(duì)的。由于結(jié)構(gòu)上美國(guó)TEREX在設(shè)計(jì)上已成定局，因而要求熱處理盡最大努力將這種特定結(jié)構(gòu)所引發(fā)變形量應(yīng)控制到最小程度。即花鍵的變形量要控制在公差之內(nèi)。

三、 從訂購(gòu)鋼材說起——也是造成變形的原因之一

1、齒輪的心部硬度：

我公司滲碳淬火帶內(nèi)花鍵齒輪所用的鋼材為20Cr2Ni4A，屬高

淬透性滲碳鋼，滲碳淬火后心部硬度為44-46HRC。美國(guó)所用鋼材為3316（相當(dāng)我國(guó)20Cr2Ni4A），滲碳淬火后心部硬度為38.5-41.5HRC。國(guó)內(nèi)、外齒輪行業(yè)公認(rèn)最佳的心部硬度為38-42HRC，心部硬度低了也不好，高了也不好。

心部硬度的高低，主要取決于含碳量的高低，美國(guó)的3316含碳量偏低。

 

2、心部硬度高的弊端：

① 心部硬度高，在齒根部位殘余壓應(yīng)力低。

② 心部硬度高，變形大。

③ 心部硬度高，耐沖擊性能下降。

3、建議訂鋼材時(shí)：

① 控制碳含量靠近下限，以利于降低心部硬度和減小變形。

② 為了減小齒輪和內(nèi)花鍵的變形，淬透帶寬不得大于6HRC。

③ 鋼材應(yīng)為本質(zhì)細(xì)晶粒鋼，晶粒度≥5級(jí)。

四、選擇淬火介質(zhì)的原則

1、滲碳后的齒輪對(duì)淬火介質(zhì)的要求

① 達(dá)到要求的表面硬度和心部硬度。

② 達(dá)到要求的有效硬化層深。

③ 盡量小的淬火變形。

2、為了滿足以上三個(gè)要求，通常可按以下原則合理選擇淬火介質(zhì)

① 鋼材的含碳量：

齒輪鋼材含碳量與心部硬度有關(guān)，心部含碳量越低，要求淬火油的冷卻速度就越高。

② 鋼材的淬透性：

齒輪鋼材淬透性越高，淬火油的冷卻速度就可以低些。

③ 齒輪的有效厚度：

齒輪的有效厚度越大，要求淬火油冷卻速度就越高。

④ 齒輪的結(jié)構(gòu)形狀：

齒輪結(jié)構(gòu)形狀越復(fù)雜，要求淬火油的冷卻速度就越低。

五、 根治措施——選用合適的淬火介質(zhì)

在馬氏體相變點(diǎn)附近，要求具有緩慢的冷速，以適應(yīng)微小變形的淬火冷卻，因此選用美國(guó)好富頓等溫分級(jí)淬火油MAR-TEMP 355。使變形能夠進(jìn)入尺寸公差之內(nèi)。

1、MAR-TEMP 355分級(jí)淬火油的特點(diǎn)：

①M(fèi)AR-TEMP 355是好富頓熱油系列中的一種等溫分級(jí)淬火油，最高冷速可達(dá)76℃/S，使用溫度110-150℃，油溫升高將顯著加快油品的老化，推薦溫度為110-130℃。

②要求微小變形量的滲碳整體工件的馬氏體分級(jí)、等溫淬火。由于是熱油淬火，所以冷卻速度比較溫和、緩慢，因此，淬火的變形量相比之下要小得多。

③適用于高淬透性的滲碳鋼，以保證心部的強(qiáng)韌性和足夠的心部硬度。對(duì)于淬透性低的滲碳鋼，盡管滲碳淬火后后變形比較小，但心部強(qiáng)韌性和硬度難于得到保證。

2、級(jí)淬火對(duì)減小齒輪錐度和橢圓變形的實(shí)際效果，等溫分級(jí)淬火油的變形量顯著小于油淬的變

形量。

3、根據(jù)美國(guó)好富頓提供的資料顯示：

滲碳淬火齒輪內(nèi)花鍵用分級(jí)淬火油MAR-TEMP 355淬火是K油淬火變形量的1/3。

4、換油所面臨的實(shí)際問題

①我公司僅有一臺(tái)箱式密封多用滲碳爐，爐內(nèi)裝的淬火介質(zhì)為好富頓K油。在滲碳齒輪內(nèi)花鍵淬火用油方面，沒有選擇的余地，往往是顧此失彼，工藝上不合理。

②南高齒是一臺(tái)滲碳爐配有四個(gè)淬火油槽，見圖4所示，呈方陣形布置，根據(jù)齒輪所用鋼材的淬透性的不同，而選用最為合適的淬火油，這種結(jié)構(gòu)不但工藝上非常合理，而且在防治齒輪內(nèi)花鍵變形方面收到了很好的實(shí)際效果，南高齒的經(jīng)驗(yàn)值得我公司借鑒和學(xué)習(xí)。

③北京機(jī)電研究所所長(zhǎng)、中國(guó)熱處理學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)徐躍明教授；哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士生導(dǎo)師、中國(guó)熱處理學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)閆牧夫教授；鄭州機(jī)械研究所總工程師、碩士生導(dǎo)師、太重院士工作站首席專家陳國(guó)民教授；美國(guó)好富頓上海工業(yè)介質(zhì)分公司技術(shù)經(jīng)理姚繼洪高工分別向我公司建議：“根據(jù)匯工的實(shí)際情況，由于涉及內(nèi)花鍵滲碳淬火變形工件較多，另買一臺(tái)滲碳爐，淬火介質(zhì)選好富頓MAR-TEMP 355等溫分級(jí)淬火油，是最為理想的配置”。我希望這一建議能得到公司領(lǐng)導(dǎo)的認(rèn)可、采納和落實(shí)。

六、尚未換油之前，減小滲碳淬火內(nèi)花鍵變形的工藝措施

1、要求調(diào)質(zhì)的淬火溫度比滲碳淬火溫度高30℃。

2、降低第二次高溫回火的出爐溫度（350℃即可）。

3、降低淬火溫度，爐內(nèi)預(yù)冷至810-790℃后淬火。

4、停止淬火油槽的攪拌，淬火1分鐘后再攪拌。

5、適當(dāng)提高淬火油K油或G油的油溫，達(dá)到淬火時(shí)適當(dāng)降低冷速，減小變形的目的。