金屬小齒輪在熱處理過(guò)程中出現(xiàn)變形是一種普遍現(xiàn)象，金屬小齒輪外形發(fā)生改變導(dǎo)致使用精度與質(zhì)量大幅下降，本文研究了金屬小齒輪材料、淬火熱處理參數(shù)、機(jī)械加工水平對(duì)齒輪熱處理變形的影響，重點(diǎn)分析了淬火溫度與淬火介質(zhì)溫度對(duì)熱處理變形的影響機(jī)制，據(jù)此提出相應(yīng)的齒輪質(zhì)量控制方法，為生產(chǎn)高質(zhì)量、高精度齒輪提供依據(jù)。

　　機(jī)械化是現(xiàn)代社會(huì)快速發(fā)展的重要特征之一，金屬小齒輪是機(jī)械化傳動(dòng)系統(tǒng)的重要部件，對(duì)改善人類生活方式、提升社會(huì)生產(chǎn)效率具有不可替代的作用。因此，機(jī)械設(shè)備中金屬齒輪質(zhì)量是保障社會(huì)生產(chǎn)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的基本條件，生產(chǎn)合格、高質(zhì)量的齒輪意義重大。但是，在金屬小齒輪的加工過(guò)程中，各方面因素均可能造成齒輪變形，影響其使用價(jià)值的正常發(fā)揮。金屬小齒輪熱處理是齒輪生產(chǎn)后期的重要環(huán)節(jié)，采用差異性溫度進(jìn)行回火處理，用以大幅改善齒輪鋼的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度等性能，是符合不同使用功能的齒輪生產(chǎn)工藝，滿足社會(huì)各領(lǐng)域機(jī)械零件的需求?；诓僮鞑襟E與工藝的復(fù)雜性，在熱處理過(guò)后，金屬小齒輪極易產(chǎn)生形變現(xiàn)象，影響了齒輪質(zhì)量的提升。熱處理變形嚴(yán)重影響齒輪零件前期加工獲得的精度，即使采用復(fù)雜、先進(jìn)的修形技術(shù)也難以恢復(fù)其精確度。若齒輪形變量較大，不僅提升削磨削量、增加資金投入，同時(shí)影響齒輪承載能力，縮短使用壽命。

　　金屬小齒輪在熱處理后發(fā)生形變的主要原因是熱處理環(huán)節(jié)本身原因，即淬火參數(shù)設(shè)置，包括淬火溫度、淬火介質(zhì)溫度等;此外，金屬材料選取、機(jī)械加工等步驟均對(duì)后期金屬小齒輪熱處理形變產(chǎn)生影響。為此，本文從金屬小齒輪材料、淬火參數(shù)設(shè)置、齒輪機(jī)械加工等方面分析熱處理變形產(chǎn)生的原因，深入探究各因素對(duì)金屬小齒輪形變的影響機(jī)制，進(jìn)而提出控制齒輪質(zhì)量的措施，提升齒輪精度、延長(zhǎng)使用生命周期。

　　一、金屬小齒輪熱處理過(guò)程中產(chǎn)生變形的原因

　　材料的選擇： 保障金屬小齒輪質(zhì)量、減少熱處理中的形變量，選取合格的材料是關(guān)鍵。純凈性、均勻性、淬透性是金屬小齒輪原材料選取的主要指標(biāo)依據(jù)，是直接影響其變形的主要材料因素。在符合標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)計(jì)要求的前提下，鋼中雜質(zhì)含量比重即為齒輪鋼材料的純凈性;成分、組織和缺陷分布的均勻性統(tǒng)稱為材料的均勻性;淬透性是指在預(yù)設(shè)環(huán)境中基于試樣淬透層深度和硬度的排列情況描述材料特征，材料的臨界淬火冷速的快慢決定淬透性大小。化學(xué)成分排列不均勻產(chǎn)生偏析，淬火后偏析部分的組織和應(yīng)力與別處存在差異，由此產(chǎn)生形變。其中，帶狀組織是組織不均勻的一種表現(xiàn)，易于增加齒輪的形變量。

　　淬透性值分布帶的寬窄是描述淬透性性能的重要方面。一般情況下，淬透性值 J9 處大小十分重要，J9 表示距端部 9mm 的硬度，該位置淬透性值取值在 28HRC 以上、42HRC 以下為合理值;若 J9 在 42HRC 以上，導(dǎo)致淬火后的材料產(chǎn)生大幅度形變，且容易發(fā)生脆性斷裂。所以，淬透性帶的寬度越窄越好。

　　金屬小齒輪熱處理的參數(shù)控制：金屬齒輪在熱處理淬火工藝過(guò)程中產(chǎn)生變形的原因如下：齒輪構(gòu)件淬火期間，淬火應(yīng)力越大、相變均勻程度越差，同時(shí)比容差與淬火變形程度成正比。鋼的屈服強(qiáng)度也會(huì)影響齒輪淬火變形量，齒輪塑性變形抗力與變形程度成反比。研究火冷卻期間不同部位的參量值，如冷卻速度、組織、硬度狀態(tài)等因素，得知金屬小齒輪由上至下各部位冷卻速度有所不同，齒輪表面、過(guò)渡區(qū)、內(nèi)部冷卻速度的差異性導(dǎo)致齒輪產(chǎn)生變形現(xiàn)象。根據(jù)該原理，改善不同環(huán)節(jié)均勻度縮小齒輪熱處理變形可行性較強(qiáng)。

　　1.淬火溫度影響金屬小齒輪變形程度的機(jī)理研究

　　齒輪淬火加熱處理過(guò)程中的溫度簡(jiǎn)稱“淬火溫度”，即齒輪在淬火工藝前溫度升高至大于奧氏體轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)的溫度上限值，齒輪冷卻的溫度也是該溫度值。淬火溫度應(yīng)結(jié)合材料屬性差異、齒輪大小、形狀等因素適當(dāng)調(diào)整淬火溫度，以實(shí)現(xiàn)齒輪淬火的良好組織性能。淬火溫度值可參考正常標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)置：亞共析鋼淬火溫度超過(guò)AC3，共析鋼與過(guò)共析鋼淬火溫度取值一致，超過(guò) AC3。

　　齒輪淬火溫度必須適中才能塑造齒輪良好的性能，詳細(xì)分析齒輪淬火溫度過(guò)高與過(guò)低是產(chǎn)生的不良影響：①淬火溫度過(guò)高：齒輪的鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變，此時(shí)奧氏體在高溫作用下其晶粒開(kāi)始生長(zhǎng)變大，所以當(dāng)淬火冷卻作用后，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R 氏體后，馬氏體組織呈現(xiàn)粗大狀態(tài)，大幅增加齒輪淬火后的脆性，在外力作用下容易變形。②淬火溫度過(guò)低：淬火溫度不足導(dǎo)致鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變量不完全，部分鐵素體轉(zhuǎn)變不成功，所以當(dāng)溫度降低時(shí)，沒(méi)有轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的鐵素體遺留下來(lái)，并且殘留一定量的奧氏體。那么淬火后的齒輪中含有一部分鐵素體與奧氏體，它們的優(yōu)點(diǎn)是塑性與韌性優(yōu)良，但是強(qiáng)度與硬度嚴(yán)重不足，此時(shí)淬火后的齒輪硬度和強(qiáng)度不符合標(biāo)準(zhǔn)，極易發(fā)生變形。

　　2.金屬小齒輪的變形量分析測(cè)試

　　為驗(yàn)證淬火溫度對(duì)金屬小齒輪淬火變形程度的影響，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)采集金屬小齒輪淬火加工過(guò)程相關(guān)數(shù)據(jù)，分析不同淬火溫度下金屬小齒輪變形量，探究淬火溫度與齒輪變形之間的關(guān)系。計(jì)算淬火溫度由 880℃降低至 820℃期間齒輪的外部、中部以及內(nèi)部形變率均值，如表 1 所示。

表 1 淬火溫度對(duì)金屬小齒輪變形率均值的影響

　　由表 1 可知，在其他條件不發(fā)生變化的情況下，淬火溫度由 880℃降低至 820℃期間，金屬小齒輪三個(gè)部位的變形率均值均總體呈現(xiàn)先降低、后增加的趨勢(shì)，淬火溫度自 880℃降低至 840℃期間變形率降低，淬火溫度自 840℃降低至 820℃期間，變形率均值呈現(xiàn)回升趨勢(shì)。由此得知，淬火溫度約為 840℃，金屬小齒輪熱處理的形變量最小，在此溫度值時(shí)控制齒輪變形量相對(duì)容易。

　　3. 對(duì)金屬小齒輪性能機(jī)理產(chǎn)生影響因素

　　齒輪淬火介質(zhì)主要為液態(tài)油，安全性能、冷卻速率、熱處理后齒輪的組織性能是確定齒輪淬火油溫的重要參考依據(jù)，經(jīng)過(guò)上述因素的考慮，以保障金屬小齒輪淬火熱處理后變形量最小是主要生產(chǎn)目標(biāo)。將淬火溫度控制在閃電以下 50℃是保障安全生產(chǎn)的前提條件，這樣不易發(fā)生火災(zāi)等事故。小幅度升高淬火油溫度對(duì)冷卻速度影響較小，但對(duì)于降低淬火過(guò)程中心部和表層的溫差效果顯著，金屬小齒輪冷卻均勻度主要取決于心部與表層的溫度差，溫度差值越大、冷卻越不均勻。

　　淬火內(nèi)外溫差大導(dǎo)致組織轉(zhuǎn)變不同步，冷卻過(guò)程中，表面冷卻速度始終在心部冷卻速度以上，表面溫度首先降到 Ms 點(diǎn)，此時(shí)心部溫度仍然較高溫，表面向馬氏體轉(zhuǎn)變的速度同樣較快;當(dāng)金屬小齒輪心部溫度降至小于 Ms 點(diǎn)時(shí)，心部剛剛開(kāi)始發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，但其四周形成的馬氏體脆性較強(qiáng)，使齒輪內(nèi)部馬氏體膨脹受阻，淬火完成后，金屬小齒輪產(chǎn)生較大殘余組織應(yīng)力，熱應(yīng)力與組織應(yīng)力共同作用導(dǎo)致材料產(chǎn)生變形。由此可知，提高淬火油溫、降低內(nèi)部與外部的溫度差值是有效降低金屬小齒輪零件變形的方法。

　　4.金屬小齒輪淬火溫度冷卻分析測(cè)試

　　基于淬火溫度影響金屬小齒輪材料組織性能的分析得到：合理增加淬火溫度對(duì)于提升金屬小齒輪淬火后的力學(xué)性能具有積極作用，同時(shí)對(duì)于降低變形量具有顯著影響。根據(jù)該原理，將金屬小齒輪淬火溫度設(shè)為 840℃保持不變，同時(shí)設(shè)置不同淬火油溫分別為 45℃、65℃、80℃，測(cè)試溫度冷卻過(guò)程中金屬小齒輪內(nèi)外部溫差變化，探究熱處理形變情況。圖 1 ～圖 3 描述了 45℃、 65℃、80℃三種淬火溫度下金屬小齒輪內(nèi)部與外部溫度變化。

圖 1 淬火油溫為 45℃

圖 2 淬火油溫為 65℃　　

圖 3 淬火油溫為 80℃

　　結(jié)合圖 1 ～圖 3可知，改變淬火溫度時(shí)，金屬小齒輪外部與內(nèi)溫差值逐漸降低，當(dāng)淬火溫度升至 80℃時(shí)齒輪內(nèi)部外部的溫差與 65℃持平，甚至超過(guò) 65℃時(shí)的溫度值，由此可知，當(dāng)淬火溫度達(dá)到 80℃時(shí)，通過(guò)升高淬火溫度減小金屬小齒輪內(nèi)外溫差的效果不顯著。

　　機(jī)械加工水平：金屬小齒輪進(jìn)行熱處理加工前需進(jìn)行機(jī)械加工處理，機(jī)械加工過(guò)程處理不當(dāng)容易引起熱處理變形。加工刀具損壞直接導(dǎo)致表面拉花出口不正、工件變形。此外，鍛造對(duì)熱處理形變的影響同樣嚴(yán)重，金屬小齒輪構(gòu)件性能的提升可通過(guò)鍛造工藝實(shí)現(xiàn)，鍛造具有優(yōu)化材料組織的功能，清除材料個(gè)別缺陷，令材料質(zhì)地分布更加勻。反之，不恰當(dāng)?shù)氖褂缅懺旃に噭t形成過(guò)熱組織，嚴(yán)重者導(dǎo)致裂紋、殘留應(yīng)力等破壞現(xiàn)象產(chǎn)生，對(duì)金屬小齒輪淬火形變產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。若鍛造金屬流線不對(duì)稱，則鍛后冷卻不均勻?qū)е慢X輪熱處理產(chǎn)生變形。

　　二、生產(chǎn)質(zhì)量控制建議

　　針對(duì)淬火熱處理產(chǎn)生形變的原因，設(shè)計(jì)控制金屬小齒輪變形的方法。

　　材料選擇：材料淬透性對(duì)熱處理變形的影響機(jī)理表現(xiàn)為：淬透性帶寬與齒輪變形量成正比。因此，要合理控制齒輪加工材料的淬透性，獲取最佳的金屬小齒輪加工材料參數(shù)。還應(yīng)嚴(yán)格控制齒輪材料中晶粒度尺寸，晶粒度與金屬小齒輪形變量成正比，所以齒輪選材在淬透性合理的情況下盡量做到晶粒度合理即可。

　　淬火控制：根據(jù)淬火溫度對(duì)變形量的影響測(cè)試、淬火溫度冷卻測(cè)試結(jié)果可知：淬火溫度約為 840℃，金屬小齒輪熱處理的形變量最小，在此溫度值時(shí)控制金屬小齒輪變形量相對(duì)容易;且淬火內(nèi)外溫 差大導(dǎo)致材料產(chǎn)生變形，淬火溫度達(dá)到 80℃時(shí)，通過(guò)升高淬火溫度減小齒輪內(nèi)外溫差的效果不顯著，淬火溫度控制在 80℃左右。此外，可在淬火中增加添加劑增加金屬小齒輪硬度。

　　改善機(jī)械加工水平量：在機(jī)械加工階段可通過(guò)反變形法改善金屬小齒輪熱處理質(zhì)量。通過(guò)二次加工與熱處理的方式解決其厚度與形狀不均勻、不對(duì)稱的問(wèn)題，在熱處理前科學(xué)調(diào)整齒輪尺寸，令齒輪變形量處于合理值。

　　金屬小齒輪鍛造時(shí)，需保障鍛造金屬流線沿齒輪毛坯外部對(duì)稱排列，而縱剖面流線排列成封閉狀態(tài)，易于形成良好的熱處理變形規(guī)律，防止齒輪過(guò)度變形。為滿足高速重載條件的齒輪制造要求，鍛比應(yīng)不小于 5。通過(guò)上述改革加強(qiáng)鍛后熱處理控制，改善金屬小齒輪鍛件質(zhì)量、減小熱處理變形。

　　三、結(jié)論

　　金屬小齒輪熱處理產(chǎn)生變形不僅僅取決于熱處理過(guò)程參數(shù)的設(shè)置，還受到材料、機(jī)械加工水平等因素的影響，本文重點(diǎn)研究了金屬小齒輪淬火熱處理過(guò)程中淬火溫度、淬火介質(zhì)溫度對(duì)齒輪變形的影響機(jī)制，得到以下結(jié)果：①淬火溫度約為 840℃，金屬小齒輪熱處理的形變量最小，在此溫度值時(shí)控制金屬小齒輪變形量難度較低 ;②當(dāng)齒輪淬火溫度達(dá)到 80℃時(shí)，通過(guò)升高淬火溫度減小內(nèi)外溫差的效果不顯著。