航空齒輪是發(fā)動機中重要的傳動元件，它的質(zhì)量和性能嚴重影響發(fā)動機的使用壽命。齒輪性能是由材料的熱處理和機械加工共同決定的，齒輪熱處理是一項復雜的金相組織不斷發(fā)生變化的過程，熱處理的淬火溫度、回火次數(shù)等對齒輪性能有著至關重要的影響，故以 12Cr2Ni4A 材料的航空齒輪為研究對象，基于 deform 有限元軟件分析熱處理參數(shù)對航空齒輪性能的影響規(guī)律，優(yōu)化航空齒輪的熱處理工藝，最后基于理論分析進行熱處理試驗，得到在滿足使用要求的條件下，當淬火溫度為 800℃、回火 2 次時齒輪材料的各項性能達到最佳，驗證了熱處理分析的正確性，優(yōu)化了齒面殘余應力分布與微觀組織分布，降低了磨削裂紋的發(fā)生幾率。

　　1 引言

　　齒輪工作時轉(zhuǎn)速高、傳遞功率大，承受著交變和沖擊載荷，齒和齒之間互相嚙合而產(chǎn)生齒面接觸應力、齒根彎曲應力。對齒輪一般有以下幾方面的要求：齒型面有足夠的強度、抗磨損性能、硬度、接觸疲勞性能、高的耐磨性以及良好的綜合力學性能。上述要求通過熱處理來實現(xiàn)，12Cr2Ni4A 材料熱處理的主要工藝，如表 1 所示。滲碳前的工藝可以改善零件的性能，滲碳是提高工件表面層含碳量的常用手段，滲碳后材料表層的硬度和耐磨性大幅提高，而芯部的韌性不受影響。深冷處理可以獲得穩(wěn)定的組織，提高材料的使用性能。

表 1 12Cr2Ni4A 材料熱處理主要工藝

　　理想中的齒輪金相組織應為細針狀馬氏體、少量奧氏體與粒狀碳化物的組合，在熱處理時要避免發(fā)生碳化物的偏析。這是因為碳化物的偏析可使齒輪形成裂紋源，使材料橫向和縱向力學性能差異增大，影響齒輪的工作性能。此外，要嚴格控制齒輪淬火后的殘余奧氏體含量，使其維持在一個合理的水平，因為奧氏體屬于不穩(wěn)定的金相組織，齒輪在工作過程中，殘余奧氏體會逐漸產(chǎn)生相變，轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或其他組織。奧氏體與其他金相組織的體積密度不同會引發(fā)齒輪微觀尺寸上的變化，齒輪體積的變化則會引起材料內(nèi)部殘余應力也隨之發(fā)生變化，從而影響齒輪的壽命。文獻以 deform 為研究工具，分析了均勻傳熱系數(shù)對 SCr420H 材料的齒輪應變分布的影響，能夠?qū)μ紝雍蛻冞M行預測，文獻通過 deform 有限元模擬熱處理過程分析得到了減少工件和模具變形的鍛造工藝，文獻通過有限元分析了溫度、應力等對材料組織的影響，文獻通過試驗分析了回火次數(shù)及溫度等參數(shù)對不同材料的性能的影響，指出回火溫度與次數(shù)對 SKD61 鋼組織的影響規(guī)律，指出回火是導致材料高延展性的重要因素，文獻研究了淬火溫度對齒面硬度的影響規(guī)律，文獻通過實驗研究了不同的熱處理對納米結(jié)構(gòu)氧化物彌散強化鋼和 42CrMoS4 鋼的晶粒尺寸的影響。他們雖然研究了熱處理參數(shù)對各種鋼材料性能的影響，但是并未涉及到齒面殘余應力分布和微觀組織分布，也并沒有研究熱處理工藝對磨削過程的影響，因此以 12Cr2Ni4A 材料的航空齒輪為研究對象，擬對航空齒輪的熱處理工藝進行系統(tǒng)分析，研究淬火、回火工藝對齒面硬度、殘余應力以及組織結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，優(yōu)化熱處理工藝，提高齒輪的使用性能。

　　2 淬火工藝對齒輪性能的影響

　　12Cr2Ni4A 材料的淬火溫度在(780~840)℃范圍內(nèi)，利用 DE-FORM-3D 建立了不同淬火溫度下的齒輪熱處理仿真模型，在其余工藝不變的前提下，研究淬火溫度對齒面殘余應力和硬度的影響規(guī)律。

　　在齒面隨機選擇若干組點，取其殘余應力的平均值作為研究對象。不同淬火溫度下殘余應力沿齒厚方向的變化情況，如圖 1 所示。隨著淬火溫度的升高，殘余壓應力有逐漸下降的趨勢，到達 820℃之后，變化趨于平緩。原因在于，隨著淬火溫度不斷升高，齒輪中的熱應力不斷增加，由于熱應力會導致材料表面產(chǎn)生拉應力，因此隨著淬火溫度的不斷提高，材料表面的殘余壓應力逐漸下降。當淬火溫度繼續(xù)升高，材料的相變應力隨之增加，與熱應力發(fā)生中和，使得材料表面的殘余應力趨于平穩(wěn)。

圖 1 淬火溫度對硬度和殘余應力的影響

　　在齒面上隨機選擇若干組點，取其硬度的平均值作為研究對象。圖 1 顯示了不同淬火溫度下齒輪硬度沿齒厚方向的變化情況。隨著淬火溫度的升高，齒輪的硬度不斷增加，在 820℃時表面硬度達到了最大值 HRC 62.1，隨后齒面硬度變化趨于平穩(wěn)。原因在于，隨著淬火溫度的升高，材料內(nèi)部合金元素的碳化物逐漸溶解，碳在奧氏體中的均勻度也慢慢提高。淬火后，馬氏體中碳的飽和度也不斷增大，因此隨著淬火溫度的不斷升高齒輪的硬度不斷增大，此后隨著馬氏體中碳的逐漸飽和，齒面硬度的變化也趨于平緩。

　　3 回火工藝對齒輪性能的影響

　　回火工藝主要是消除或減小殘余應力，使材料組織細化，提高材料使用性能。回火后的組織以回火馬氏體為主，硬度較淬火馬氏體稍小?；鼗鸸に囍校啾扔诨鼗饡r間，回火次數(shù)、回火溫度對于材料組織性能的影響更明顯。文中建立了不同回火工藝下的齒輪熱處理仿真模型，研究回火工藝對齒面硬度和組織性能的影響。

　　固定其余工藝不變。12Cr2Ni4A 材料在不同回火溫度下的齒面硬度變化分布，如圖 2 所示。隨著回火溫度的提高，齒面硬度有所上升，在 400℃時齒面硬度達到最大值 HRC 61.1。隨著回火溫度繼續(xù)提高，齒面硬度有所下降，550℃時，齒面硬度下降到為 HRC 54.3。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因在于：隨著溫度上升，組織中馬氏體分解，但此時殘余奧氏體向下貝氏體轉(zhuǎn)變，而下貝氏體的硬度要高于殘余奧氏體，材料硬度反而有所上升;當溫度超過 400℃時，馬氏體分解的速度大于下貝氏體生成的速度，材料的硬度明顯下降。

圖 2 回火溫度對于硬度的影響

　　選擇原有熱處理工藝，研究回火次數(shù)對齒面殘余應力的影響規(guī)律。12Cr2Ni4A 材料在不同回火次數(shù)下的齒面殘余應力曲線，如圖 3 所示。隨著回火次數(shù)的增加，材料結(jié)構(gòu)變形逐漸恢復，齒面殘余壓應力有所下降，齒輪內(nèi)部的殘余應力得到了有效釋放，說明材料組織結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性得到增強，對于提高齒輪的力學性能有一定的幫助。

圖 3 回火次數(shù)對于殘余應力的影響

　　4 熱處理工藝優(yōu)化試驗

　　試驗方案與設備：從淬火溫度對齒面硬度、回火次數(shù)對材料金相組織的影響規(guī)律出發(fā)，建立熱處理優(yōu)化方案的驗證試驗。結(jié)合仿真分析與生產(chǎn)經(jīng)驗，設置 3 個淬火溫度，分別為 800℃、820℃和 840℃，回火次數(shù)設置為 0、1、2 次，其余熱處理工藝參數(shù)維持不變，試驗方案， 如表 2 所示。

表 2 試驗方案設計

　　工件材料選擇 12Cr2Ni4A，尺寸為 60mm(長)×40mm(寬)× 30mm(高)。熱處理試驗是在石家莊科鑫齒輪加工廠進行的。部分樣件和硬度檢測裝置，如圖 4 所示。

圖 4 熱處理試驗樣件和硬度檢測裝置

　　試驗結(jié)果分析：

　　淬火溫度對試件表面硬度的影響： 取試件 5、2、8(淬火溫度分別為 800℃、820℃、840℃，回火次數(shù)均為 1 次)進行顯微硬度的檢測，每個試件表面測量 3 個點，取其硬度的平均值作為該試件表面的硬度值，測量結(jié)果分別，如圖 5 所示。

圖 5 試件 5、試件 2、試件 8 表面硬度及淬火溫度與表面硬度間的關系

　　從圖 6 可以看到，隨著淬火溫度的提高，試件表面的顯微硬 度呈逐漸上升的趨勢，試驗結(jié)果與仿真分析得到的結(jié)果是一致的。試驗樣件的表面硬度值要高于對應淬火溫度下的仿真數(shù)據(jù)，最大相對誤差為 5.6%。

圖 6 試件 1、試件 5、試件 9 的金相組織

　　回火次數(shù)對金相組織的影響：對試件 1、5、9(回火次數(shù)分別為 0、1、2 次，淬火溫度 800℃)進行金相組織檢測。首先對試件進行線切割處理，再依次進行研磨、拋光、化學腐蝕，完成金相樣件的制備。

　　在金相顯微鏡下對試件進行組織觀測，如圖 6(×100)所示。

　　隨著回火次數(shù)的增加，材料組織的均勻度逐漸提高，組織更加細化。具體來講：0 次回火的材料組織為板狀馬氏體+殘余奧氏體+顆粒狀碳化物，1 次、2 次回火的組織為針狀馬氏體+少量殘余奧氏體+顆粒狀碳化物。2 次回火后的組織分布更加均勻，馬氏體細化程度更高。板條狀馬氏體的組織性能較差，降低了材料的力學性能，在工件的磨削過程中，很容易產(chǎn)生磨削裂紋。而針狀馬氏體組織性能良好，均勻分布的針狀馬氏體可以很好地提升材料的力學性能，從而有效防止磨削裂紋的發(fā)生。

　　5 結(jié)論

　　(1)淬火溫度由原有的 820℃降至 800℃，回火后，材料表面的殘余壓應力由 15.5MPa 提高至 21MPa，齒面硬度由 HRC65 下降至 HRC 64。在硬度滿足使用要求的前提下，提高齒面殘余壓應力，可有效預防磨削裂紋的產(chǎn)生;

　　(2)回火溫度與回火時間保持不變，回火次數(shù)在原有 1 次的基礎上增加到 2 次，2 次回火后，齒面殘余壓應力略有下降，但回火后材料的組織分布更加均勻，材料的力學性能得到加強，提高材料的抗疲勞能力。