泰興減速機(jī)專業(yè)生產(chǎn)廠家泰強(qiáng)減速機(jī)2019年7月14日訊  齒輪是傳動(dòng)機(jī)械中的重要零件,工礦條件對(duì)齒輪的要求很高，即要求高的表面耐磨性、還要求高的表面接觸疲勞強(qiáng)度和齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，這樣就必須對(duì)齒輪進(jìn)行表面強(qiáng)化處理（硬齒面齒輪），齒輪的表面強(qiáng)化處理工藝主要有滲碳淬火、表面氮化和表面淬火三種表面強(qiáng)化方法，在硬齒面齒輪的制造中, 滲碳淬火是主流的表面強(qiáng)化工藝,而對(duì)于高參數(shù)硬齒面齒輪,幾乎被滲碳淬火工藝主導(dǎo).

因?yàn)闈B碳淬火表面強(qiáng)化齒輪無(wú)論是接觸疲勞強(qiáng)度還是彎曲疲勞強(qiáng)度均高于其它表面強(qiáng)化的齒輪，但由于滲碳淬火表面強(qiáng)化齒輪的工序復(fù)雜，也存在著突出的技術(shù)問(wèn)題，即齒輪滲碳淬火后的畸變問(wèn)題，由于影響滲碳淬火齒輪畸變的因素很多, 目前公認(rèn)的影響因素達(dá)77種，而且這些因素彼此交互影響, 對(duì)畸變影響的權(quán)重也在隨內(nèi)、外因素的變化而變化，主次因素辨別起來(lái)難度很大，對(duì)其控制就更難了, 已成為國(guó)內(nèi)外齒輪制造中的技術(shù)難點(diǎn)，成為公認(rèn)的世界性難題。國(guó)際上非常重視，成立了零件的熱處理畸變控制協(xié)會(huì),每四年舉行一次會(huì)議，其中著重探討的就是滲碳淬火齒輪的畸變及控制問(wèn)題。

在德國(guó)不來(lái)梅大學(xué)成立了畸變工程研究中心, 對(duì)零件(以滲碳淬火齒輪為主)整個(gè)加工過(guò)程中的畸變進(jìn)行研究與控制,英國(guó)材料工程院對(duì)滲碳鋼的淬透性、鋼的冶煉方式、澆注方式及錠型、鍛造工藝、滲碳淬火工藝、爐型與裝爐方式、微觀組織與滲碳前期的殘余應(yīng)力對(duì)齒輪畸變的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的研究, 對(duì)零件淬火過(guò)程中的傳熱學(xué)、溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、畸變傾向進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬, 并以實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。美國(guó)則投資兩千萬(wàn)美金用于研究零件熱處理畸變的控制, 并提出于2020年實(shí)現(xiàn)零件“零熱處理畸變”的目標(biāo)。

本文在技術(shù)理論分析和大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出了“一條直線，兩條曲線”的宏觀解決方案，“一條直線”就是直接向滲碳淬火畸變進(jìn)攻，“兩條曲線”是迂回戰(zhàn)術(shù)，第一條是通過(guò)簡(jiǎn)化工藝來(lái)降低滲碳淬火的畸變，第二條是以離子氮化代替滲碳淬火，避開(kāi)滲碳淬火畸變的痼疾，提出的大尺寸薄壁滲碳淬火齒輪的畸變控制技術(shù)。

1  控制滲碳淬火齒輪畸變的概述

1.1  研究背景

滲碳淬火表面強(qiáng)化齒輪的畸變問(wèn)題，制約著齒輪制造工藝技術(shù)的發(fā)展，是齒輪生產(chǎn)制造工藝上的一個(gè)難題，經(jīng)常出現(xiàn)滲碳淬火畸變導(dǎo)致尺寸超差報(bào)廢的質(zhì)量事故，直接的危害是導(dǎo)致制造成本上升、制造周期延長(zhǎng)，對(duì)企業(yè)來(lái)講，更加嚴(yán)重的問(wèn)題是拖期交貨，是亟待解決的技術(shù)關(guān)鍵問(wèn)題。我們選擇滲碳淬火齒輪中，滲碳淬火畸變量比較大，比較有代表性的兩類結(jié)構(gòu)尺寸的齒輪（見(jiàn)圖1、圖2），進(jìn)行了滲碳淬火的畸變?cè)囼?yàn)，圖1、圖2是我們進(jìn)行滲碳淬火畸變?cè)囼?yàn)研究用的模擬齒輪（按比列縮小的）圖，我們重點(diǎn)對(duì)圖1的薄壁齒輪進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

圖1、大尺寸薄壁滲碳淬火齒輪

圖2、大尺寸人字滲碳淬火齒輪

1.2  滲碳淬火齒輪畸變的危害及影響因素

滲碳淬火齒輪的畸變使齒輪的精度大幅下降，一般精度下降2級(jí)左右很正常，齒輪的滲碳淬火畸變不僅使齒輪的精度下降，也影響齒輪的強(qiáng)度。對(duì)于滲碳淬火后不進(jìn)行磨削的齒輪，畸變量較大將引起偏載；滲碳淬火后進(jìn)行磨齒的，由于畸變會(huì)引起偏磨的現(xiàn)象，會(huì)造成齒面燒傷、產(chǎn)生磨削臺(tái)階等，而發(fā)生早期點(diǎn)蝕和疲勞斷齒。

另外畸變量大還有很多危害：畸變量大，尺寸超差不夠用導(dǎo)致報(bào)廢的；畸變量大，導(dǎo)致表面硬度不均勻、不合格，必然導(dǎo)致耐磨性大幅下降；畸變量大，導(dǎo)致滲碳層的厚度不均勻、硬度梯度不良，必然造成承載能力的大幅下降；畸變量大，更重要的是接觸疲勞強(qiáng)度、彎曲疲勞強(qiáng)度大幅下降。美國(guó)、德國(guó)等西方技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家，對(duì)滲碳淬火齒輪的畸變問(wèn)題，非常重視，投入巨資成立專門機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究。

影響滲碳淬火齒輪畸變的因素太多，目前世界上公認(rèn)影響因素達(dá)77個(gè)之多，而且這些影響因素交互疊加、主次因素隨內(nèi)外參數(shù)的變化而變換、作用的復(fù)雜使結(jié)果變幻莫測(cè)，研究起來(lái)難度特大。控制滲碳淬火齒輪的畸變，針對(duì)個(gè)體進(jìn)行畸變規(guī)律的分析，探尋相應(yīng)的控制畸變的途徑，抓主要矛盾，減小控制滲碳淬火工藝過(guò)程的畸變量。滲碳淬火畸變主要由零件在機(jī)加工時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力、熱處理過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力以及零件自重等共同相互作用產(chǎn)生的．影響因素眾多，包括齒輪的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸、原材料及冶金質(zhì)量、鍛造和機(jī)加工的殘余應(yīng)力、裝料方式和熱處理工藝及設(shè)備等。另外滲碳淬火畸變具過(guò)程函數(shù)特征。

1.3  研究方法及解決方案

滲碳淬火齒輪的變形問(wèn)題已經(jīng)成為世界性的難題。過(guò)去對(duì)滲碳齒輪變形的研究，只針對(duì)熱處理工藝、工裝及裝爐擺放對(duì)變形的影響進(jìn)行研究和控制。我們這次對(duì)滲碳淬火齒輪畸變研究的解決方案是：采取分類突圍的辦法，即能解決的解決（用離子氮化代替滲碳淬火），能減小的減?。ê?jiǎn)化滲碳淬火熱處理工藝），能控制的控制（采用微觀因素分析、宏觀進(jìn)行控制的辦法，對(duì)滲碳淬火齒輪的變形進(jìn)行控制）。

我們瞄準(zhǔn)國(guó)際上控制畸變的先進(jìn)技術(shù)，借鑒國(guó)內(nèi)外控制畸變的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，采用“一條直線，兩條曲線”的研究方案，在三個(gè)方向上、全方位地向滲碳淬火畸變（世界性難題）挑戰(zhàn)，同時(shí)向滲碳淬火畸變展開(kāi)了科技創(chuàng)新的攻堅(jiān)戰(zhàn)。在理論研究、工藝試驗(yàn)上同時(shí)進(jìn)行；在結(jié)構(gòu)尺寸影響因素、滲碳淬火工藝影響因素上同時(shí)試驗(yàn)；一條直線，即直接向影響滲碳淬火齒輪畸變的主要因素開(kāi)戰(zhàn)；兩條曲線，一是簡(jiǎn)化滲碳淬火工藝，來(lái)降低滲碳淬火的畸變；二是以離子氮化代替滲碳淬火表面強(qiáng)化工藝，從根本上遠(yuǎn)離滲碳淬火的痼疾--畸變問(wèn)題。

指導(dǎo)思想是：從微觀因數(shù)的分析研究入手，形成一個(gè)微觀因素宏觀控制的辦法，即制定一個(gè)滲碳齒輪畸變的宏觀控制標(biāo)準(zhǔn)。

1.3.1  控制滲碳淬火的畸變

采用國(guó)際上通用的C形畸變?cè)嚇樱ㄒ?jiàn)圖3）、模擬齒輪（見(jiàn)圖1和圖2）、金相試樣、心部性能試樣、剝碳層試樣（見(jiàn)圖4）等研究工具，對(duì)不同材料、不同工序、不同的熱處理工藝的畸變量進(jìn)行基礎(chǔ)測(cè)試試驗(yàn)；采用模擬齒輪，對(duì)不同結(jié)構(gòu)尺寸的、不同工藝的變形量進(jìn)行對(duì)比測(cè)試試驗(yàn)，大直徑薄壁滲碳淬火齒輪的攻擊目標(biāo)是影響畸變最大的因素即結(jié)構(gòu)尺寸，有人說(shuō)在影響齒輪畸變的眾多因素中，齒輪結(jié)構(gòu)尺寸的影響占到了60%，對(duì)于普遍性上講，可能說(shuō)的過(guò)于嚴(yán)重了，但對(duì)于大直徑薄壁滲碳淬火齒輪（沒(méi)有經(jīng)過(guò)抗畸變優(yōu)化設(shè)計(jì)的）來(lái)講，結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)畸變的影響不是占到了60%的問(wèn)題，而是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了60%的，甚至達(dá)到80%；而對(duì)于另外一類畸變量大的齒輪，即人字齒滲碳淬火齒輪，其薄弱環(huán)節(jié)是滲碳淬火過(guò)程，由于自重和高溫引起的高溫蠕變產(chǎn)生的錐度變形，兩類齒環(huán)的攻擊均取得了重大突破，并提出控制滲碳淬火畸變的相關(guān)措施及有效的解決方案。結(jié)構(gòu)尺寸之外就是采用微觀因素宏觀控制的辦法，對(duì)滲碳齒輪的變形問(wèn)題進(jìn)行控制，對(duì)滲碳淬火變形的微觀影響因素進(jìn)行分析研究，首先進(jìn)行滲碳淬火齒輪的變形數(shù)據(jù)記錄，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納分析，借鑒先進(jìn)的控制變形方法，形成一個(gè)微觀因素宏觀控制的辦法，即制定一個(gè)滲碳齒輪畸變的宏觀控制標(biāo)準(zhǔn)。                     

圖3、通用C形畸變?cè)嚇?/span>

圖4、剝碳層、金相、心部性能試樣

1.3.2  簡(jiǎn)化現(xiàn)行的、過(guò)于復(fù)雜的滲碳淬火工藝

這主要是針對(duì)高參數(shù)齒輪，采用復(fù)雜的滲碳淬火工藝的齒輪。復(fù)雜的滲碳淬火工藝該對(duì)于保證產(chǎn)品質(zhì)量的確有好處，但工藝太復(fù)雜，不僅制造周期長(zhǎng)，制造成本高，而且畸變量大，能源消耗也大。對(duì)于相對(duì)要求不是很高的齒輪也沒(méi)有必要。我們就是要研究簡(jiǎn)化現(xiàn)有的復(fù)雜的滲碳淬火熱處理工藝，至少是在參數(shù)要求不是很高的齒輪上應(yīng)用。所以我們以減小滲碳淬火變形為目的，簡(jiǎn)化、改進(jìn)滲碳淬火熱處理工藝，在進(jìn)行滲碳淬火工藝試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，要做兩個(gè)方面的試驗(yàn)，一是改進(jìn)后心部性能的試驗(yàn)，二是改進(jìn)后表面滲層的性能試驗(yàn)。對(duì)不同設(shè)計(jì)要求的滲碳齒輪用不同的滲碳工藝方法。技術(shù)關(guān)鍵是，工藝簡(jiǎn)化后，要保證表面和心部的性能。滲碳層的性能包括碳化物的級(jí)別、馬氏體和殘余奧氏體的評(píng)級(jí)、表層內(nèi)氧化的評(píng)級(jí)、滲碳層的厚度、表面硬度等；心部性能包括心部組織。

1.3.3  離子氮化代替滲碳淬火

本項(xiàng)目的一個(gè)突圍方向，就是部分滲碳淬火齒輪用離子氮化代替，離子氮化代替滲碳淬火工藝對(duì)于解決滲碳淬火齒輪的畸變問(wèn)題具有重大的意義，也是世界上技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家的研究方向，著名的美國(guó)費(fèi)城齒輪公司有43%的高參數(shù)齒輪采用的是氮化處理。采用氮化熱處理，就沒(méi)有了滲碳淬火齒輪的變形問(wèn)題，也可以說(shuō)從根本上解決了畸變的問(wèn)題。

從提高齒面接觸疲勞、齒根彎曲疲勞入手進(jìn)行試驗(yàn)研究，研發(fā)高質(zhì)量的深層離子氮化工藝，提高許用應(yīng)力極限；研究改進(jìn)預(yù)備熱處理工藝、提高心部性能，也提高許用應(yīng)力極限；應(yīng)用有限元對(duì)大尺寸薄壁滲碳淬火齒輪進(jìn)行應(yīng)力分析，對(duì)表面剝落進(jìn)行力學(xué)分析，形成一個(gè)判據(jù)，將符合條件的滲碳淬火齒輪改為離子氮化處理，從根本上遠(yuǎn)離滲碳淬火的痼疾--畸變問(wèn)題。

1.4  試驗(yàn)研究方案及實(shí)施

1.4.1試驗(yàn)研究方案

首先對(duì)齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行畸變的工藝試驗(yàn)，大尺寸薄壁齒輪的畸變?cè)囼?yàn)包括如下的內(nèi)容：齒輪直徑與厚度的比值對(duì)畸變量影響的試驗(yàn)；齒輪工藝孔的圓周位置對(duì)畸變量影響的試驗(yàn)；齒輪工藝孔的數(shù)量以及圓周分布對(duì)畸變量影響的試驗(yàn)；齒輪直徑與厚度的比值對(duì)橢圓度變形量影響的試驗(yàn)；工藝孔直徑及圓周分布對(duì)橢圓度變形量影響的試驗(yàn)；滲碳淬火工裝、工藝方法對(duì)雙人字齒輪變形量影響的試驗(yàn)；不同預(yù)備熱處理方法對(duì)齒輪畸變量影響的試驗(yàn)；滲碳淬火工藝簡(jiǎn)化的工藝試驗(yàn)；不同材料、不同工藝參數(shù)、不同的滲碳淬火工藝方案對(duì)齒輪畸變量影響的試驗(yàn)等。

1.4.2試驗(yàn)研究的實(shí)施

圖5是裝入試驗(yàn)件最多的一爐畸變?cè)囼?yàn)的照片，裝入了模擬齒輪23個(gè)，C形畸變?cè)嚇?5個(gè)，金相試樣9串，心部性能試樣3個(gè)，剝碳層試棒3個(gè)，共計(jì)裝入試樣83個(gè)。圖6是局部放大的裝爐示意圖，用來(lái)

圖5、試驗(yàn)裝爐照片

圖6、說(shuō)明裝爐要點(diǎn)的照片

說(shuō)明裝爐要點(diǎn)的，進(jìn)行對(duì)比的模擬齒輪、C形畸變?cè)嚇?、金相試樣等，裝爐時(shí)一定要保證所處的環(huán)境一致，即在滲碳工藝過(guò)程中，要保證碳勢(shì)趨于一致，在淬火工藝過(guò)程中，要保證淬火的冷卻條件一致，這樣裝爐時(shí)要保證兩個(gè)對(duì)比模擬盤的高度一致，位置臨近，盡量減小對(duì)比試樣間的環(huán)境差異。另外尺寸測(cè)量，測(cè)試試驗(yàn)前、淬火回火后的測(cè)量，要由同一個(gè)人測(cè)量，使用同一個(gè)千分尺，且千分尺要經(jīng)過(guò)校核等，即盡量減小測(cè)量誤差。

1.5  成果匯報(bào)

本試驗(yàn)研究已經(jīng)申報(bào)且受理的發(fā)明專利13項(xiàng)，例如：一種抗畸變薄壁滲碳淬火高速齒輪及應(yīng)用；一種滲碳淬火高速齒輪抗畸變的預(yù)備熱處理工藝選擇方法；一種離子氮化齒輪承載能力的計(jì)算判斷方法；一種用于滲碳淬火齒輪變形量測(cè)試的畸變?cè)嚇樱灰环N減小薄壁滲碳淬火高速齒輪畸變量的方法及應(yīng)用等。發(fā)表論文30余篇，高靈敏度C形畸變?cè)嚇拥拈_(kāi)發(fā)試驗(yàn)研究；薄壁滲碳淬火齒輪工藝孔設(shè)計(jì)對(duì)畸變量的影響；薄壁滲碳淬火齒輪直徑厚度比對(duì)畸變量的影響；12Cr2Ni4鋼預(yù)備熱處理方法對(duì)畸變量的影響；三種滲碳淬火鋼內(nèi)氧化敏感性的試驗(yàn)研究；滲碳材料網(wǎng)狀碳化物敏感性的研究；三種材料的離子氮化性能比較等。2018年在“The 25th Congress of InternationalFederationfor Heat Treatment and Surface Engineering”國(guó)際會(huì)議上宣讀了題為“Distortion Control Technology for Large-Size and Thin-WallCarburizing and Quenching Gear”的論文，2019年將在“ASM Heat Treating Society 30th Annual Conference and Exhibition”國(guó)際會(huì)議上宣讀題為“Research of Distortion Characteristics of Carburizing and QuenchingGears”的論文。

參考文獻(xiàn):

[1]孫銘炎，華公平，等.滲碳齒輪的熱處理畸變及其控制技術(shù)[J].熱處理，2008,23（3）:24-31.

作者：沈陽(yáng)熱處理學(xué)會(huì)  張忠和