工件的熱處理畸變，按其產(chǎn)生時期來分，有淬火時產(chǎn)生的畸變（即淬火畸變）和熱處理后放置時間內(nèi)產(chǎn)生的畸變（即時效畸變）。按產(chǎn)生畸變的形式可分為：形狀畸變（幾何形狀的翹曲、扭曲、彎曲）和體積畸變（體積的脹縮）。然而，實際上這兩種形式的畸變很少單獨存在，由于鋼材成分、工件加工形狀差異和工藝操作等因素影響，上述兩種形式經(jīng)常同時發(fā)生。
1.形狀畸變
熱處理時工件形狀的變化是由于內(nèi)應力和外應力綜合作用形成的，在加熱和冷卻過程中工件的各部分溫度有差異，熱脹冷縮不均和組織轉(zhuǎn)變不同時，內(nèi)部就產(chǎn)生了內(nèi)應力。形狀復雜、截面尺寸相差大、尺寸大的工件產(chǎn)生的內(nèi)應力更大。當內(nèi)應力超過了材料的屈服強度，就要發(fā)生塑性畸變，由此引起工件形狀變化。工件的自重引起下垂并產(chǎn)生應力，導致形狀的翹曲、彎曲及扭曲等非正常畸變。例如，長齒輪軸的彎曲；大直徑盤形齒輪及薄壁齒圈、齒套等的翹曲或圓度畸變等。這類畸變是比較明顯的，容易通過目測來判斷。
工件產(chǎn)生形狀畸變的形成條件是，當工件本身受到某種應力（外加機械應力、熱應力或組織應力等）作用，其應力值超過了工件材料在該狀態(tài)下的屈服強度后產(chǎn)生翹曲、扭曲等形式的塑性畸變。
2.體積畸變
工件經(jīng)熱處理后其金相組織發(fā)生了改變，各種組織的比體積差異引起工件呈比例的脹縮，體積變化不會影響該工件原來的形狀。例如，齒輪軸的軸向伸長、縮短等。這類畸變量一般較小，目測很難判斷。
工件的體積畸變與各相組織轉(zhuǎn)變時成分和合應力有關，而與熱處理應力作用的大小無關。體積變化的大小與下列因素和條件有關：①淬火前后組織比體積差越大，體積的畸變越大；②提高淬火溫度，奧氏體中合金元素的含量提高，使馬氏體的比體積增大，殘留奧氏體增加；③全部淬透后的工件體積畸變最大。
3.微畸變
微畸變是由于熱處理后的不穩(wěn)定組織（如淬火后的馬氏體和殘留奧氏體）和不穩(wěn)定的應力狀態(tài)（無論壓應力或拉應力），在常溫或零下溫度較長時間的放置或使用過程中，逐漸發(fā)生轉(zhuǎn)變并趨于穩(wěn)定，由此而伴隨有畸變的出現(xiàn)。例如，滲碳或感應淬火后的齒輪齒形、表面形狀的變化（如公法線長度和齒厚變化），其是造成齒輪工作時產(chǎn)生噪聲的原因之一。
干貨丨幾種齒圈的熱處理畸變控制方法
由于齒圈直徑與齒圈寬度（或稱高度）尺寸相差懸殊，在熱處理過程中，經(jīng)常出現(xiàn)內(nèi)孔圓度、端面平面度及錐度畸變超差問題。齒圈熱處理畸變是其熱處理過程中最常見的缺陷之一。
齒圈的加工工序復雜、畸變合格率低、加工余量大、廢次品率高、成本高，而且產(chǎn)品精度低、噪音大，嚴重影響其使用壽命。為此，通過冷加工與熱加工配合、優(yōu)化工藝、改進裝夾（爐）方式、采用先進熱處理工藝與裝備等方法，以提高齒圈熱處理畸變合格率、加工精度，降低產(chǎn)品加工成本，減少廢次品。
改進與優(yōu)化熱處理工藝控制齒圈畸變
1.采取預處理工藝方法減小大型滲碳齒圈畸變
大型齒圈φ2180mm（外徑）×φ1750mm（內(nèi)徑）×550mm（寬度），材料17CrNiMo6鋼，熱處理畸變要求嚴格。但經(jīng)過滲碳淬火后，通常齒頂漲大量4~5mm，有時達6~7mm。對此，采用以下控制措施：
（1）預處理工藝的制定
采用調(diào)質(zhì)工藝，即860℃加熱淬火（比最終淬火溫度高20~30℃），并經(jīng)650℃高溫回火。將其內(nèi)孔直徑漲大量控制在8~10mm以內(nèi)，較為理想。以后按正常的工序，經(jīng)過滲碳降溫空冷，然后進行（820±10）℃均溫后，淬入170℃的硝鹽浴中冷卻，再經(jīng)210℃兩次回火，其齒頂圓直徑僅比滲碳淬火前漲大2mm左右，滿足了預期的漲大量，并且齒圈的圓度、上下錐度等均滿足要求。
（2）工藝要點
嚴格控制調(diào)質(zhì)時的淬火溫度，如果溫度太低，則不能很好地起到減少漲大畸變的作用；反之，溫度太高，則滲碳淬火后的齒頂圓尺寸可能產(chǎn)生收縮，因此需要進行試驗。
2.改進熱處理工藝減小三輪車從動齒圈熱處理畸變
三輪車變速箱從動齒圈（見圖1），材料20CrMnTi鋼，熱處理技術(shù)要求：碳氮共滲的深層0.6~1.0mm，齒面與心部硬度分別為58~64HRC和35~48HRC，螺紋孔與單鏈槽位置度公差為0.05mm。
裝爐前10個M8螺紋孔用防滲涂料堵塞，經(jīng)850~860℃碳氮共滲后，直接淬火、回火。檢驗后發(fā)現(xiàn)，螺紋孔和單鏈槽的位置度超差，防滲涂料不易脫落。其改進工藝及效果如下：
（1）改進工藝
制齒成形→碳氮共滲后緩冷→車（削）滲層、拉（削）鍵槽、鉆孔、攻螺紋→850~860℃加熱淬火→低溫回火→加蓋（保護螺紋孔）拋丸處理→磨（削）輻板→檢查。
（2）改進效果
經(jīng)檢驗，從動齒圈熱處理畸變合格率達95%以上。
圖1 從動齒圈示意
3.采用熱處理新工藝及新工裝控制大型齒圈熱處理畸變
礦用軋機減速器齒圈，外形尺寸為φ1631mm（外徑）×φ1364mm（內(nèi)徑）×300mm（寬度），單件質(zhì)量1434kg，法向模數(shù)20mm，齒數(shù)78，材料為20CrNi2MoA鋼，要求滲碳淬火。
（1）修改后齒圈技術(shù)要求
為控制與減少齒圈熱處理畸變，對其部分技術(shù)要求進行了修改。修改后齒圈的技術(shù)要求見表1；滲碳前調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)硬度217~255HBW；有效硬化層3.90~5.10mm。
（2）新工藝
將鍛后正火改為正火+高溫回火。滲碳后增加球化退火工序，保證滲層碳化物顆粒尺寸≤1μm。其球化退火工藝見圖2。圖2中工藝a與工藝b所得結(jié)果基本相同。
圖2 20CrNi2MoA鋼齒輪球化退火工藝
新工藝路線：鍛造→正火+高溫回火→粗車→探傷→調(diào)質(zhì)→精車、銑齒→滲碳→球化退火→淬火、回火→拋丸清理→精車內(nèi)孔及兩平面→磨內(nèi)孔及兩平面→磨齒→插鍵槽→探傷→產(chǎn)品。
工裝設計：設計上、下壓蓋板，控制齒圈畸變，具體見圖3。
圖3 齒圈熱處理夾具示意
1.齒圈 2.上蓋板 3.下蓋板
（3）檢驗結(jié)果
齒圈表面硬度、心部硬度及有效硬化層深度均達到技術(shù)要求；齒圈表面碳濃度為0.76%（質(zhì)量分數(shù)），采用分段球化退火后碳化物顆粒尺寸達0.5μm；金相組織馬氏體、殘留奧氏體為2級，碳化物為1級，心部鐵素體為2級；力學性能各項指標達到圖樣技術(shù)要求；齒圈畸變檢驗，內(nèi)孔圓度0.90mm，齒頂直徑變化量為+3.1~+4.0mm，公法線變動量在+0.2~+0.6mm，均達到技術(shù)要求。
表1 修改后齒圈的技術(shù)要求
| 有效硬化層深/mm | 齒面硬度HRC | 心部硬度HRC | 滲碳層表面碳濃度（%） | 熱處理后心部力學性能 | ||||
| σb/MPa | σs/MPa | δ5（%） | ψ（%） | αk/J·cm-2 | ||||
| 3.90~5.10 | 58~62 | 30~45 | 0.75~0.95 | ≥1100 | ≥800 | ≥8 | ≥35 | ≥60 |
4.改進熱處理工藝并采取模具矯正方法控制大型超薄齒圈滲碳淬火畸變
大型傳動齒輪箱超薄內(nèi)齒圈，外形尺寸φ1120mm（外徑）×φ944mm（內(nèi)徑）×260mm（寬度），材料17CrNiMo6鋼，重量550kg，熱處理技術(shù)要求：滲碳淬火有效硬化層深2.40~2.90mm，齒面與心部硬度分別為58~62HRC和30~38HRC，金相組織符合企業(yè)標準，晶粒度不粗于6級。熱后畸變要求：錐度≤1.35mm，圓度≤1.35 mm，公法線變動量≤0.7‰，齒頂圓縮小量≤1.5‰。
（1）原加工路線、工藝及齒圈畸變問題
原加工路線：鍛坯粗車→鉆削→插齒→滲碳淬火→噴丸處理→精車→磨齒→成品。原滲碳工藝路線為：預熱650℃×1h→滲碳（930±10）℃×50h→降溫，出爐前保溫830℃×2h→出爐空冷→高溫回火680℃×4h→淬火加熱（820±10）℃×2.5h→硝鹽等溫淬火（160±10）℃→低溫回火（210±20）℃×10h→出爐空冷。齒圈清洗后涂刷防滲涂料，每爐5件，滲碳氣氛采用甲醇+異丙醇富化氣。經(jīng)檢驗，其他項均符合技術(shù)要求，但齒圈畸變較大。
（2）改進工藝
在齒圈插齒前粗加工后進行高溫正火。為減少殘留應力及熱應力，降低滲碳溫度，前期增加階梯升溫的階段數(shù)。改進后增加了400℃和850℃段等溫，適當降低淬火溫度。經(jīng)檢驗齒圈畸變降低了一個等級，但仍偶有畸變超差的情況。其滲碳工藝見圖4。
滲碳矯正淬火工藝及齒圈淬火冷卻采用模具矯正法。齒圈滲碳矯正淬火工藝曲線見圖4。實行模具矯正淬火，將模具和齒圈一起冷卻，使齒圈在冷卻過程中通過模具得到強制矯正，在隨后的長時間回火處理過程，消除了淬火冷卻時產(chǎn)生的應力，穩(wěn)定了齒圈尺寸，防止了畸變的反彈。畸變檢驗結(jié)果比較理想。
圖4 大型齒圈滲碳矯正淬火工藝曲線
5.通過調(diào)整熱處理工藝減小齒圈畸變
TY320、TY220及D65等變速箱中JT001齒圈，外齒直徑318.1mm，內(nèi)齒直徑251.7mm，寬度為51.5mm。材料為42CrMo鋼，調(diào)質(zhì)硬度262~302HBW；氮化處理后ΔM要求≤0.10mm。
（1）原熱處理工藝及畸變情況
毛坯正火（880℃×3h）+粗車后調(diào)質(zhì)（鹽浴820℃×0.5h，油淬+回火）+校正+精車后時效處理（300℃×5h）+插齒+離子氮化（520℃）后隨爐冷卻。經(jīng)檢驗，M值及變動量超差，齒圈畸變合格率僅為70%左右。
（2）改進工藝及效果
將原來先調(diào)質(zhì)后校正再氮化改為先校正后調(diào)質(zhì)再氮化，齒圈畸變合格率達到98%以上，齒圈ΔM值變動量由調(diào)整前的最大0.46mm減小到調(diào)質(zhì)后的0.10mm；時效溫度由原來300℃提高至560℃，此溫度既保證了加工應力的充分釋放，又高于氮化溫度30~50℃，因而使氮化齒圈的畸變最小，ΔM值最大值由調(diào)整前的0.22mm減小到調(diào)整后的0.08mm。
6.通過工藝流程調(diào)整解決高頻淬火40Cr鋼齒圈畸變跳動超差問題
齒圈（見圖5），材料為40Cr鋼，技術(shù)要求：調(diào)質(zhì)硬度28~32HRC，齒部高頻淬火硬度為48~52HRC，齒圈跳動＜0.048mm。
（1）高頻淬火工藝及齒圈畸變問題
高頻淬火工藝電參數(shù)，電流頻率250kHz，陽極及柵極電流分別為7~7.5A和1.4~1.7A，加熱時間30~40s，冷卻水壓力≥0.2MPa。
高頻淬火時靠近φ30mm孔的部位冷卻速度快，遠離φ30mm孔的部位冷卻速度慢，正是這種冷卻速度的不均勻性造成齒圈跳動超差。
圖5 40Cr鋼齒圈示意
（2）改進工藝流程及效果
改進后工藝流程：鍛造→粗車→調(diào)質(zhì)→精車外圓、內(nèi)孔→滾齒、去毛刺→剃齒、去毛刺→清洗→齒部高頻淬火→精車兩端面空刀→鉆孔、锪孔角→鉆孔、攻螺紋→拉單鍵槽→去毛刺噴砂處理→清洗入庫。改進效果：經(jīng)過工藝流程的調(diào)整，高頻淬火后齒圈的跳動均在公差要求的范圍內(nèi)。
7.采用碳氮共滲工藝減小內(nèi)齒圈淬火畸變
重載自卸車轉(zhuǎn)向機構(gòu)中內(nèi)齒圈，外形φ444mm（外徑）×φ372.88mm（內(nèi)徑）×140mm（齒寬），材料20CrMnTi鋼，熱處理技術(shù)要求：表面碳濃度0.8%~1.0%（質(zhì)量分數(shù)），共滲層深度1.1~1.5mm，表面與心部硬度分別為58~65HRC和30~45HRC，圓度≤0.5mm。金相組織為馬氏體、殘留奧氏體≤4級，碳氮化物≤5級。
（1）內(nèi)齒圈加工流程
下料→鍛造→粗加工→預先熱處理（正火）→機加工→碳氮共滲→質(zhì)量檢驗→噴砂處理→產(chǎn)品檢驗→入庫。
（2）熱處理碳氮共滲工藝
采用愛協(xié)林密封箱式多用爐進行氣體碳氮共滲，降溫直接淬火。其工藝見圖6。碳氮共滲870℃×6h，強滲碳勢0.95%，擴散870℃×2h，碳勢0.65%，降溫至840℃×0.5h出爐快緩冷。
圖6 內(nèi)齒圈氣體碳氮共滲工藝
（3）熱處理二次加熱淬火工藝
碳氮共滲后緩冷，再二次加熱，內(nèi)撐式壓緊淬火，其工藝如圖7所示，淬火加熱830℃×40min。淬火采用質(zhì)量分數(shù)為10%~15%PM淬火冷卻介質(zhì)，轉(zhuǎn)移時間20s，冷卻時間10s，出液溫度控制在150~180℃，近似壓淬。使用專用工裝內(nèi)撐內(nèi)孔后回火。
圖7 內(nèi)齒圈二次加熱淬火及回火工藝
（4）工裝及裝爐方式
內(nèi)齒圈的內(nèi)外徑比遠大于1/2，壁薄，淬火容易產(chǎn)生圓度畸變，應避免重疊堆放以減少重力影響。齒圈間應有合理間距，確保圓周冷卻均勻。
（5）淬火畸變與控制
根據(jù)熱處理漲大量預留余量，保證尺寸精度；選用二次加熱淬火工藝；采用淬火壓床淬火；淬火后圓度超差件采用專用工裝定型回火。
（6）檢驗結(jié)果
表面硬度60~65HRC，心部硬度38~40HRC，馬氏體、殘留奧氏體1級，碳氮化合物1級，外徑圓度0.13~0.30mm，均合格。
8.50Mn2鋼齒圈的中頻淬火熱處理
齒圈尺寸為φ322mm（外徑）×φ281mm（內(nèi)徑）×齒圈77mm（寬度），材料50Mn2鋼，中頻淬火技術(shù)要求為：表面硬度為50~55HRC，齒根處淬硬層在1~4mm，相當于40HRC。齒圈的周節(jié)累計誤差＜0.10mm，齒向誤差＜0.055mm，齒形誤差＜0.035mm。
（1）中頻淬火機床及感應器
中頻淬火機床額定功率不能小于400kW。感應器采用14mm×14mm的紫銅方管制作而成，匝數(shù)為5，感應器高度為a，齒圈與感應器之間的預留間隙為b。圖8為感應器示意。
圖8 齒圈用感應器示意
1.導磁體 2.齒圈 3.感應器
（2）中頻加熱淬火規(guī)范
齒圈與感應器之間的預留間隙：考慮到導磁體對磁場分布的影響因素，將感應器的直徑增大為b+2mm。同時，增加感應器的高度為a+3mm。電加熱規(guī)范：最高輸出電壓540V，最高輸出電流430A，頻率8000Hz，齒圈加熱到22s時被加熱區(qū)域已經(jīng)亮紅，完全達到了淬火所需溫度。加熱方式采用同時加熱淬火方式。常用比功率為0.8~1.5kW/cm2。淬火冷卻介質(zhì)：采用好富頓公司的AQ251型淬火冷卻介質(zhì)，配比濃度控制在9%~13%（質(zhì)量分數(shù)）。
（3）檢驗結(jié)果
金相組織檢驗、尺寸檢驗完全達到技術(shù)要求。齒根硬化層深度2.5~4.0mm。齒向跳動＜0.05mm，齒形跳動＜0.04mm，圓周累計誤差＜0.1mm。
采用先進的工藝及裝備控制齒圈畸變
1.采用齒圈模壓式感應淬火和回火新技術(shù)控制高精度齒圈畸變
（1）最新感應加熱模壓淬火技術(shù)
德國EMA的最新模壓淬火工藝融合了感應淬火和壓力淬火工藝的優(yōu)點，其主要優(yōu)點：熱量在齒輪內(nèi)部直接產(chǎn)生，沒有熱傳導損失，加熱時間短，節(jié)能；加熱與淬火迅速，過程易于控制，重復性好；易于形成生產(chǎn)線，效率高；沒有污染；熱處理畸變小，齒輪最終尺寸精度高；硬化層分布均勻。
該技術(shù)在汽車零部件行業(yè)得到成功應用。適合于中碳鋼齒輪的直接壓淬，也適合于滲碳后的齒輪壓淬，包括齒輪（圈）、傘齒輪及同步圈等高精度的環(huán)形零件。
（2）工藝過程
圖9為熱處理畸變齒圈模壓式感應淬火流程圖。即將畸變齒圈固定到非導磁性的定心和夾持裝置上（步驟1，夾持裝置具有堅固的底部壓模和上部壓模）；通過電磁感應加熱到大約900℃（步驟2，其加熱溫度根據(jù)材料定，可通過紅外測溫儀監(jiān)測與控制）；保溫一定時間后，齒圈達到相同或均勻的溫度，上下壓模加壓（步驟3）；立即用淬火冷卻介質(zhì)噴淋齒輪（步驟4）；步驟4淬火后，壓模裝置就不需要了。將感應器移動到齒圈和校正芯模的組合位置（步驟5）；然后對齒圈進行回火加熱（步驟6）；隨著溫度升高，齒圈發(fā)生微量膨脹，生產(chǎn)很小的縫隙（步驟7）；把齒圈從芯模的另一端拔出（步驟8）。校正芯模（采用不銹鋼）可以有效防止齒圈收縮。
圖9 畸變齒圈模壓式感應淬火流程圖
（3）工藝參數(shù)和結(jié)果
工藝參數(shù)和結(jié)果見表2。通過表2可以看出，齒輪畸變較小：同心度＜0.03mm，圓度＜0.03mm，平面度＜0.05mm。
表2 16MnCrS5鋼齒輪壓淬工藝參數(shù)和檢驗結(jié)果
| 工藝參數(shù) | 功率/kW | 250 |
| 頻率/kHz | 10 | |
| 工藝時間/min | 4 | |
| 硬度與硬化層 | 表面硬度HV30 | 680~780 |
| 硬化層深度/mm | 0.8~1.2 | |
| 心部硬度HV30 | 350~480 | |
| 精度 | 同心度/mm | ＜0.03 |
| 圓度（內(nèi)徑）/mm | ＜0.03 | |
| 平面度（底面）/mm | ＜0.05 |
2.不對稱薄壁內(nèi)齒圈化學熱處理畸變的控制方法
薄壁齒圈尺寸φ162mm（外徑）×φ111.4mm（內(nèi)徑）×48mm（厚度），材料20CrMnTi鋼。技術(shù)要求：碳氮共滲層深0.6~1.0mm，表面與心部硬度分別為58~64HRC和35~48HRC，內(nèi)孔圓度＜0.10mm。
（1）原設備、工藝及齒圈畸變問題
原熱處理采用連續(xù)式滲碳爐，碳氮共滲工藝：強滲880℃→擴散860℃→840℃降溫淬火。由于齒圈結(jié)構(gòu)較復雜、壁薄且不對稱，碳氮共滲淬火后內(nèi)孔圓度≥0.12mm，畸變超差。
（2）改進后的熱處理設備及工藝
設備改用2-1-1多用爐生產(chǎn)線，該設備溫度和碳勢控制均勻而精確。由于滲層越淺，碳勢越低，畸變越小，使?jié)B層精確控制在0.6~0.7mm，金相組織控制在1~2級。
共滲工藝：強滲860℃→擴散860℃→830℃降溫淬火（淬火采用今禹Y35-Ⅰ型等溫分級淬火油）。經(jīng)檢驗，內(nèi)孔圓度控制在＜0.10mm，合格。
3.采用40Cr鋼高頻淬火方法取代20CrMnTi滲碳淬火減小內(nèi)齒輪畸變
聯(lián)合收割機內(nèi)齒輪尺寸為φ315mm（外徑）×φ268.2mm（內(nèi)徑）×36mm（寬度），材料為20CrMnTi鋼，模數(shù)為4mm，技術(shù)要求為：熱處理后大端面平面度＜0.2mm；內(nèi)孔圓度≤0.3mm；滲碳層深度0.9~1.3mm；齒輪部硬度為59~63HRC。
（1）原工藝過程及齒圈畸變問題
原工藝過程：粗加工→滲碳→精加工→二次加熱淬火。熱處理后內(nèi)孔畸變大，內(nèi)孔圓度在0.35~0.80mm之間，畸變超差。
（2）改進工藝及檢驗結(jié)果
改進齒輪材料：經(jīng)主機廠同意，決定采用40Cr鋼，先進行整體調(diào)質(zhì)處理，保證齒輪心部硬度（強度），然后進行齒部的高頻淬火，以保證畸變不超差。新的技術(shù)要求：齒坯調(diào)質(zhì)硬度269~289HBW；齒輪高頻加熱淬火后淬硬層1~1.5mm；齒面硬度50~54HRC。新工藝過程：齒坯粗加工→調(diào)質(zhì)→精加工→高頻淬火。檢驗結(jié)果：通過冷、熱加工多次配合試驗，調(diào)整內(nèi)齒輪熱處理前參數(shù)M值，經(jīng)高頻淬火后達到技術(shù)要求。采用40Cr鋼進行高頻淬火代替20CrMnTi滲碳淬火也降低了成本，經(jīng)裝車使用效果良好。
畸變齒圈的校正方法
齒圈淬火后形成橢圓形的校正方法如下：
（1）橢圓的熱點校正法
熱點校正法是采用在齒圈外圓凸起部位（橢圓形長軸點）加熱，并立即快冷，通過冷縮作用使凸起部位變小的原理進行校正。熱點校可采用乙炔氧氣或丙烷氧氣火焰加熱校直。
（2）具體操作
具體是在橢圓長軸外徑對稱部位熱點兩點，而在橢圓短軸方向的內(nèi)徑對稱兩端各熱點一點，熱點后應立即快冷（如水冷等）。若橢圓度太大，可先采用加熱反擊法進行粗略校正，再采用熱點校正法來校正，這樣可收到較滿意的效果。最后進行低溫回火170~200℃×1h，并進行復檢。
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