熱處理技術在齒輪制造中的應用和發(fā)展

摘 要：文章對齒輪熱處理技術的應用和發(fā)展進行了概述，對齒輪材料性能與熱處理的關系進行了重點的闡述，對減輕齒輪熱處理變形的途徑進行了分析歸納。

關鍵詞：齒輪；熱處理技術；應用；發(fā)展

齒輪熱處理技術隨著各種機械產(chǎn)品對齒輪零件綜合性能和品質(zhì)要求的不斷提高而快速發(fā)展。因此，了解國內(nèi)外齒輪熱處理工藝的發(fā)展動態(tài)、分析研究現(xiàn)有齒輪熱處理方法的優(yōu)缺點和改進方向是很有必要的，對減少齒輪熱處理變形、提高齒輪制造精度和使用性能，具有重要意義。

1 齒輪磨損淺析及材料性能要求

作為傳動系統(tǒng)中的重要零件，齒輪對于機械設備的運動精度和工作時的穩(wěn)定性、可靠性發(fā)揮著重要的作用。由于齒輪及齒輪箱制造誤差的存在，使得一對齒輪在傳遞動力的過程中和運動速度改變的時候，嚙合齒面之間理想的純滾動狀態(tài)難以實現(xiàn)，運動沖擊、滑動摩擦及循環(huán)交變的彎曲應力共同對齒面產(chǎn)生不良作用，產(chǎn)生材料疲勞和磨損。其中包括以下幾種方式：①由于嚙合齒面間的相互研磨以及摩擦放熱的共同作用，導致齒面材料分子發(fā)生氧化或是與周圍介質(zhì)發(fā)生其它化學變化，造成以齒面腐蝕磨損為主的復合磨損；②在循環(huán)接觸應力的反復作用下，齒面金屬材料發(fā)生疲勞，產(chǎn)生點蝕、裂紋、剝落等破壞形式[1]。通過分析齒輪的磨損原因和失效形式，可得出齒輪毛坯材料應該具備的基本性能：①良好的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度；②齒面達到理想的硬度和良好的耐磨性，具有分布合理的硬化層。

2 齒輪材料與熱處理方法概述

齒輪因其在眾多機械機構中的工作條件不同，對其性能要求也有較大差別。對高轉(zhuǎn)速、重載荷、需承受沖擊及高精度的齒輪，多采用滲碳鋼經(jīng)滲碳、淬火及低溫回火熱處理工藝，表層金相組織為高碳回火馬氏體，硬度高、耐磨性好，芯部為低碳馬氏體組織，韌性強、不易發(fā)生金屬疲勞；滲碳鋼20CrMnTi經(jīng)上述處理后，表面硬度可達58～62HRC，芯部硬度可達30～45HRC。對于承受中等工況的齒輪，多采用調(diào)質(zhì)鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)和高頻感應淬火熱處理，其齒部抗疲勞性能較好，但耐磨性和硬度比滲碳鋼稍弱。對低轉(zhuǎn)速、輕載荷的齒輪，可使用球墨鑄鐵材質(zhì)，采用正火或等溫淬火熱處理。

淬火工藝的發(fā)展對提高齒輪性能起到了重要作用，感應加熱表面淬火技術及設備因加熱速度極快、生產(chǎn)效率高，變形小，淬硬層深，淬火后齒面表層低脆性、高疲勞強度，工件表面不易氧化脫碳，易于實現(xiàn)自動化控制等諸多優(yōu)點，目前在我國的齒輪生產(chǎn)中已廣泛使用[2]。

3 齒輪熱處理工藝的創(chuàng)新發(fā)展

對齒輪鍛坯的熱處理通常具有兩種目的：首先是改善坯料的切削加工性能，例如：滲碳鋼經(jīng)正火后得到具有較細片間距并且分布均勻的珠光體組織，這種組織有較好的切削性能，有利于機械加工；其次是獲得組織均勻一致的齒輪毛坯，有利于控制、減少后續(xù)加工及熱處理所產(chǎn)生的變形量，獲得穩(wěn)定的尺寸精度，有利于降低齒輪工作時的噪音[3]。

汽車變速器齒輪材質(zhì)多為滲碳合金鋼，其鍛造毛坯長期采用正火作為預備熱處理方法。然而隨著齒輪制造材料的發(fā)展及品質(zhì)標準不斷提高，傳統(tǒng)的鍛后正火熱處理工藝在很多情況下無法滿足生產(chǎn)實際需要，而新型齒輪鋼的應用，對鍛后熱處理工藝的創(chuàng)新發(fā)展提出了新的要求[4]。正火時，鋼的組織轉(zhuǎn)變必須要在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)進行，因此在連續(xù)冷卻過程中，通常無法得到理想的均勻組織。鍛坯批量正火時大多數(shù)情況下成堆碼放在空氣中進行冷卻，周圍環(huán)境以及鍛坯在堆中的擺放位置等多種因素都會影響到其冷卻的速度，從而導致同批次鍛坯的正火質(zhì)量出現(xiàn)較大波動，冷卻過程可能產(chǎn)生貝氏體組織，使切削性能變差，并且容易引起齒輪滲碳淬火時的變形量加大。

基于上述原因，國外汽車生產(chǎn)廠家已經(jīng)普遍采用了等溫退火技術對齒輪鍛坯進行熱處理，不同的材料有各自對應的等溫溫度。經(jīng)過等溫退火的齒輪鍛坯在獲得了良好切削性能的同時，對提高滲碳淬火后齒部尺寸精度的穩(wěn)定性也很有益處。

冷擠壓成型相對于傳統(tǒng)的鍛造成形再切削工藝而言，具有不用加熱的優(yōu)勢特點，所以毛坯不存在熱處理過程中的氧化脫碳現(xiàn)象，并且毛坯尺寸具有非常高的精度，較小的加工余量。對于小模數(shù)齒輪，能夠?qū)X形直接通過冷擠壓方式加工出來，與傳統(tǒng)銑齒工藝相比較，可有效縮短加工時間、降低生產(chǎn)成本。與鍛后切削加工的齒輪相比，冷擠壓成形齒輪的各層金屬纖維流線可以保持連續(xù)，因此其齒部的強度和韌性更好。在冷擠壓加工當中使用的鋼材應具有較高的塑性和較低的變形抗力，對鋼材進行球化退火預先熱處理可以有效的提高其冷成形性能，消除其在冷擠壓過程當中的開裂傾向。

4 齒輪熱處理變形和改進方法

由于齒輪熱處理變形的原因非常復雜，會受到冷、熱加工當中很多因素的綜合影響，比如：裝爐方式、淬火介質(zhì)冷卻速率、材料淬透性、淬火過程的熱應力和組織應力、預先熱處理及機械加工殘余應力等多種因素都會對其產(chǎn)生綜合影響，所以必須全面考慮冷、熱加工全過程當中的各種因素，優(yōu)化設計齒輪結構，注意各種不利因素之間的相互作用，以上對于減少齒輪熱處理變形非常關鍵。例如：齒輪輪轂上的減重孔位置如果分布不合理，就會對齒部淬火變形量產(chǎn)生影響；而一批里的每個齒輪加工時，機床調(diào)整、刀具磨損及切削參數(shù)等都存在變化，因此各件的切削應力差異明顯；滲碳時每爐零件的表面碳濃度、滲層深度的波動，會造成變形沒有規(guī)律。

控制齒輪滲碳淬火熱處理變形的重要因素是表層碳濃度和滲碳層深度以及淬火溫度與淬火介質(zhì)的冷卻速度，滲碳深度和碳濃度會對滲層組織膨脹系數(shù)產(chǎn)生影響，而淬火條件將決定齒輪的金相組織、機械性能及變形量是否滿足要求；同時鋼材特性對熱處理過程也會產(chǎn)生重要影響，利用窄淬透性帶的鋼材使淬火后殘余奧氏體量降到低水平并對滲碳層深度進行適當?shù)卣{(diào)整，能夠?qū)⒘慵冃慰刂圃谳^小且有規(guī)律的狀態(tài)，并能在滲碳層上實現(xiàn)最佳的殘余壓應力分布。影響齒輪孔縮的主要因素是淬火溫度，滲碳溫度及淬火溫度越高，花鍵孔的收縮量越大，但淬火溫度又不能過低，否則會產(chǎn)生非馬氏體組織影響性能。通過選擇正確的淬火溫度、分級溫度和時間以及合理的淬火劑（如低溫鹽浴、堿溶或油浴等介質(zhì)），采用分級淬火可有效減少零件變形；而更新的計算機控制噴霧冷卻方式，可在規(guī)定的時間內(nèi)對零件指定部位完成淬火，與常規(guī)淬火介質(zhì)相比，更容易得到較為理想的冷卻速度。

5 結束語

我國的齒輪制造熱處理技術經(jīng)過長時間的積累和探索，齒輪產(chǎn)品性能已經(jīng)基本能夠滿足各種機械設備的使用要求，相關理論研究正從引進消化國外技術轉(zhuǎn)向注重自主創(chuàng)新，齒輪熱處理新技術的應用和發(fā)展將有效促進我國機械工業(yè)的顯著提升。

參考文獻

[1]胡明霞.汽車滲碳齒輪的質(zhì)量指標及其控制方法[J].第六屆全國熱處理大會論文集，1995.

[2]李國隆.國產(chǎn)齒輪熱處理爐的現(xiàn)狀與技改選型[J].工廠建設與設計，1996.

[3]裴玲，等.變速箱齒輪齒形齒向熱處理變形精度控制[J].汽車工藝與材料，1998.

[4]區(qū)文波.滲碳齒輪熱處理變形的分析及減少變形的對策[J].機械開發(fā)，1996.

作者簡介：戴秋琦（1985-），男，黑龍江齊齊哈爾人。黑龍江省齊齊哈爾市齊齊哈爾二機床集團有限公司工藝員，本科學歷，主要從事機械加工制造方面的工作和研究。