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齒輪熱處理變形，特別是滲碳淬火齒輪內花鍵的變形，一直以來是我公司老大難的技術問題之一，為了解決這一問題，長期以來我們在變形的防治上投入了大量的人力、物力、財力。由于方法欠妥，未能從根本上進行防治，所以收效甚微，報廢率居高不下，對生產(chǎn)帶來了很大影響。帶著滲碳淬火齒輪內花鍵變形的這一問題，結合我公司的具體情況，經(jīng)長期反復思考和探索，并通過向國內、外知名的熱處理專家以及國內大型齒輪制造廠請教和學習，對我公司滲碳淬火齒輪內花鍵變形的原因有了清楚的認識，針對變形的原因提出了減小變形的對策和防治措施。現(xiàn)分述于下：

 

一、 我公司滲碳淬火齒輪內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TEREX所指定的材料，對于所用的材料我公司無權更改。

 

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(美國好富頓K油)，K油冷速最高可達到110℃/S，因此，可以肯定的說，對于20Cr2Ni4A材質選用K油進行淬火是個典型的原則上的失誤（也包含G油在內，G油的冷速也可以達到100℃/S，冷速也快）。由于在馬氏體相變點附近，K油冷卻速度過快，加上20Cr2Ni4A鋼材的高淬透性，淬火中馬氏體轉變過于迅猛，轉變時體積迅速發(fā)生膨脹，因而產(chǎn)生很大的內應力，從而引發(fā)齒輪內花鍵的變形加劇，導致內花鍵橢圓、錐度、不圓柱度的嚴重變形。變形最多時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的攪拌問題

對于齒輪鋼材淬透性差的時候，就希望攪拌的力度要快一些，提高淬火烈度；對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，再通過攪拌冷卻會使淬火介質冷速更高，加劇變形，在這種情況下，應停止攪拌。

二、 我公司滲碳淬火齒輪內花鍵變形的原因之一——齒輪結構設計上引發(fā)的變形

從結構的特點上分析可知，見圖1所示：

①A端和B端在形狀上不對稱

②工件壁厚不均

因此，變形是絕對的。由于結構上美國TEREX在設計上已成定局，因而要求熱處理盡最大努力將這種特定結構所引發(fā)變形量應控制到最小程度。即花鍵的變形量要控制在公差之內。

三、 從訂購鋼材說起——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。美國所用鋼材為3316（相當我國20Cr2Ni4A），滲碳淬火后心部硬度為38.5-41.5HRC。國內、外齒輪行業(yè)公認最佳的心部硬度為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：

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 為了減小齒輪和內花鍵的變形，淬透帶寬不得大于6HRC。

③ 鋼材應為本質細晶粒鋼，晶粒度≥5級。

四、選擇淬火介質的原則

1、滲碳后的齒輪對淬火介質的要求

① 達到要求的表面硬度和心部硬度。

② 達到要求的有效硬化層深。

③ 盡量小的淬火變形。

2、為了滿足以上三個要求，通�？砂匆韵略瓌t合理選擇淬火介質

① 鋼材的含碳量：

齒輪鋼材含碳量與心部硬度有關，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 齒輪的結構形狀：

齒輪結構形狀越復雜，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

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

1、MAR-TEMP 355分級淬火油的特點：

①MAR-TEMP 355是好富頓熱油系列中的一種等溫分級淬火油，最高冷速可達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、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，以保證心部的強韌性和足夠的心部硬度。對于淬透性低的滲碳鋼，盡管滲碳淬火后后變形比較小，但心部強韌性和硬度難于得到保證。

2、級淬火對減小齒輪錐度和橢圓變形的實際效果，等溫分級淬火油的變形量顯著小于油淬的變

形量。

3、根據(jù)美國好富頓提供的資料顯示：

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

4、換油所面臨的實際問題

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

②南高齒是一臺滲碳爐配有四個淬火油槽，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，這種結構不但工藝上非常合理，而且在防治齒輪內花鍵變形方面收到了很好的實際效果，南高齒的經(jīng)驗值得我公司借鑒和學習。

③北京機電研究所所長、中國熱處理學會理事長徐躍明教授；哈爾濱工業(yè)大學博士生導師、中國熱處理學會副理事長閆牧夫教授；鄭州機械研究所總工程師、碩士生導師、太重院士工作站首席專家陳國民教授；美國好富頓上海工業(yè)介質分公司技術經(jīng)理姚繼洪高工分別向我公司建議：“根據(jù)匯工的實際情況，由于涉及內花鍵滲碳淬火變形工件較多，另買一臺滲碳爐，淬火介質選好富頓MAR-TEMP 355等溫分級淬火油，是最為理想的配置”。我希望這一建議能得到公司領導的認可、采納和落實。

六、尚未換油之前，減小滲碳淬火內花鍵變形的工藝措施

1、要求調質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，爐內預冷至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、適當提高淬火油K油或G油的油溫，達到淬火時適當降低冷速，減小變形的目的。