合金钢热处理变形控制因素分析

合金钢热处理变形控制因素分析

关家栋

中国航发哈尔滨东安发动机有限公司 黑龙江省哈尔滨市 150066

摘要：现代齿轮采用多种材料制造，众多材料中，钢材具有出色的特性。现今，多种主要因素决定了钢制齿轮在工业中广泛应用。而且大多数采用普碳钢与合金钢制造的齿轮常通过热处理增加强度和寿命。虽然普碳钢与合金钢具有相同的硬度和抗拉强度，但合金钢是首选，因为其具有较高的淬透性与较高疲劳强度齿轮所需的渗层与心部组织结构。现代工业应用中超过90％的齿轮由合金钢制造。因此，本文研究的范围重点介绍了合金钢齿轮的热处理。

关键字：热处理  合金钢  变形量

一、前言

所有的齿轮钢在热处理过程中都会变形，这是一种物理现象[1]。航空传动系统用的合金结构钢齿轮热处理之后的变形会降低齿轮的精度等级，特别是淬火。为了获得高精度的齿轮，必须要进行精加工处理。一般来讲，有些结构零件经过淬火处理之后会扩张，另外一些材料则相反。比较普遍的做法是，在会引起变形的热处理操作之前给轮齿留有相应的精加工余量，这些余量应该包括材料的扩张和收缩以及轮齿的几何变形。对于能够预测变形及变形规则的材料，齿轮加工时不留余量省去精加工过程，也可能达到AGMA标准中的10级精度。大部分材料在淬火处理中都是扩张变形，小部分材料，比如受马氏体时效处理的齿轮钢是收缩变形。扩张和收缩的变形量取决于合金成分、钢的等级和齿轮的结构，因此，研究变形规律可以优化齿轮的机械加工过程。如果齿轮的毛坯没有经过任何热处理过程，可以通过一些试验确定材料的变形规律，利用这些试验数据，可以优化齿轮的加工方法。热处理工件的热处理变形，主要是由于热处理应力造成的。工件的结构形状、原材料质量、热处理前的加工状态、工件的自重以及工件在炉中加热和冷却时的支承或夹持不当等因素亦能引起变形。凡是牵涉到加热和冷却的热处理过程，都可能造成工件的变形。因为淬火过程中，组织的比体积变化大、加热温度高、冷却速度快，故淬火变形最为严重。所以变形控制主要是从工艺和工装两方面进行变形控制。

二、热处理变形控制因素分析

变形是淬火过程中最易产生的缺陷。严重的变形特别是开裂，使工件报废。有些变形虽然可以通过机械加工或矫直措施加以解决，但这必将增加工件加工过程的工作量，所以在保证技术要求的同时，最大限度地减少工件的变形及防止开裂是进行淬火操作时必须加以考虑的重要课题。零件的热处理畸变是在热处理过程中其应力高于零件材料的屈服强度使齿轮发生了不可逆转的塑性变形。应力主要有三种：（1）热应力；（2）组织应力；（3）外来残余应力。从该角度讲，齿轮的热处理畸变涉及到从设计到制造工艺的整个过程，根据渗碳淬火齿轮典型的工艺流程，可确定影响齿轮热处理畸变的主要因素。

2.1齿轮的设计

渗碳淬火齿轮的结构是影响热处理畸变量的主要因素之一，约占80%左右。零件端面尺寸是否均匀对称及内孔与外径之间的尺寸比例都对应力的性质、大小及分布产生影响。一般来说形状简单、对称性强、直径不大、各部分厚薄较均匀的齿轮热处理畸变较小；反之，形状复杂、不对称、外径尺寸大、厚薄相差大的齿轮畸变就大。例如双联锥齿轮结构属于形状复杂，结构对称，但尺寸较大，壁厚较薄的零件，理论上热处理变形量就会较大[2]。

2.2齿轮的材料

原材料是影响齿轮热处理畸变的重要因素。齿轮用钢有三个表征特性：（1）淬透性；（2）纯度；（3）晶粒度。其中的淬透性是材料特性中对齿轮热处理畸变影响最为显著的因素，其次材料的晶粒度、夹杂、偏析等也会对其热处理畸变产生影响。

本项目选择的渗碳零件采用9310钢材料，研究结果表明钢的淬透性越高，则渗碳淬火后涨缩畸变量越大，9310钢与某些机型选用的18CrNi4A材料相比，淬透性低，故其淬火变形的程度略小。

2.3锻造及预备热处理

锻造可以改变晶间的致密度，使组织均匀，改善偏析和带状组织，因此有利于减小齿轮的热处理畸变。但要注意锻造工艺的合理性与一致性，采用模锻时，应使金属纤维流线对称，锻坯充满形腔并均匀冷却。实验所用原材均为模锻件。

预备热处理一方面可以有效地消除锻造应力及粗加工应力。否则，在切齿加工或其它精度加工时应力会重新分布，从而引起附加应力变形。另一方面可以减轻甚至消除锻造后的不良组织，并使之均匀细化，为渗碳准备好最佳的组织状态，并且均匀的组织将减小淬火变形趋势[3]。

2.4齿轮的机加状态

齿轮的机加质量主要在于机加应力方面。在机械加工中由于切削不当、刀具使用不当等因素的影响，在机加工表面产生复杂的加工应力层，这种应力在热处理加热过程中得以释放，再加上金属在高温状态下强度降低，该应力会导致齿轮热处理畸变。因此，必须合理安排机加工艺流程，降低零件的机加应力。

同时对于热处理压力淬火的关键位置，机加加工时应加严控制，保证控制基准与渗碳位置的一致性。

2.5齿轮的热处理工艺

齿轮的畸变最终是在渗碳淬火、氮化等最终工序显现出来。因此，必须对齿轮渗碳及淬火过程中的各影响因素加以详细分析，并采取适当的控制措施。齿轮在高温下渗碳并降温冷却，然后进行一次高温回火，再进行淬火冰冷回火，其影响因素十分复杂，包括温度的控制，装炉方式、夹具、挂具的设计，淬火温度，冷却介质及介质的搅拌方式等都会影响齿轮的最终变形。

2.5.1渗碳过程

9310钢材料的渗碳温度是影响之间变形的重要因素。较高的温度可以获得更快的碳原子扩散速度，但是却存在温差大造成变形大的不利因素。渗碳后降温阶段要求在规定时间内内降至规定温度，减少碳化物的生成，以获得细小的金相组织。同时快速冷却导致变形较大，制件在规定温度保温半个小时左右，然后在保护气氛中冷却 [4]。

2.5.2装炉方式及升温过程

考虑到加热、气氛、冷却的均匀性对齿轮热处理畸变的影响，零件的加热保温过程需要寻找一个最佳的装炉方式。零件产生变形的一个重要因素为重力的影响，为了给淬火提供有利的变形状态，有时可以综合考虑制件的装炉方式抑制或是诱导变形。在双联齿轮的生产中就采用了反向装炉引导零件变形的方式。同时在制件装炉量较大情况下，可以适当降低升温速率，在降温过程中也可以采用较为缓慢的降温速率，从而减小零件的变形量。

2.5.3淬火冰冷处理

淬火的过程决定零件的热处理状态主要因素，且在此过程中产生应力也最大，其中涉及热应力与组织应力影响之间体积形态的变化。同时淬火过程还可以采用压力淬火，改变零件的变形，因此淬火过程也显得格外重要。影响淬火的因素十分复杂，主要有淬火方式，淬火温度、淬火介质及搅拌等等。

根据制件的具体情况可以选择不同的淬火方案，双联齿轮的压力淬火方式是在淬火压力机上利用专制的淬火夹具实现关键部位的变形控制，保证良好的机械性能的同时综合考虑制件的变形。淬火介质使用快速光亮淬火油，以保持良好的流动性和冷却效果，防止零件冷却不均。

冰冷处理是淬火的延续，为了消除残余奥氏体，保证制件稳定的尺寸的表面硬度。而冰冷过程也是淬火变形的关键部分，过大的温度变化将导致变形的加剧，在冰冷时应注意零件的摆放及冷却速度。

回火工序可以达到消除制件的淬火应力，改善组织，调整表面的硬度的目的。值得注意的是制件在冰冷保温结束后不应立即进行回火，必须回复至室温，目的就是避免温度差较大造成的热应力变形[5]。

三、结论

根据以上对热处理畸变的原因分析，将各因素对制件变形的影响程度进行对比权衡，分析所得原材料的特性、热处理前的机加应力状态以及热处理工艺方案对热处理变形的影响最大。其中在其余条件已经选定的情况下，淬火工艺方案及淬火模具的选用是决定因素。鉴于直升机传动零件对服役寿命的苛刻要求，针对典型零件的淬火热处理变形控制研究十分必要，由此开展了系列化的研究。

参考文献

[1]汪志良.《中国航空材料手册》.中国标准出版社，1988.

[2] 王可勇 金属热处理[M].北京：机械工业出版社，2005.

[3] 王广生 热处理手册 第一卷 工艺基础[M].北京：机械工业出版社，2001.

[4] 徐跃明等.《热处理工程师手册》.机械工业出版社,2005.

[5] 胡明娟等.《钢的化学处理原理》.北京.中国铁道出版社,1980.

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