薄壁渗碳淬火齿轮的畸变控制技术
齿轮是传动机械中的重要零件,工矿条件对齿轮的要求很高，即要求高的表面耐磨性、还要求高的表面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度，这样就必须对齿轮进行表面强化处理（硬齿面齿轮），齿轮的表面强化处理工艺主要有渗碳淬火、表面氮化和表面淬火三种表面强化方法，在硬齿面齿轮的制造中, 渗碳淬火是主流的表面强化工艺,而对于高参数硬齿面齿轮,几乎被渗碳淬火工艺主导，因为渗碳淬火表面强化齿轮无论是接触疲劳强度还是弯曲疲劳强度均高于其它表面强化的齿轮，但由于渗碳淬火表面强化齿轮的工序复杂，也存在着突出的技术问题，即齿轮渗碳淬火后的畸变问题，由于影响渗碳淬火齿轮畸变的因素很多, 目前公认的影响因素达77种，而且这些因素彼此交互影响, 对畸变影响的权重也在随内、外因素的变化而变化，主次因素辨别起来难度很大，对其控制就更难了, 已成为国内外齿轮制造中的技术难点，成为公认的世界性难题。国际上非常重视，成立了零件的热处理畸变控制协会,每四年举行一次会议，其中着重探讨的就是渗碳淬火齿轮的畸变及控制问题。在德国不来梅大学成立了畸变工程研究中心, 对零件(以渗碳淬火齿轮为主)整个加工过程中的畸变进行研究与控制,英国材料工程院对渗碳钢的淬透性、钢的冶炼方式、浇注方式及锭型、锻造工艺、渗碳淬火工艺、炉型与装炉方式、微观组织与渗碳前期的残余应力对齿轮畸变的影响进行了系统的研究, 对零件淬火过程中的传热学、温度场、应力场、畸变倾向进行了计算机模拟, 并以实验进行验证。美国则投资两千万美金用于研究零件热处理畸变的控制, 并提出于2020年实现零件“零热处理畸变”的目标[1]。本文在技术理论分析和大量的试验数据的基础上，提出了“一条直线，两条曲线”的宏观解决方案，“一条直线”就是直接向渗碳淬火畸变进攻，“两条曲线”是迂回战术，第一条是通过简化工艺来降低渗碳淬火的畸变，第二条是以离子氮化代替渗碳淬火，避开渗碳淬火畸变的痼疾，提出的大尺寸薄壁渗碳淬火齿轮的畸变控制技术。
1 控制渗碳淬火齿轮畸变的概述
1.1 研究背景
渗碳淬火表面强化齿轮的畸变问题，制约着齿轮制造工艺技术的发展，是齿轮生产制造工艺上的一个难题，经常出现渗碳淬火畸变导致尺寸超差报废的质量事故，直接的危害是导致制造成本上升、制造周期延长，对企业来讲，更加严重的问题是拖期交货，是亟待解决的技术关键问题。我们选择渗碳淬火齿轮中，渗碳淬火畸变量比较大，比较有代表性的两类结构尺寸的齿轮（见图1、图2），进行了渗碳淬火的畸变试验，图1、图2是我们进行渗碳淬火畸变试验研究用的模拟齿轮（按比列缩小的）图，我们重点对图1的薄壁齿轮进行了试验研究。
图1、大尺寸薄壁渗碳淬火齿轮
图2、大尺寸人字渗碳淬火齿轮
1.2 渗碳淬火齿轮畸变的危害及影响因素
渗碳淬火齿轮的畸变使齿轮的精度大幅下降，一般精度下降2级左右很正常，齿轮的渗碳淬火畸变不仅使齿轮的精度下降，也影响齿轮的强度。对于渗碳淬火后不进行磨削的齿轮，畸变量较大将引起偏载；渗碳淬火后进行磨齿的，由于畸变会引起偏磨的现象，会造成齿面烧伤、产生磨削台阶等，而发生早期点蚀和疲劳断齿。
另外畸变量大还有很多危害：畸变量大，尺寸超差不够用导致报废的；畸变量大，导致表面硬度不均匀、不合格，必然导致耐磨性大幅下降；畸变量大，导致渗碳层的厚度不均匀、硬度梯度不良，必然造成承载能力的大幅下降；畸变量大，更重要的是接触疲劳强度、弯曲疲劳强度大幅下降。美国、德国等西方技术发达国家，对渗碳淬火齿轮的畸变问题，非常重视，投入巨资成立专门机构进行研究。
影响渗碳淬火齿轮畸变的因素太多，目前世界上公认影响因素达77个之多，而且这些影响因素交互叠加、主次因素随内外参数的变化而变换、作用的复杂使结果变幻莫测，研究起来难度特大。控制渗碳淬火齿轮的畸变，针对个体进行畸变规律的分析，探寻相应的控制畸变的途径，抓主要矛盾，减小控制渗碳淬火工艺过程的畸变量。渗碳淬火畸变主要由零件在机加工时产生的残余应力、热处理过程中产生的热应力和组织应力以及零件自重等共同相互作用产生的．影响因素众多，包括齿轮的结构形状和尺寸、原材料及冶金质量、锻造和机加工的残余应力、装料方式和热处理工艺及设备等。另外渗碳淬火畸变具过程函数特征。
1.3 研究方法及解决方案
渗碳淬火齿轮的变形问题已经成为世界性的难题。过去对渗碳齿轮变形的研究，只针对热处理工艺、工装及装炉摆放对变形的影响进行研究和控制。我们这次对渗碳淬火齿轮畸变研究的解决方案是：采取分类突围的办法，即能解决的解决（用离子氮化代替渗碳淬火），能减小的减小（简化渗碳淬火热处理工艺），能控制的控制（采用微观因素分析、宏观进行控制的办法，对渗碳淬火齿轮的变形进行控制）。
我们瞄准国际上控制畸变的先进技术，借鉴国内外控制畸变的先进经验，采用“一条直线，两条曲线”的研究方案，在三个方向上、全方位地向渗碳淬火畸变（世界性难题）挑战，同时向渗碳淬火畸变展开了科技创新的攻坚战。在理论研究、工艺试验上同时进行；在结构尺寸影响因素、渗碳淬火工艺影响因素上同时试验；一条直线，即直接向影响渗碳淬火齿轮畸变的主要因素开战；两条曲线，一是简化渗碳淬火工艺，来降低渗碳淬火的畸变；二是以离子氮化代替渗碳淬火表面强化工艺，从根本上远离渗碳淬火的痼疾--畸变问题。
指导思想是：从微观因数的分析研究入手，形成一个微观因素宏观控制的办法，即制定一个渗碳齿轮畸变的宏观控制标准。
1.3.1 控制渗碳淬火的畸变
采用国际上通用的C形畸变试样（见图3）、模拟齿轮（见图1和图2）、金相试样、心部性能试样、剥碳层试样（见图4）等研究工具，对不同材料、不同工序、不同的热处理工艺的畸变量进行基础测试试验；采用模拟齿轮，对不同结构尺寸的、不同工艺的变形量进行对比测试试验，大直径薄壁渗碳淬火齿轮的攻击目标是影响畸变最大的因素即结构尺寸，有人说在影响齿轮畸变的众多因素中，齿轮结构尺寸的影响占到了60%，对于普遍性上讲，可能说的过于严重了，但对于大直径薄壁渗碳淬火齿轮（没有经过抗畸变优化设计的）来讲，结构尺寸对畸变的影响不是占到了60%的问题，而是远远超过了60%的，甚至达到80%；而对于另外一类畸变量大的齿轮，即人字齿渗碳淬火齿轮，其薄弱环节是渗碳淬火过程，由于自重和高温引起的高温蠕变产生的锥度变形，两类齿环的攻击均取得了重大突破，并提出控制渗碳淬火畸变的相关措施及有效的解决方案。结构尺寸之外就是采用微观因素宏观控制的办法，对渗碳齿轮的变形问题进行控制，对渗碳淬火变形的微观影响因素进行分析研究，首先进行渗碳淬火齿轮的变形数据记录，对数据进行归纳分析，借鉴先进的控制变形方法，形成一个微观因素宏观控制的办法，即制定一个渗碳齿轮畸变的宏观控制标准。
图3、通用C形畸变试样
图4、剥碳层、金相、心部性能试样
1.3.2 简化现行的、过于复杂的渗碳淬火工艺
这主要是针对高参数齿轮，采用复杂的渗碳淬火工艺的齿轮。复杂的渗碳淬火工艺该对于保证产品质量的确有好处，但工艺太复杂，不仅制造周期长，制造成本高，而且畸变量大，能源消耗也大。对于相对要求不是很高的齿轮也没有必要。我们就是要研究简化现有的复杂的渗碳淬火热处理工艺，至少是在参数要求不是很高的齿轮上应用。所以我们以减小渗碳淬火变形为目的，简化、改进渗碳淬火热处理工艺，在进行渗碳淬火工艺试验的基础上进行改进，要做两个方面的试验，一是改进后心部性能的试验，二是改进后表面渗层的性能试验。对不同设计要求的渗碳齿轮用不同的渗碳工艺方法。技术关键是，工艺简化后，要保证表面和心部的性能。渗碳层的性能包括碳化物的级别、马氏体和残余奥氏体的评级、表层内氧化的评级、渗碳层的厚度、表面硬度等；心部性能包括心部组织。
1.3.3 离子氮化代替渗碳淬火
本项目的一个突围方向，就是部分渗碳淬火齿轮用离子氮化代替，离子氮化代替渗碳淬火工艺对于解决渗碳淬火齿轮的畸变问题具有重大的意义，也是世界上技术发达国家的研究方向，著名的美国费城齿轮公司有43%的高参数齿轮采用的是氮化处理。采用氮化热处理，就没有了渗碳淬火齿轮的变形问题，也可以说从根本上解决了畸变的问题。
从提高齿面接触疲劳、齿根弯曲疲劳入手进行试验研究，研发高质量的深层离子氮化工艺，提高许用应力极限；研究改进预备热处理工艺、提高心部性能，也提高许用应力极限；应用有限元对大尺寸薄壁渗碳淬火齿轮进行应力分析，对表面剥落进行力学分析，形成一个判据，将符合条件的渗碳淬火齿轮改为离子氮化处理，从根本上远离渗碳淬火的痼疾--畸变问题。
1.4 试验研究方案及实施
1.4.1试验研究方案
首先对齿轮的结构尺寸进行畸变的工艺试验，大尺寸薄壁齿轮的畸变试验包括如下的内容：齿轮直径与厚度的比值对畸变量影响的试验；齿轮工艺孔的圆周位置对畸变量影响的试验；齿轮工艺孔的数量以及圆周分布对畸变量影响的试验；齿轮直径与厚度的比值对椭圆度变形量影响的试验；工艺孔直径及圆周分布对椭圆度变形量影响的试验；渗碳淬火工装、工艺方法对双人字齿轮变形量影响的试验；不同预备热处理方法对齿轮畸变量影响的试验；渗碳淬火工艺简化的工艺试验；不同材料、不同工艺参数、不同的渗碳淬火工艺方案对齿轮畸变量影响的试验等。
1.4.2试验研究的实施
图5是装入试验件最多的一炉畸变试验的照片，装入了模拟齿轮23个，C形畸变试样45个，金相试样9串，心部性能试样3个，剥碳层试棒3个，共计装入试样83个。图6是局部放大的装炉示意图，用来
图5、试验装炉照片
图6、说明装炉要点的照片
说明装炉要点的，进行对比的模拟齿轮、C形畸变试样、金相试样等，装炉时一定要保证所处的环境一致，即在渗碳工艺过程中，要保证碳势趋于一致，在淬火工艺过程中，要保证淬火的冷却条件一致，这样装炉时要保证两个对比模拟盘的高度一致，位置临近，尽量减小对比试样间的环境差异。另外尺寸测量，测试试验前、淬火回火后的测量，要由同一个人测量，使用同一个千分尺，且千分尺要经过校核等，即尽量减小测量误差。
1.5 成果汇报
本试验研究已经申报且受理的发明专利13项，例如：一种抗畸变薄壁渗碳淬火高速齿轮及应用；一种渗碳淬火高速齿轮抗畸变的预备热处理工艺选择方法；一种离子氮化齿轮承载能力的计算判断方法；一种用于渗碳淬火齿轮变形量测试的畸变试样；一种减小薄壁渗碳淬火高速齿轮畸变量的方法及应用等。发表论文30余篇，高灵敏度C形畸变试样的开发试验研究；薄壁渗碳淬火齿轮工艺孔设计对畸变量的影响；薄壁渗碳淬火齿轮直径厚度比对畸变量的影响；12Cr2Ni4钢预备热处理方法对畸变量的影响；三种渗碳淬火钢内氧化敏感性的试验研究；渗碳材料网状碳化物敏感性的研究；三种材料的离子氮化性能比较等。2018年在“The 25th Congress of InternationalFederationfor Heat Treatment and Surface Engineering”国际会议上宣读了题为“Distortion Control Technology for Large-Size and Thin-WallCarburizing and Quenching Gear”的论文，2019年将在“ASM Heat Treating Society 30th Annual Conference and Exhibition”国际会议上宣读题为“Research of Distortion Characteristics of Carburizing and QuenchingGears”的论文。