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作者：黄小明，比亚迪股份有限公司十七事业部
袁峰，南京科润工业介质股份有限公司
孙晓军，河南航天精工制造有限公司
来源：《金属加工（热加工）》杂志
变速器齿轮是汽车中的关键零部件，常在高转速、高负荷、转速和负荷不断交变的情况下工作，根据其工作环境而要求具有优良的耐磨性、抗疲软强度，心部韧性好，故基本采用渗氮或碳氮共渗、渗碳处理。本文大巴轴齿的材料为H，模数mn=3.4，重量10kg，主要加工工艺路线：锻造等温正火→精车→拉内花键→滚齿→渗碳淬火→研中心孔→磨外圆→磨齿。在渗碳淬火过程中产品会产生一定的变形，变形量的大小直接影响产品后续的加工及产品的使用寿命，而影响产品的变形因素较多，本文主要从产品结构、装炉方式、毛坯组织角度，同时结合生产中遇到的实际情况全面深入分析三轴变形规律。1.热处理变形的影响因素及解决措施影响热处理变形的因素较多，每种因素对热处理变形影响不同，部分因素对热处理变形影响具有一定的规律性，有些因素对热处理变形无据可循。（1）产品结构的影响产品结构复杂，不规律，会导致产品不同部位的冷却速度、组织转变不一致，从而影响淬火过程中产品不同部位组织应力和热应力的变化，最终导致产品变形加重，但结构对热处理变形的影响具有一定的规律性，可以通过更改产品装炉方式，或采用补偿工装来减小由于结构而导致的变形。（2）热处理工艺的影响热处理工艺对变形的影响包括渗碳淬火温度、淬火油的选择、冷却方式、产品的装炉方式等，工艺的合理性可以减小产品热处理的变形量。（3）毛坯组织、材料控制的影响一般根据产品结构，工作中受力情况及使用环境而选择合理材料及淬透性范围，产品心部硬度体现组织应力大小，对变形具有直接影响，遵循小模数齿轮选择淬透性宽带中下限，大模数齿轮选择淬透性宽带中上限原则。严格控制毛坯正火后带状组织中的贝氏体和马氏体含量及锻造流线，毛坯组织不良会导致热处理变形加大，变形杂乱无规律，不利于产品质量控制。2.三轴热处理试验与结果分析（1）装炉方式对三轴变形影响分析根据三轴结构特点分析，装炉方式可选择挂放和平放，平放采用三点支撑三轴下端面，挂放采用X形挂杆穿过内孔。如图1、图2所示。图1三轴平放方式
图2三轴挂放方式
对平放与挂放装炉方式的产品推荐型号为RTQF-10的Ipsen多用炉中进行渗碳，℃淬火，淬火冷却介质使用KR。具体热处理工艺参数见表1，平放与挂放的变形对比数据见表2，变形趋势如图3所示。表1三轴热处理工艺
从表2中平放与挂放变形数据可以看出：平放三轴外圆与齿顶圆直径、跨棒距圆度比挂放的小，但平放端面A高度比端面B高度大0.mm，上端跨棒距比下端跨棒距小0.35mm。表2平放与挂放的变形对比数据（mm）
三轴平放渗碳淬火后，齿及腹板部位整体网上翘曲，齿顶圆与跨棒距上下两端出现了0.35mm锥度，三轴变形趋势如图3所示。图3三轴平放渗碳淬火变形趋势
产品淬火产生此现象的原因主要为下端面和上端面冷却不一致导致。三轴平放淬火时，下端面先入淬火油，下端面冷却收缩，同时上端面由于受到下端面收缩的影响而收缩，此时齿和腹板部位表现为凸形状。当上端面快速入油后，温度降低，上端面急剧冷却，表现为再次收缩，前后两次收缩叠加，最终三轴在热应力的作用下，齿和腹板部位表现为凹形状，从而出现了齿顶圆上下锥度的变形。但由于组织应力的作用，齿顶圆尺寸方向表现为膨胀，跨棒距最小处还能保持与热前状态一致。根据三轴的结构特点而导致平放与挂放的变形规律：从工艺角度分析，平放产品热处理的齿顶圆锥度大，会导致齿面在磨削时不同位置磨削量不一致，齿面下端跨棒距大、磨削量较大，上端面跨棒距小、磨削量较少，最终导致产品同一齿面的有效硬化层深浅不一致，影响产品的残余应力分布与疲劳强度，挂放三轴渗碳淬火内花键椭圆0.06mm，满足要求；从生产角度分析，平放装炉产品渗碳前清洗会在腹板处积水，且只能通过烘干较长时间去除，降低生产效率。另外，产品渗碳淬火后，工件出淬火油时腹板凹槽处会有较多淬火油，给产品热处理后清洗及抛丸增大负担，浪费淬火油，增加了生产成本。针对三轴的渗碳淬火变形数据与生产利弊分析可知：挂放变形满足要求，同时有利于满足生产节奏与节约成本。（2）毛坯组织对变形影响分析齿轮毛坯预备热处理可使得组织细小均匀，能减小最终热处理的畸变，齿轮一般要求采用等温正火工艺，不允许有混晶，魏氏体组织≤1级，带状组织≤3级，组织为等轴状铁素体与珠光体，不允许有粒状贝氏体组织等。齿坯预备热处理组织的均匀性和稳定性对齿轮最终热处理变形的影响很大，因为齿轮各部分的原始组织不同，组织一致性差，在热处理加热至奥氏体状态后存在成分的不均匀，因而可能影响淬火后的组织不均匀，即在低碳低合金元素区域可能得不到马氏体（而得到的是屈氏体或贝氏体），或得到比容较小的低碳马氏体，从而造成工件不均匀的变形。毛坯组织不良引起的变形往往复杂多变，齿形、内孔等尺寸变化无明显变形规律。毛坯组织的贝氏体、带状组织、偏析超差引起的产品畸变在生产中常有发生，也容易追查到畸变的原因。本文以三轴为实际案例，讲述齿轮毛坯锻造流线对产品热处理畸变的影响，及对应的解决方案。齿轮毛坯采用锻造成形，通常规定锻造比大于3，锻造可消除原材料冶炼遗留的疏松，使毛坯组织更加致密，但原材料镦粗方向不正确，选择棒材尺寸有误，或原材料在模腔内放置歪斜，会导致齿轮毛坯锻造流线分布不对称。三轴在挂放渗碳淬火后，磨外圆C时发现变形，椭圆0.2mm，导致外圆C大面积未磨出，检查热处理工艺、装炉方式、毛坯组织、原材料化学成分等均符合要求。对热处理后外圆C椭圆0.03mm的三轴与外圆C椭圆0.2mm三轴同时进行退火处理，退火后的金相组织如图4、图5所示。图4外圆C椭圆0.2mm退火组织
图5外圆C椭圆0.03mm退火组织
从图3与图4中可知：外圆C椭圆0.2mm的三轴退火组织锻造流线方向不对称，流线方向与外圆呈一定的角度，外圆C椭圆0.03mm的三轴退火组织流线良好。在热处理过程中，沿流线方向胀缩大于其横截面方向的胀缩，横纵变形率不一致，从而导致三轴外圆C在渗碳淬火后椭圆0.2mm。由于金属流线倾斜而导致三轴外圆C椭圆0.2mm，变形特点明确，规律性强。针对此种现象，可以采用合适的补偿环工装控制三轴外圆C的椭圆畸变，补偿环工装与产品内孔间隙配合，配合间隙为0.05mm，补偿工装与产品的装配如图6所示。图6补偿工装与产品的装配
使用补偿环工装配套三轴热处理后，外圆C的圆跳动为0.04~0.06mm，符合外圆C圆跳动≤0.07mm的工艺要求。补偿工装装配在三轴内孔上热处理，增加外圆C处加热过程中蓄热量，减小三轴淬火过程中内孔流油量和冷却速度，控制内孔的收缩变形，从而降低外圆C圆度。3.结果分析不同结构产品在渗碳淬火后有不同的变形类型和变形量，且影响因素复杂，但仍有一定的规律和共性。根据这些规律和共性可以通过装炉方式或补偿工装的应用以及相应的工艺参数措施来控制渗碳淬火产生的变形。毛坯组织对产品的热处理变形影响较大，组织不良在产品不同结构部位表现的变形形式会不同，变形规律明显时可以通过补偿工装控制，但根本在于严格控制毛坯组织，才能很好地控制产品的变形。参考文献：略。购买热处理设备、投递广告请孙超
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