作者：李小末，朱百智
单位：南京高速齿轮制造有限公司
来源：《金属加工（热加工）》杂志
薄壁齿轮在渗碳淬火过程中，通常会出现平面翘曲、椭圆变形，磨齿时由于齿面余量分配不均，导致齿面黑皮及磨削台阶；造成左右齿面硬化层不均、表面硬度下降，严重时导致齿轮报废。为了解决这一问题，本文设计了水平装炉与悬挂装炉两种方式，下文对渗碳淬火过程及变形数据进行了详述。
1.工艺方法和过程
（1）齿轮参数 某齿轮产品参数如表1所示，简图如图1所示。
表1 齿轮参数
Mn
Z
α
β
齿顶圆/mm
齿宽/mm
层深/mm
硬度HRC
齿轮精度/级
材质
4
138
20°
23°4′26″
608
80
0.9～1.2
58～62
6
20CrMnMo
图1 齿轮简图
（2）热处理装炉方式
装炉方式一：水平放置，如图2所示。
图2 水平放置示意
装炉方式二：垂直悬挂放置，如图3、图4所示。
图3 垂直悬挂示意
图4 其他炉次垂直悬挂实物
（3）热处理工艺曲线
如图5所示，设备使用AICHELIN 5/2A 箱式炉。
图5 热处理工艺曲线
3.结果与分析
（1）金相、硬度梯度、表面硬度均合格
金相组织形态按照JB/T6141.3及GB/T3480.5 进行判断如表 2所示。
表2 金相组织
K/级
Ar（%）
M/级
IGO/μm
F/级
2
15～20
2
18
3
（2）硬度梯度
如图6所示，层深DC=1.219mm/HV550。
图6 硬度梯度
（3）变形数据及磨齿情况
齿轮变形数据如表3所示。
表3 水平与悬挂放置渗碳淬火后节圆、端面跳动对比
件号
位置
0°
90°
180°
270°
总跳动
水平放置
件1
节圆/mm
0.74
0.61
0.61
0.43
0.31
端面/mm
0
1.15
0.47
1.3
1.3
件2
节圆/mm
0.86
0.55
0.86
0.92
0.37
端面/mm
1
1.35
1.82
1.36
0.82
悬挂放置
件1
节圆/mm
0
0.01
0
0.02
0.02
端面/mm
0
0.03
0.03
0.07
0.07
件2
节圆/mm
0
-0.01
-0.01
0.05
0.06
端面/mm
0.01
-0.04
-0.04
0.18
0.22
水平放置零件由于翘曲变形，齿形、齿向、节圆跳动过大，引起磨齿余量分配出现负值，磨削后部分齿面留有黑皮，部分齿面磨削台阶十分明显，最终报废；悬挂放置齿轮变形小，磨齿余量分配均匀，磨削后无黑皮，无台阶。
（4）结果分析
水平放置由于齿轮边缘悬空，渗碳过程轮缘自重引起蠕变，淬火瞬时，触油截面积大，且下端面较上端面先入油；由于瞬时两端面热应力及相变应力不平衡，导致上端面凸起，齿轮翘曲过大；反观悬挂放置，渗碳也存在高温蠕变，但齿轮轮缘不承受较大弯矩，同时淬火时两个端面平行入油，入油截面小，相变应力及热应力平衡对称，齿轮端面跳动及节圆跳动小于水平放置。
4.应用扩展
根据上述齿轮变形的原因分析，对于直径1140mm的齿轮也进行了悬挂装炉，也取得了十分良好的效果，齿轮参数如表4所示，装炉如图7所示，变形数据如表5所示。
表4 齿轮参数
Mn
Z
α
β
齿顶圆/mm
齿宽/mm
层深/mm
硬度HRC
齿轮精度/级
材质
8
137
20°
12°
1140
120
1.6～2.0
58～62
6
20CrMnMO
图7 装炉图片
表5 4件齿轮端面、节圆跳动数据
件号
位置
0°
90°
180°
270°
总变形
件1
节圆/mm
0.53
0.51
0.55
0.5
0.05
端面/mm
0.45
0.3
0.6
0.5
0.3
件2
节圆/mm
1
1
1.07
1
0.07
端面/mm
—
—
—
—
0.4
件3
节圆/mm
0.9
0.92
0.97
0.92
0.07
端面/mm
0.58
0.8
0.7
0.9
0.32
件4
节圆/mm
0.25
0.22
0.23
0.28
0.06
端面/mm
0.7
0.6
0.35
0.4
0.35
5.结语
（1）对于Φ600mm×80mm的薄壁齿轮通过悬挂装炉使得渗碳淬火齿轮节圆跳动从平均0.34mm减小至0.04mm；端面平均跳动从1.06mm减小至0.15mm。
（2）对于Φ1140mm×120mm的薄壁齿轮通过悬挂装炉使得渗碳淬火齿轮节圆跳动控制在0.07mm以内；端面跳动控制在0.40mm以下。
