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齿轮热处理变形，特别是渗碳淬火齿轮内花键的变形，一直以来是我公司老大难的技术问题之一，为了解决这一问题，长期以来我们在变形的防治上投入了大量的人力、物力、财力。由于方法欠妥，未能从根本上进行防治，所以收效甚微，报废率居高不下，对生产带来了很大影响。带着渗碳淬火齿轮内花键变形的这一问题，结合我公司的具体情况，经长期反复思考和探索，并通过向国内、外知名的热处理专家以及国内大型齿轮制造厂请教和学习，对我公司渗碳淬火齿轮内花键变形的原因有了清楚的认识，针对变形的原因提出了减小变形的对策和防治措施。现分述于下：

 

一、 我公司渗碳淬火齿轮内花键变形的主要原因

 

1、 齿轮所用的材料20Cr2Ni4A

 

合金元素的含量高达5.35%，该钢材为高淬透性的渗碳钢（属典型的马氏体钢）。淬透性对畸变影响很大，淬透性越高，畸变量越大。我公司加工齿轮所用的材料是美国TEREX所指定的材料，对于所用的材料我公司无权更改。

 

2、淬火油的问题：

我公司密封箱式多用炉所用的淬火油为HOUGHTO-QUENCH K(美国好富顿K油)，K油冷速最高可达到110℃/S，因此，可以肯定的说，对于20Cr2Ni4A材质选用K油进行淬火是个典型的原则上的失误（也包含G油在内，G油的冷速也可以达到100℃/S，冷速也快）。由于在马氏体相变点附近，K油冷却速度过快，加上20Cr2Ni4A钢材的高淬透性，淬火中马氏体转变过于迅猛，转变时体积迅速发生膨胀，因而产生很大的内应力，从而引发齿轮内花键的变形加剧，导致内花键椭圆、锥度、不圆柱度的严重变形。变形最多时锥度和不圆柱度将近0.3（mm），椭圆将近0.15（mm），无法装配使用。这也是长期以来困扰我们的主要原因。

3、我公司密封箱式多用炉淬火油槽内的搅拌问题

对于齿轮钢材淬透性差的时候，就希望搅拌的力度要快一些，提高淬火烈度；对于变形要求小的工件，要求搅拌力度要慢一些，降低淬火烈度。由于我公司用油不当，再通过搅拌冷却会使淬火介质冷速更高，加剧变形，在这种情况下，应停止搅拌。

二、 我公司渗碳淬火齿轮内花键变形的原因之一——齿轮结构设计上引发的变形

从结构的特点上分析可知，见图1所示：

①A端和B端在形状上不对称

②工件壁厚不均

因此，变形是绝对的。由于结构上美国TEREX在设计上已成定局，因而要求热处理尽最大努力将这种特定结构所引发变形量应控制到最小程度。即花键的变形量要控制在公差之内。

三、 从订购钢材说起——也是造成变形的原因之一

1、齿轮的心部硬度：

我公司渗碳淬火带内花键齿轮所用的钢材为20Cr2Ni4A，属高

淬透性渗碳钢，渗碳淬火后心部硬度为44-46HRC。美国所用钢材为3316（相当我国20Cr2Ni4A），渗碳淬火后心部硬度为38.5-41.5HRC。国内、外齿轮行业公认最佳的心部硬度为38-42HRC，心部硬度低了也不好，高了也不好。

心部硬度的高低，主要取决于含碳量的高低，美国的3316含碳量偏低。

 

2、心部硬度高的弊端：

① 心部硬度高，在齿根部位残余压应力低。

② 心部硬度高，变形大。

③ 心部硬度高，耐冲击性能下降。

3、建议订钢材时：

① 控制碳含量靠近下限，以利于降低心部硬度和减小变形。

② 为了减小齿轮和内花键的变形，淬透带宽不得大于6HRC。

③ 钢材应为本质细晶粒钢，晶粒度≥5级。

四、选择淬火介质的原则

1、渗碳后的齿轮对淬火介质的要求

① 达到要求的表面硬度和心部硬度。

② 达到要求的有效硬化层深。

③ 尽量小的淬火变形。

2、为了满足以上三个要求，通常可按以下原则合理选择淬火介质

① 钢材的含碳量：

齿轮钢材含碳量与心部硬度有关，心部含碳量越低，要求淬火油的冷却速度就越高。

② 钢材的淬透性：

齿轮钢材淬透性越高，淬火油的冷却速度就可以低些。

③ 齿轮的有效厚度：

齿轮的有效厚度越大，要求淬火油冷却速度就越高。

④ 齿轮的结构形状：

齿轮结构形状越复杂，要求淬火油的冷却速度就越低。

五、 根治措施——选用合适的淬火介质

在马氏体相变点附近，要求具有缓慢的冷速，以适应微小变形的淬火冷却，因此选用美国好富顿等温分级淬火油MAR-TEMP 355。使变形能够进入尺寸公差之内。

1、MAR-TEMP 355分级淬火油的特点：

①MAR-TEMP 355是好富顿热油系列中的一种等温分级淬火油，最高冷速可达76℃/S，使用温度110-150℃，油温升高将显著加快油品的老化，推荐温度为110-130℃。

②要求微小变形量的渗碳整体工件的马氏体分级、等温淬火。由于是热油淬火，所以冷却速度比较温和、缓慢，因此，淬火的变形量相比之下要小得多。

③适用于高淬透性的渗碳钢，以保证心部的强韧性和足够的心部硬度。对于淬透性低的渗碳钢，尽管渗碳淬火后后变形比较小，但心部强韧性和硬度难于得到保证。

2、级淬火对减小齿轮锥度和椭圆变形的实际效果，等温分级淬火油的变形量显著小于油淬的变

形量。

3、根据美国好富顿提供的资料显示：

渗碳淬火齿轮内花键用分级淬火油MAR-TEMP 355淬火是K油淬火变形量的1/3。

4、换油所面临的实际问题

①我公司仅有一台箱式密封多用渗碳炉，炉内装的淬火介质为好富顿K油。在渗碳齿轮内花键淬火用油方面，没有选择的余地，往往是顾此失彼，工艺上不合理。

②南高齿是一台渗碳炉配有四个淬火油槽，见图4所示，呈方阵形布置，根据齿轮所用钢材的淬透性的不同，而选用最为合适的淬火油，这种结构不但工艺上非常合理，而且在防治齿轮内花键变形方面收到了很好的实际效果，南高齿的经验值得我公司借鉴和学习。

③北京机电研究所所长、中国热处理学会理事长徐跃明教授；哈尔滨工业大学博士生导师、中国热处理学会副理事长闫牧夫教授；郑州机械研究所总工程师、硕士生导师、太重院士工作站首席专家陈国民教授；美国好富顿上海工业介质分公司技术经理姚继洪高工分别向我公司建议：“根据汇工的实际情况，由于涉及内花键渗碳淬火变形工件较多，另买一台渗碳炉，淬火介质选好富顿MAR-TEMP 355等温分级淬火油，是最为理想的配置”。我希望这一建议能得到公司领导的认可、采纳和落实。

六、尚未换油之前，减小渗碳淬火内花键变形的工艺措施

1、要求调质的淬火温度比渗碳淬火温度高30℃。

2、降低第二次高温回火的出炉温度（350℃即可）。

3、降低淬火温度，炉内预冷至810-790℃后淬火。

4、停止淬火油槽的搅拌，淬火1分钟后再搅拌。

5、适当提高淬火油K油或G油的油温，达到淬火时适当降低冷速，减小变形的目的。