几种齿圈的热处理畸变控制方法

由于齿圈直径和齿圈宽度(或高度)之间的巨大差异，在热处理过程中经常出现内孔圆度、端面平面度和锥度变形的超差问题。齿圈热处理变形是热处理过程中最常见的缺陷之一。

齿圈加工工序复杂，变形合格率低，加工余量大，次品率高，成本高，产品精度低，噪音大，严重影响其使用寿命。因此，通过冷加工和热加工的配合，优化工艺，改进夹(炉)方式，采用先进的热处理工艺和设备等。，可以提高齿圈热处理变形的合格率和加工精度，降低产品的加工成本，减少废品和次品。

改进和优化热处理过程控制齿圈变形

1.采用预处理工艺减少大渗碳齿圈变形

大齿圈φ2180mm(外径)× φ 1750 mm(内径)×550mm(宽度)采用17CrNiMo6钢，热处理变形要求严格。但渗碳淬火后，齿顶通常会大量升高4 ~ 5毫米，有时可达6 ~ 7毫米，因此采取以下控制措施:

(1)预处理工艺的制定

调质工艺，即860℃加热淬火(比最终淬火温度高20~30℃)，650℃回火。最好将内孔直径的增加控制在8 ~ 10毫米以内..之后按照正常的工序，经过渗碳、冷却、风冷后，再在(820±10)℃下浸泡，在170℃的硝酸盐浴中淬火冷却，然后在210℃下回火两次，齿顶圆直径仅比渗碳淬火前大2mm左右，满足预期的增加，且齿圈的圆度、上下锥度满足要求。

(2)工艺要点

调质时严格控制淬火温度，如果温度过低，对减少胀大变形不会起到很好的作用；相反，如果温度过高，渗碳淬火后的齿顶圆尺寸可能会缩小，因此需要进行测试。

2.改进热处理工艺，减少三轮车驱动齿圈热处理变形

三轮车变速箱驱动齿圈(见图1)，材质为20CrMnTi钢，热处理技术要求:碳氮共渗深层为0.6~1.0mm，齿面和中心硬度分别为58~64HRC和35~48HRC，螺纹孔与单链槽的位置公差为0.05 mm。

装料前10个M8螺孔用防渗漆封堵，850~860℃碳氮共渗后直接淬火回火。检查后发现螺纹孔和单链槽位置超差，防渗涂层不易脱落。改进后的工艺和效果如下:

(1)改进流程。

成齿→碳氮共渗后缓冷→车削(切削)渗层、拉(切)键槽、钻孔攻丝→850 ~ 860℃加热淬火→低温回火→压盖(保护螺孔)喷丸→磨(切)网→检验。

(2)改善效果

经检验，从动齿圈热处理变形合格率在95%以上。

3.用新的热处理工艺和新的工装控制大型齿圈热处理的变形。

矿用磨机减速机齿圈，外形尺寸为φ1631mm(外径)× φ 1364mm(内径)×300mm(宽度)，单件质量为1434kg，正常模数为20mm，齿数为78，材质为20CrNi2MoA钢，需要渗碳淬火。

(1)修订齿圈技术要求

为了控制和减少齿圈热处理的变形，修改了一些技术要求。改装齿圈的技术要求见表1；渗碳前调质处理，调质硬度为217 ~ 255 HBW；有效硬化层为3.90 ~ 5.10 mm。

(2)新技术

锻造后正火改为正火+高温回火。渗碳后增加球化退火工艺，保证渗碳层碳化物粒度≤1 μm，球化退火工艺如图2所示。图2中工艺A和工艺B得到的结果基本相同。

新工艺路线:锻造→正火+高温回火→粗车→探伤→淬火回火→精车铣齿→渗碳→球化退火→淬火回火→抛丸→精车镗孔及两平面→磨齿→键槽插入→探伤→产品。

工装设计:设计上下压盖，控制齿圈变形。详见图3。

(3)测试结果

齿圈表面硬度、芯部硬度、有效硬化层深度均满足技术要求；齿圈表面碳浓度为0.76%(质量分数)，分段球化退火后碳化物粒度达到0.5微米。显微组织马氏体和残余奥氏体为2级，碳化物为1级，中心铁素体为2级。机械性能指标符合图纸技术要求；齿圈畸变试验表明，内孔圆度为0.90mm，齿顶直径变化为+3.1~+4.0mm，普通法线变化为+0.2~+0.6mm，均满足技术要求。

4.改进热处理工艺，采用模具校正方法控制大型超薄齿圈渗碳淬火变形。

超薄内径齿圈，外径φ1120mm(外径)× φ 944 mm(内径)×260mm(宽度)，材质17CrNiMo6钢，重量550kg，热处理技术要求:渗碳淬火有效硬化层深度2.40~2.90mm，齿面和中心硬度分别为58~62HRC和32 HRC。热变形后要求:锥度≤1.35 mm，圆度≤1.35mm，普通法线偏差≤0.7‰，齿顶圆压下量≤1.5‰。

(1)原始加工路线、工艺和齿圈变形问题

原加工路线:锻坯粗车→钻孔→插齿→渗碳淬火→抛丸→精车→磨齿→成品。原渗碳工艺路线为:预热650℃×1h→渗碳(930±10)℃×50h→冷却、保温830℃×2h→出料前→出风冷却→高温回火680℃×4h→淬火加热(820±10)℃×2.5h→硝酸盐等温淬火(160±10)。齿圈清洗后涂防渗漆，每炉5片，渗碳气氛富含甲醇和异丙醇。经检验，其他项目符合技术要求，但齿圈有较大畸变。

(2)改进流程。

齿圈齿轮成形前粗加工后，进行高温正火。为了降低残余应力和热应力，降低渗碳温度，增加前期步进加热的级数。改进后增加了400℃和850℃等温段，并适当降低了淬火温度。检查后齿圈失真降低一个等级，但有时失真超出公差范围。渗碳过程如图4所示。

渗碳淬火工艺和齿圈淬火冷却均采用模具校正法。齿圈渗碳校正淬火工艺曲线如图4所示。模具被校正和淬火，模具和齿圈一起冷却，使得齿圈在冷却过程中被迫通过模具被校正。在随后的长期回火过程中，消除了淬火和冷却过程中产生的应力，稳定了齿圈的尺寸，防止了变形反弹。失真测试结果理想。

5.通过调整热处理工艺减少齿圈变形

在TY320、TY220、D65等齿轮箱中，JT001 齿圈的外齿直径为318.1毫米，内齿直径为251.7毫米，宽度为51.5毫米，材料为调质硬度为262 ~ 302 HBW的42CrMo钢；渗氮后的δ m要求≤ 0.10mm。

(1)原始热处理工艺和变形

毛坯正火(880℃×3h)+粗车后调质(盐浴820℃×0.5h，油淬+回火)+矫正+精车后时效处理(300℃×5h)+插齿+离子渗氮(520℃)，然后炉内冷却。经检验，M值和偏差超出公差范围，齿圈畸变合格率仅为70%左右。

(2)改进流程和效果。

将原来的先淬火回火，再校正，再氮化改为先校正，再淬火氮化。齿圈畸变合格率达到98%以上，齿圈δ m值的变化从调整前的最大值0.46mm下降到0.10mm淬火和回火后。时效温度从300℃提高到560℃，既保证了加工应力的充分释放，又比渗氮温度高了30~50℃，从而使渗氮齿圈㎡的畸变最小化，δ m的最大值从调节前的0.22mm降低到调节后的0.08mm。

6.通过调整工艺流程，解决高频淬火40Cr钢齿圈变形超差问题。

齿圈(见图5)，材质为40Cr钢，技术要求:调质硬度28~32HRC，齿高频淬火硬度48~52HRC，齿圈跳动< < 0.048mm

(1)高频淬火工艺和齿圈变形问题

高频淬火工艺的电气参数，电流频率为250kHz，阳极和栅极电流分别为7~7.5A和1.4~1.7A，加热时间为30~40s，冷却水压力≥0.2MPa。

高频淬火时，φ30mm孔附近的冷却速度快，而远离φ30mm孔的冷却速度慢。正是这种冷却速度的不均匀性导致齿圈跳动量超出公差范围。

(2)改进工艺流程和效果。

改进后的工艺流程为:锻造→粗车→淬火回火→外圆内孔精车→滚齿去毛刺→剃齿去毛刺→清洗→齿高频淬火→两端空刀精车→钻孔扩孔角→钻孔攻丝→拉单键槽→去毛刺喷砂→清洗入库。改进效果:调整工艺流程后，齿圈高频淬火后跳动在公差要求内。

7.采用碳氮共渗工艺，减少内部齿圈淬火畸变。

重型自卸车转向机构内齿圈，外形φ444mm(外径)× φ 372.88 mm(内径)×140mm(齿宽)，材质20CrMnTi钢，热处理技术要求:表面碳浓度0.8%~1.0%(质量分数)，共渗层深度1.1 ~ 1.5 mm，显微组织为马氏体，残余奥氏体≤4级，碳氮化物≤5级。

(1)内部齿圈处理流程

下料→锻造→粗加工→预热处理(正火)→机加工→碳氮共渗→质检→喷砂→产品检验→入库。

(2)热处理碳氮共渗工艺

爱协林密封箱式多用炉用于气体碳氮共渗、冷却和直接淬火。过程如图6所示。870℃×6h碳氮共渗，强渗碳电位0.95%，870℃×2h扩散，碳势0.65%，冷却至840℃×0.5h，快速缓慢冷却。

(3)热处理和二次加热淬火工艺

经过氮碳共渗、缓冷、再加热和内支撑压紧淬火。工艺如图7所示，淬火加热830℃×40分钟。采用质量分数为10%~15%PM的淬火冷却介质，传递时间为20s，冷却时间为10s，出口温度为150~180℃，近似压力淬火。使用专用工具支撑内孔，然后回火。

(4)工装和装炉方式

内径与外径之比inner 齿圈远大于1/2，壁薄，淬火时易发生圆度畸变，应避免重叠堆垛，以减少重力影响。齿圈应具有合理的间距，以确保均匀的圆周冷却。

(5)淬火变形及控制

根据热处理情况，预留大量余量，保证尺寸精度；选择二次加热淬火工艺；用淬火压机淬火；淬火后，超差圆度零件用专用工装进行整形和回火。

(6)测试结果

表面硬度为60~65HRC，芯部硬度为38~40HRC，马氏体和残余奥氏体为1级，碳氮化物为1级，外径圆度为0.13~0.30mm，均合格。

8.50Mn2钢齿圈的中频淬火热处理

齿圈尺寸为φ322mm(外径)× φ 281 mm(内径)×齿圈77 mm(宽度)。材料为50Mn2钢。中频淬火的技术要求是:表面硬度50~55HRC，齿根硬化层1~4mm，相当于40HRC。齿圈累积节距误差< < 0.10毫米，齿向误差< < 0.055毫米，齿廓误差< 0.035毫米。

(1)中频淬火机床和感应器

中频淬火机床的额定功率不能低于400千瓦。传感器由5匝14mm×14mm铜方管制成，具有传感器高度，齿圈与传感器之间留有间隙。图8是传感器的示意图。

(2)中频加热淬火规范

齿圈电感与电感之间预留间隙:考虑到导磁体对磁场分布的影响因素，将电感直径增大到b+2mm。同时，将传感器的高度增加到+3毫米。电加热规格:最大输出电压540V，最大输出电流430A，频率8000Hz。齿圈加热到22秒时，加热区域变成鲜红色，完全达到淬火温度。加热方式采用同步加热淬火方式。常见的比功率为0.8~1.5kW/cm2。淬火冷却介质:采用霍顿公司生产的AQ251型淬火冷却介质，配比浓度控制在9%~13%(质量分数)。

(3)测试结果

金相检验和尺寸检验完全符合技术要求。齿根硬化层深度为2.5 ~ 4.0毫米，齿跳动小于< 0.05毫米，齿廓跳动小于< 0.04毫米，圆周累积误差小于< 0.1毫米

采用先进的技术和设备控制齿圈失真

1.采用齿圈模压感应淬火回火新技术，控制高精度齿圈变形。

(1)最新感应加热成型淬火技术

德国EMA最新的模具淬火工艺结合了感应淬火和压力淬火的优点。它的主要优点是:热量直接在齿轮内部产生，无热传导损失，加热时间短，节能；加热淬火速度快，过程容易控制，重复性好；易于形成高效率的生产线；无污染；热处理变形小，齿轮最终尺寸精度高；硬化层分布均匀。

该技术已成功应用于汽车零部件行业。适用于中碳钢齿轮和渗碳齿轮的直接淬火，包括齿轮(环)、锥齿轮、同步环等高精度环形件。

(2)工艺流程

图9是热处理变形齿圈模压感应淬火的流程图。即畸变齿圈固定在非导磁定心夹紧装置上(步骤1，夹紧装置有强力底模和上模)；通过电磁感应加热到900℃左右(第二步，加热温度取决于材料，可通过红外测温仪监控)；保温一定时间后，齿圈达到相同或均匀的温度，压制上下模(步骤3)；立即向齿轮喷洒淬火冷却介质(步骤4)；在步骤4中淬火之后，不需要模压装置。将传感器移动到齿圈和校准心轴的组合位置(步骤5)；然后，齿圈被回火和加热(步骤6)；随着温度的升高，齿圈略微膨胀，产生非常小的间隙(步骤7)；从心轴的另一端拉出齿圈(步骤8)。校正芯轴(不锈钢制成)可有效防止齿圈收缩。

(3)工艺参数和结果

工艺参数和结果见表2。从表2可以看出，齿轮变形小:同心度< 0.03毫米，圆度< 0.03毫米，平面度< 0.05毫米

2.非对称薄壁齿圈化学热处理变形的控制方法

薄壁齿圈尺寸φ162mm(外径)× φ 111.4mm(内径)×48mm(厚度)，材质20CrMnTi钢。技术要求:碳氮共渗层深度0.6 ~ 1.0毫米，表面和芯层硬度分别为58~64HRC和35~48HRC，内孔圆度小于0.10毫米。

(1)原始设备、工艺和齿圈变形

原热处理采用连续渗碳炉和碳氮共渗工艺:强渗碳880℃→扩散860 ℃→冷却淬火840℃。由于齿圈，结构复杂、壁薄、不对称，碳氮共渗淬火后内孔圆度≥0.12mm，变形超差。

(2)改进热处理设备和工艺

设备采用2-1-1多用炉生产线，设备温度和碳势控制均匀准确。渗碳层越浅，碳势越低，畸变越小，渗碳层被精确控制在0.6 ~ 0.7毫米，金相组织被控制在1~2级。

共渗工艺:860℃强渗→860℃扩散→830℃冷却淬火(淬火采用金域Y35-ⅰ等温分级淬火油)。经检验，内孔圆度控制在< 0.10mm以内，合格。

3.采用40Cr钢高频淬火方法代替20CrMnTi渗碳淬火，减少内齿轮变形。

联合收割机内齿轮尺寸为φ315mm(外径)× φ 268.2mm(内径)×36mm(宽度)，材料为20CrMnTi钢，模数为4mm，技术要求为:热处理后大端面平面度小于< 0.2mm；内孔圆度≤0.3毫米；渗碳层深度为0.9 ~ 1.3毫米；齿轮硬度为59~63HRC。

(1)原始流程和齿圈失真问题

原工艺:粗加工→渗碳→精加工→二次加热淬火。热处理后内孔变形大，内孔圆度在0.35-0.80mm之间，变形超差。

(2)改进工艺和试验结果。

齿轮材质的改进:经主机厂同意，决定使用40Cr钢。首先进行整体调质处理，保证齿轮中心的硬度(强度)，然后对齿进行高频淬火，保证变形不超差。新技术要求:齿坯调质硬度为269 ~ 289 hbw齿轮高频加热淬火后的硬化层为1 ~ 1.5mm；齿面硬度为50~54HRC。新工艺:齿坯粗加工→调质→精加工→高频淬火。试验结果:通过多次冷热加工配合试验，调整了热处理前内齿轮参数M值，高频淬火后满足技术要求。用40Cr钢高频淬火代替20CrMnTi渗碳淬火也降低了成本，装车后应用效果良好。

失真校正方法齿圈

齿圈淬火后椭圆的修正方法如下:

(1)椭圆热点校正方法

热点修正法是基于在齿圈外圆的凸起部分(椭圆长轴点)加热，并立即快速冷却，使凸起部分因冷缩而变小的原理。热点校准可以通过乙炔氧或丙烷氧火焰加热来校正。

(2)具体操作

具体而言，在椭圆长轴外径的对称部分有两个热点，在椭圆短轴内径的对称端有一个热点。热点后应立即快速冷却(如水冷等)。).如果椭圆度过大，可以先用加热反击法粗略校正，再用热点校正法校正，这样可以得到满意的结果。最后在170~200℃×1h的低温下回火并复检。

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