鋼材熱處理之：變速箱齒輪的熱處理工藝優(yōu)化
1 齒輪的強(qiáng)度設(shè)計(jì)與熱處理
齒輪的抗接觸疲勞強(qiáng)度、抗彎曲疲勞強(qiáng)度、心部韌性、表面硬度及耐磨性等都是熱后齒輪的關(guān)鍵指標(biāo)，直接關(guān)系著齒輪的使用壽命長(zhǎng)短。原材料性能及熱處理工藝都會(huì)顯著影響到齒輪件的承載力，因此按需選材、合理編制工藝就顯得尤為重要。通常來(lái)說(shuō)齒輪的承載力評(píng)判主要是通過(guò)熱后齒輪的表面硬度、心部硬度及有效硬化層深來(lái)衡量。GB/T3480.5-2008中將齒輪疲勞強(qiáng)度與材料熱處理質(zhì)量等級(jí)進(jìn)行結(jié)合，并將疲勞極限分為ME、MQ、ML三個(gè)等級(jí)并予以圖示。設(shè)計(jì)齒輪時(shí)應(yīng)根據(jù)質(zhì)量等級(jí)和相應(yīng)的疲勞極限曲線圖為基礎(chǔ)進(jìn)行齒輪承載能力計(jì)算，既考慮使用強(qiáng)度又兼顧經(jīng)濟(jì)性。
2 影響齒輪熱處理變形的關(guān)鍵因素
2.1齒輪毛坯的預(yù)先熱處理
齒輪毛坯的預(yù)先熱處理通常有調(diào)質(zhì)處理、普通正火、等溫正火、鍛造余熱等溫正火等手段。普通正火處理會(huì)造成不同零件或同一零件不同部位的組織、硬度出現(xiàn)較大差別，會(huì)降低加工性能和加劇熱處理變形，進(jìn)而影響齒輪精度等級(jí)和使用性能。齒輪毛坯終鍛溫度一般在900℃左右，毛坯仍處在奧氏體階段，其晶粒會(huì)比重新加熱顯著粗大，而粗大晶粒具有遺傳性且轉(zhuǎn)變P+F過(guò)程滯后，容易出現(xiàn)貝氏體或斷離珠光體，使得加工性變差。等溫正火即將毛坯完全加熱到Ac3線以上的適當(dāng)溫度得到均勻的奧氏體后，通過(guò)速冷方式將毛坯冷至奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖“鼻尖”溫度左右在低溫爐中進(jìn)行等溫轉(zhuǎn)變，出爐后再空冷到室溫的工藝過(guò)程。因此可以采用鍛造余熱等溫正火或等溫正火進(jìn)行預(yù)處理，生產(chǎn)中要根據(jù)毛坯材質(zhì)、尺寸因素來(lái)合理選擇和控制等溫前的冷卻速度、等溫溫度和等溫時(shí)間這三個(gè)工藝參數(shù)，使毛坯在相 對(duì)恒定的溫度下完成組織轉(zhuǎn)變，以此來(lái)獲得均勻的顯微組織和合適的硬度，即硬度在160HB~197HB，金相組織為均勻的F+P。等溫正火工藝的特點(diǎn)是正火質(zhì)量穩(wěn)定，熱處理變形小，適合大批量生產(chǎn)。對(duì)于大批量生產(chǎn)的變速箱齒輪來(lái)說(shuō)，合適毛坯的硬度和均勻組織能保證刀具的最佳切削，既滿足高的切削效率，又對(duì)減小熱處理變形有著至關(guān)重要的作用。
2.2齒輪鋼的淬透性和淬硬性
淬透性是表示鋼在一定條件下淬火時(shí)獲得馬氏體的能力，或者說(shuō)是獲得淬透層深度的能力，它是鋼材本身固有的屬性，主要受合金元素的影響。工作中計(jì)算淬透性值的方法有多種，齒輪行業(yè)滲碳鋼實(shí)際應(yīng)用
筆者推薦采用下列公式。含碳量≤0.25%的滲碳鋼淬透性計(jì)算公式：
式中J6-40—至水冷端6mm~40mm范圍內(nèi)各點(diǎn)硬度；E—距離水冷端距離；
淬透性還包括冷卻條件和合金元素之間的關(guān)系，以及應(yīng)用于鋼種設(shè)計(jì)及替代、設(shè)計(jì)選材、熱處理工藝參數(shù)控制等。換言之，淬透性對(duì)于齒輪的設(shè)計(jì)和制造工藝都具有十分重要的意義。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明同樣深度的滲碳層，由于原材料、模數(shù)、外形尺寸、冷卻條件不同而得到的有效硬化層深差異非常大，即使是外形尺寸、模數(shù)和冷卻條件非常類似或相同，工件有效硬化層深可相差0.3mm~0.5mm之多，究其原因就是滲碳層淬透性差異所致。
淬硬性是工件在正常淬火后獲得馬氏體組織所能達(dá)到的最高硬度。主要取決于馬氏體中的含碳量，碳的過(guò)飽和度越大則鋼的淬硬性越高。通常情況下淬火硬度隨含碳量的提高而提高，但是當(dāng)含碳量≥0.6%C時(shí)工件淬火硬度幾乎不再變化，常用的滲碳鋼在滲碳淬火后硬度通常為64HRC左右，低溫回火后表面硬度往往在60HRC左右，這就是滲碳齒輪的表面硬度一般規(guī)定為58HRC~63HRC的根本原因。
2.3 齒輪熱處理變形的一般來(lái)說(shuō)都是多種因素的綜合作用、相互影響所致
除預(yù)先熱處理及淬透性外，零件形狀、鍛造、機(jī)械加工、淬火規(guī)范都可能會(huì)造成零件變形，進(jìn)而影響齒輪精度和壽命。于齒輪件來(lái)說(shuō)，易變形點(diǎn)無(wú)非是齒形齒向、周節(jié)累計(jì)、內(nèi)花鍵縮孔等，由經(jīng)驗(yàn)即可判斷其變形規(guī)律，根據(jù)工藝路線提前預(yù)留好加工余量或補(bǔ)償量，使成品件正處于可接受的形變區(qū)間內(nèi)。
（1）齒輪幾何形狀。齒輪的外形結(jié)構(gòu)是決定熱處理變形的關(guān)鍵因素之一，設(shè)計(jì)者應(yīng)充分考慮齒輪截面結(jié)構(gòu)均勻性、對(duì)稱性，避免薄厚差異過(guò)大而導(dǎo)致應(yīng)力集中。一般來(lái)說(shuō)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)力集中明顯的零件在熱處理過(guò)程的形變規(guī)律越難掌握。沃爾沃公司曾就齒輪的設(shè)計(jì)、原材料、熱處理工藝三個(gè)因素對(duì)變形影響程度的研究表明，設(shè)計(jì)、材料、工藝對(duì)齒輪熱處理變形的影響程度分別為50%~60%、20%~30%、5%~15%。
（2）熱前的應(yīng)力狀態(tài)。熱前零件在經(jīng)過(guò)鍛造、正火、拋丸及機(jī)加工等工序后，或多或少會(huì)累積殘余應(yīng)力、鍛造缺陷、組織不良等，而應(yīng)力集中對(duì)變形影響非常顯著。消除或控制殘余應(yīng)力的產(chǎn)生對(duì)后續(xù)熱處理工序控制變形大有裨益。鍛造過(guò)程中通過(guò)管理鐓粗方向等手段控制金屬纖維流線，使其沿齒輪毛坯外輪廓 對(duì)稱狀均勻分布；正火過(guò)程應(yīng)控制帶狀組織形成趨勢(shì)，減少材料各項(xiàng)異性；機(jī)加工過(guò)程應(yīng)注意均勻切削和通過(guò)刀具壽命管理等盡力避免加工應(yīng)力的過(guò)度累積和不均勻狀態(tài)。特別是形狀復(fù)雜的工件，前序產(chǎn)生的殘余應(yīng)力對(duì)淬火變形影響很大，可采用去 應(yīng)力回火或均勻化處理措施消除應(yīng)力。
（3）熱處理過(guò)程要素。工件加熱速度、滲碳溫度、淬火溫度、油攪拌速度等工藝參數(shù)的調(diào)整，裝卡方式、冷卻介質(zhì)和回火工藝等的不同也會(huì)影響的齒輪的變形情況及綜合機(jī)械性能。
在汽車變速箱齒輪的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中，有效硬化層深設(shè)計(jì)一般來(lái)說(shuō)就是兩種方法。即按齒輪模數(shù)劃定大致范圍而套用標(biāo)準(zhǔn)或是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式t=α*m（m模數(shù)），α=0.20-0.30計(jì)算，很少?gòu)牧W(xué)角度分析其適用性。設(shè)計(jì)最佳的齒輪有效硬化層深，無(wú)論是對(duì)提高齒面強(qiáng)度，還是節(jié)能降耗都有非常重要的意義。
齒輪剝落失效的產(chǎn)生不僅與齒面下的剪應(yīng)力分布有關(guān)，還與有效硬化層深、硬度梯度等因素有關(guān)。齒輪的有效硬化層深對(duì)于過(guò)渡區(qū)常常難以涵蓋，而各類硬齒面齒輪的剝落往往都與過(guò)渡區(qū)有關(guān)，實(shí)踐表明有效硬化層深剝落的最大特點(diǎn)就是疲勞裂紋在硬化層與心部的過(guò)渡區(qū)產(chǎn)生，形成的剝落坑較深且面積大。通常情況下增加有效硬化層深有利于提高齒輪承載能力，防止疲勞剝落失效。然而過(guò)大的硬化層深會(huì)使工藝難度加大、工藝周期增長(zhǎng)、畸變?cè)黾拥戎T多問(wèn)題，造成齒輪生產(chǎn)成本和能源消耗增加。合理的有效硬化層深設(shè)計(jì)是既要保證過(guò)渡區(qū)有足夠的強(qiáng)度 防止深層剝落，又不過(guò)度設(shè)計(jì)。
表面硬化齒輪的有效硬化層深與齒輪的強(qiáng)度、可靠性等性能密切相關(guān)，是保證齒輪承載能力充分發(fā)揮的關(guān)鍵。齒輪嚙合過(guò)程中齒面接觸時(shí)在局部產(chǎn)生的表面壓應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力，也叫赫茲應(yīng)力。齒面承載能力與赫茲接觸應(yīng)力有關(guān)，由公式可知，接觸應(yīng)力的大小取決于外加載荷和齒面當(dāng)量曲率半徑的倒數(shù)。當(dāng)最大接觸應(yīng)力相同時(shí)，當(dāng)量曲率半徑越大所需有效硬化層深就越大。
（1）氣體滲氮工藝對(duì)齒輪的表面強(qiáng)化處理。齒輪的承載能力通常為齒根強(qiáng)度、齒面強(qiáng)度與抗咬合強(qiáng)度三項(xiàng)指標(biāo)。眾所周知，滲氮齒輪的抗咬合強(qiáng)度優(yōu)于滲碳齒輪，由于加壓氣體滲氮技術(shù)和加壓氣體軟氮化技術(shù)的應(yīng)用提高了材料表面的硬度并改善了滲層的硬度梯度。齒輪滲氮鋼無(wú)須進(jìn)行淬透性控制，也可簡(jiǎn)化鋼廠的冶煉管理。齒輪滲氮鋼的冶煉重點(diǎn)是減少非金屬夾雜物的含量與氧含量，這可以進(jìn)一步提高齒輪的抗疲勞強(qiáng)度。
（2）強(qiáng)化噴丸工藝的推廣應(yīng)用 。當(dāng)齒輪承受彎曲疲勞載荷時(shí)， 其赫茲接觸應(yīng)力達(dá)到最大，因此疲勞核心在齒面處形成后沿著與最大應(yīng)力垂直的方向進(jìn)行擴(kuò)展，當(dāng)微裂紋發(fā)展為宏觀裂紋時(shí)，硬化層開(kāi)始脫落甚至出現(xiàn)斷齒情況。研究表明，滲碳齒輪的彎曲疲勞抗力隨著其強(qiáng)度的提高而升高，彎曲疲勞抗力也隨著齒輪表層殘余壓應(yīng)力的增加而提高。所謂強(qiáng)化噴丸就是將鋼丸高速射出，通過(guò)連續(xù)打擊后使齒面或齒根部形成一定深度的殘余壓應(yīng)力的加工方法。它具有適應(yīng)性廣、工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高、強(qiáng)化效果顯著的特點(diǎn)，這種殘余壓應(yīng)力能夠抵消部分外部載荷的拉應(yīng)力，抑制微裂紋在齒輪承受接觸應(yīng)力時(shí)再次擴(kuò)展，有效地消除設(shè)計(jì)及工藝過(guò)程造成的應(yīng)力集中的影響，也能部分消除滲碳淬火過(guò)程中產(chǎn)生的晶間氧化物造成的影響。因此，強(qiáng)化噴丸可以有效提高輪齒的抗接觸疲勞強(qiáng)度和抗彎曲疲勞強(qiáng)度。資料表明，齒輪滲碳淬火后表面呈壓應(yīng)力分布狀態(tài)，通過(guò)強(qiáng)化噴丸會(huì)進(jìn)一步增加零件表面的壓應(yīng)力，也就是進(jìn)一步增加零件表面的接觸疲勞強(qiáng)度。
總而言之，齒輪的設(shè)計(jì)與制造是提升變速箱性能的關(guān)鍵要素之一。設(shè)計(jì)須注重齒輪材料和工藝模式的選擇、結(jié)構(gòu)均勻性、有效硬化層深設(shè)計(jì)等；工藝員須注重預(yù)先熱處理、機(jī)械加工和熱處理過(guò)程中不利因素的消除，共同為提高產(chǎn)品質(zhì)量而努力。
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