對齒輪熱處理變形的各種影響因素做了一定的分析，指出齒輪類零件的熱處理變形主要受零件結(jié)構(gòu)、材料、鍛造、機(jī)加工、熱處理工藝與設(shè)備等多方面因素的影響。
一、滲碳熱處理簡介
汽車中常用的軸和齒輪需經(jīng)過鍛造、正火、機(jī)加工后，進(jìn)行滲碳淬火和回火等工藝熱處理，得到淺表層為硬度較高的滲碳層、心部為具有良好綜合力學(xué)性能的組織，這些組織以及淬火后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力對軸和齒輪的力學(xué)性能有著決定性的作用。目前，滲碳熱處理在我公司應(yīng)用普遍，也是較為成熟的一種熱處理工藝。滲碳的目的是為了得到高碳表面層，以及低碳的心部，以保證心部高塑性高韌性，表層高硬度，提高工件的硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度。
二、熱處理變形淺析
1.影響熱處理變形的因素
在零件進(jìn)行熱處理的同時，必然伴隨著形狀與尺寸的改變，這是組織應(yīng)力、熱應(yīng)力及重力的共同作用結(jié)果。組織應(yīng)力與熱應(yīng)力均為熱處理應(yīng)力，組織應(yīng)力是指熱處理過程各部位冷卻的不同時性引起的各部位組織轉(zhuǎn)變不同時所產(chǎn)生的應(yīng)力，熱應(yīng)力是由于工件各部分的溫度差異，導(dǎo)致熱脹冷縮不均勻而引起的應(yīng)力。淬火時，零件主要發(fā)生兩種變形：幾何形狀的變形，主要為尺寸及形狀的變形，由淬火應(yīng)力引起；體積的變形，主要為工件體積按比例脹大或縮小，是由相變時的比體積變化引起。
影響零件熱處理變形的因素很多，淬火過程只是釋放了零件的變形潛在應(yīng)力，而這些變形潛在應(yīng)力是整個零件加工過程中不斷累積的，可概括為材料的化學(xué)成分，鍛造過程中的鍛造溫度、鍛后冷卻速度，機(jī)械加工過程中的進(jìn)給速率、進(jìn)刀量、切削速度、裝夾方式，熱處理過程中的加熱速度、冷卻速度、加熱溫度等各個方面的因素。熱處理工序作為最后工序，其上游所有工序都會為零件熱處理變形埋下種子，因此研究熱處理變形不能單一地研究熱處理工藝本身，而應(yīng)該著眼于零件結(jié)構(gòu)、材料以及零件的所有加工工序。
2.退火工藝
將偏離平衡狀態(tài)的金屬加熱至較高溫度，保持一定時間，然后緩慢冷卻，以得到接近于平衡狀態(tài)組織的各種工藝方法，統(tǒng)稱為退火。退火的目的在于均勻化學(xué)成分、改善力學(xué)性能及工藝性能、消除或減小內(nèi)應(yīng)力，并為零件最終熱處理提供合適的內(nèi)部組織。
3.完全淬火工藝
將亞共析鋼或其制件加熱到Ac3點以上溫度，保溫后以大于臨界冷卻速度的冷速冷卻，得到馬氏體組織，以提高強(qiáng)度、硬度及耐磨性的熱處理稱為完全淬火。
三、零件熱處理變形試驗實例
我公司生產(chǎn)一種齒輪類零件，簡圖及熱后機(jī)加工位置見圖1。該零件的工藝流程為下料→鍛造→正火→精車→滾齒→插內(nèi)花鍵→剃齒→滲碳→淬火→回火→拋丸→磨棱→車端面及內(nèi)孔。材料為8620RH，熱處理技術(shù)要求為：淬硬層深0.84～1.34mm，表面硬度58～63HRC，心部硬度30～45HRC，金相組織符合TES-003標(biāo)準(zhǔn)。
零件產(chǎn)量較大，采用串放式備料，其直徑大（219.2～219.45mm），壁厚較薄（27.05mm），且結(jié)構(gòu)為不完全對稱，即B端面?zhèn)葹橹睆叫〉膬?nèi)孔，而A端面?zhèn)葹橹睆酱蟮膬?nèi)花鍵，導(dǎo)致該類結(jié)構(gòu)零件兩端面（A和B端面）的熱變形存在趨勢不一致的特點。
2016年底，該零件成品突發(fā)熱處理后B端面的跳動超差（工藝要求熱后端面跳動值≤0.06mm）的情況，進(jìn)而造成鼓形量與齒向角度超差。對該批次中剩余的已完成鍛造、熱前機(jī)加工序的零件，通過在熱處理工序環(huán)節(jié)，進(jìn)行臨時試驗、微調(diào)工藝，以最大程度控制熱變形量、減小零件不合格率。
1.零件原熱處理工藝
零件原先使用的熱處理設(shè)備為AICHELIN42工位環(huán)形轉(zhuǎn)底連續(xù)爐，集預(yù)氧化、滲碳、淬火、清洗、回火于一體。滲碳采用氮氣、甲醇為基礎(chǔ)氣氛，丙酮作為富化劑，按照氮—甲醇?xì)夥绽碚摚┙o比例為甲醇：氮氣=1L/h:1.1m3/h，CO含量值儀表設(shè)定20%。原熱處理工藝為：預(yù)氧化→滲碳→油淬→清洗、回火，工藝過程見圖2，原淬火工藝見表1。
表1 原淬火油攪拌工藝參數(shù)
2.熱處理工序環(huán)節(jié)的臨時試驗、微調(diào)工藝及結(jié)果分析
（1）增加退火工序及結(jié)果分析
采用高溫回火爐退火，退火工藝設(shè)定為400℃保溫2h，隨爐冷卻至350℃后空冷，再進(jìn)行滲碳淬火。對熱前和熱后的端跳值進(jìn)行一一對應(yīng)測量。
由圖3可知，退火滲碳零件端跳值的平均熱變形量為0.033mm，但是因試驗數(shù)據(jù)過少，僅作參考。
（2）調(diào)整淬火攪拌參數(shù)及結(jié)果分析
微調(diào)熱處理工藝參數(shù)的前提條件是確保零件達(dá)到圖樣要求的各項熱處理技術(shù)指標(biāo)。對于一般的淬火工藝來說，最理想的狀態(tài)為零件在快攪速度的設(shè)定時間內(nèi)完成馬氏體相變，而在接下來慢攪速度的設(shè)定時間內(nèi)降低冷卻速度以減少其熱脹冷縮產(chǎn)生的變形，這樣才能在保證完成熱處理技術(shù)指標(biāo)的同時最大程度地減小零件的熱變形量。將淬火快攪時間降至45s，淬火慢攪速度降至700r/min，調(diào)整后的淬火攪拌參數(shù)見表2。
表2 調(diào)整后的淬火攪拌參數(shù)
調(diào)整攪拌后，零件熱處理前后端跳測量結(jié)果如圖4所示，可知，零件使用調(diào)整淬火攪拌參數(shù)后的平均熱變形端跳量為0.057mm，小于使用原淬火攪拌參數(shù)的平均熱變形端跳量0.085mm。但是其大部分熱后端跳值超出工藝要求上差，其熱后端跳值標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.015。
（3）增加退火工序+調(diào)整淬火攪拌參數(shù)及分析
基于上述兩種試驗（增加退火工序后熱變形端跳量小（0.033），而調(diào)整淬火攪拌參數(shù)熱后變形端跳量大（0.057）、離散性小（0.015）），將此兩種方法同時用于該批次零件，即零件先進(jìn)行退火，后使用調(diào)整后的攪拌參數(shù)進(jìn)行滲碳淬火，觀察零件的端跳熱變形量。
第一，使用高溫回火爐進(jìn)行退火工序+調(diào)整淬火攪拌參數(shù)：使用高溫回火爐進(jìn)行退火工序，然后采用調(diào)整淬火攪拌參數(shù)進(jìn)行滲碳淬火工序，零件熱處理前后端跳測量結(jié)果如圖5所示，可知熱后端跳符合工藝要求，平均熱變形端跳量為0.034mm，熱后端跳標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.018。
第二，使用環(huán)形爐進(jìn)行退火工序+調(diào)整淬火攪拌參數(shù)：考慮到物流轉(zhuǎn)運問題，進(jìn)一步優(yōu)化熱處理工序，在環(huán)形爐預(yù)氧化區(qū)進(jìn)行退火工序，按照退火工藝要求，在400℃保溫2h后進(jìn)入主爐滲碳，同時調(diào)整攪拌參數(shù)。零件熱處理前后端跳測量結(jié)果如圖6所示，可知熱后端跳符合工藝要求，平均熱變形端跳值為0.036mm，熱后端跳標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.017。
對以上4種微調(diào)工藝與原工藝及其熱變形結(jié)果進(jìn)行對比，可知僅調(diào)整淬火攪拌參數(shù)補救工藝的熱后端跳值較大，大于增加退火+調(diào)整淬火攪拌參數(shù)的工藝類型，選用后類補救工藝類型，從生產(chǎn)現(xiàn)場的可行性考慮，環(huán)形爐預(yù)氧化區(qū)退火+攪拌參數(shù)調(diào)整的工藝類型優(yōu)于高溫回火爐退火+攪拌參數(shù)調(diào)整的工藝類型，如表3所示。
采用最優(yōu)化補救工藝：環(huán)形爐預(yù)氧化區(qū)退火+攪拌參數(shù)調(diào)整，對該批次剩余零件進(jìn)行生產(chǎn)，零件的不合格率由突發(fā)時的30%降至6%，大幅度降低了不合格率，為公司有效地降低了經(jīng)濟(jì)損失。
表3 試驗工藝較原工藝對生產(chǎn)情況的影響
四、結(jié)語
機(jī)加后滲碳淬火前增加退火工序、配合調(diào)整淬火攪拌參數(shù)能有效改善零件的熱處理變形，為之后類似問題提供了可行的補救工藝。但零件的熱處理變形并不是只靠熱處理工藝調(diào)整就能完全解決，熱前各工序?qū)ψ罱K熱處理的變形都會造成一定的影響，最終產(chǎn)品符合性需要各工序共同協(xié)調(diào)，相互配合，尋找合適的工藝，以提高零件的合格率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。
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