袁岳東
（常熟天地煤機裝備有限公司）

某短壁采煤機調高齒條如圖所示，是一個典型的極容易彎曲變形的軸類零件。該齒條設計精度高，加工難度大，必須對加工基準、齒形加工及熱處理工藝進行分析和控制，特別是在齒條滲碳和淬火及冷處理過程中的變形進行分析和控制。由于該材料的淬透性很高，齒條又是單面齒形，變形無法避免。

滲碳淬火后一般用冷校直的方法進行修正，由于是滲碳整體淬火不管是齒條表面還是心部硬度多很高，在校直時容易產生微裂紋甚至發生斷裂。同時由于變形大，冷校的效果不理想，采用預留加工余量的方式來修正消除變形量，Z終使齒條有效硬化深淺不一，硬度不均勻度加大，殘余應力分布不均勻等問題，影響Z終的制造精度、降低承載能力和使用壽命，滲碳和淬火過程中產生的變形控制已成為齒條制造過程中的技術關鍵之一。
1.齒條熱處理變形現狀
（1）齒條技術要求
材料為18Cr2Ni4WA，長1836mm，直徑245mm，模數25，齒數21.5，齒距78.54mm，齒距偏差±0.03mm，精度等級7GK GB/T 10096—1988。齒面滲碳淬火，有效硬化層2.50～3.00mm。淬火硬度56～60HRC，心部硬度35～41HRC。
（2）齒條加工工藝路線
下料→鍛造→正火+回火→車→消應力→銑→滲碳+淬火→磨外圓→車→磨平面→精銑（齒形）→鉗→檢驗。
（3）熱處理變形狀態
該齒條為長軸類非對稱齒輪滲碳件。2.0t吉埃斐密封箱式多用爐生產生產線設備，齒面朝上水平3點支撐放置滲碳淬火。在熱處理過程中受熱應力、組織應力以及附加應力等綜合作用的結果，齒條變形很大，并且呈扭曲變形，齒條變形情況：齒條呈齒面方向向上翹曲呈凸面歪曲，歪曲變形量在1.55～7.80mm；小平面側彎在0.58～1.20mm，呈凹面；齒條長度方向總體縮短，縮短量在0.85～1.80mm；棒間距呈不同程度增大，增大在0.40～0.78mm；軸徑呈脹大趨勢，脹大在0.35～0.55mm。
2.齒條變形原因
（1）熱應力引起的變形
熱處理工件變形的變化是由于內應力和外應力綜合作用形成的，在加熱和冷卻過程中工件的各部分溫度差異，熱脹冷縮不均，內部就產生了內應力。該齒條形狀相對復雜（底部及單側為平面，齒底部到軸中心線很近）、齒部表面積明顯大于下平面、又是不對稱結構工件，在加熱和冷卻過程中產生的內應力更大。當應力值超過材料的屈服強度，就要發生塑性畸變，由此發生工件產生翹曲、扭曲等變形。加熱溫度越高，熱應力越大，變形越大；冷卻速度越快，變形越大。在熱應力占主導時，工件向快冷面齒面凸起歪曲。
（2）組織應力引起的變形
組織應力引起變形是由零件在滲碳、淬火、冷處理過程中由于組織轉變所造成組織比容（體積）變化的不一致所造成的，組織改變引起的體積變化可見表1。
馬氏體轉變時的體積變化將產生不同的相變畸變量，這就可能造成不同的變形量，鋼中含碳越高，則轉變馬氏體時的比體積變化越大，見表2，即膨脹量越大。奧氏體中含碳量越高，變形越大；形成的馬氏體量越多，變形越大；殘留奧氏體和未溶碳化物越少，變形越大。

表1  鋼淬火、回火時的體積變化（計算值）

注：wC表示淬火鋼馬氏體中的含碳量（質量分數，%）。 

（3）殘余應力引起的變形
鍛造造成的應力、機械加工（車削 、銑齒）造成的加工應力，如果在熱處理前不采取措施預以消除和減少，在滲碳淬火過程中，必將加大齒條熱處理變形。
（4）滲碳淬火過程引起的變形
齒條采用航空滲碳材料18Cr2Ni4WA制造。由于含有較多的鉻、鎳、鎢合金元素，抑制了過冷奧氏體向珠光體轉變的速度，因而淬透性極大，滲碳淬火后，強度和韌性都極好。該材料在滲碳處理后，表層的碳與合金元素大量溶入到奧氏體中，顯著提高了奧氏體的合金度，貝氏體轉變曲線大大右移，在空冷條件根據裝爐及齒輪尺寸也能轉變成含量不同的貝氏體和馬氏體，由于工藝的復雜性，該材料制造的齒輪在熱處理后變形比較大，這是由于齒輪經過多次加熱與冷卻，因此變形比較大。滲碳后的滲層的Ms溫度點從滲碳前的310℃下降到80～90℃。這種滲層與心部所含碳量差異使淬火時產生心表馬氏體轉變的倒逆順序。這種相變順序有時受到齒輪尺寸、裝爐方式條件及冷卻條件的影響而改變，所以使齒條在熱處理時產生的應力變得相當復雜，齒輪變形程度也變得比較離散。
齒條滲碳淬火冷卻時，由于表層高碳的緣故，使的馬氏體轉變點（Ms）變的很低，而心部馬氏體轉變點仍然在較高點，一般情況下，在尺寸不大時，冷卻速度較大的情況下，心部低碳的奧氏體首先向低碳的貝氏體及馬氏體轉變，體積增大，而此時，高碳的表層組織從高溫的淬火溫度到Ms溫度點時是以熱應力為主的熱脹冷縮區，兩者之間產生較大的內應力，導致齒條的兩對應面產生歪曲應力而變形，變形趨勢有齒一面呈凹陷，雖然其后溫度降到表面較低的Ms以下時，發生馬氏體相變而發生體積增大，但由于心部已形成強度較高的貝氏體及馬氏體，阻礙了變形的發展，使變形維持到低溫。
然而，事實上，本項目齒條的截面積比較大，又是高淬透性材料，其彎曲變形是齒面呈向上拱起的。在實際冷卻過程中，輪齒表面要比心部及齒對面平面首先發生馬氏體轉變，這是由于齒部冷卻明顯快于對面平面冷卻速度。加上表面積又大，使馬氏體轉變速度和數量要快和多，馬氏體轉變引起的體積膨脹量要明顯高于對面平面，在熱應力、組織應力綜合作用下的齒條向有齒的一面向上拱起彎曲。由于內外Ms溫度點的差異，此時心部的冷卻速度也足以發生馬氏體轉變，因而心部的體積膨脹使齒輪表面形成殘余拉應力狀態，這種拉應力更一步加急了齒條變形。再者心部低碳馬氏體的體積變化遠小于表層先已經形成的高碳馬氏，表層高碳馬氏體有很高的屈服強度，不足以引起塑性壓縮而使變形反向，Z后變形仍然保持在齒面拱起變形。
3.減少和控制齒條滲碳淬火變形的措施
（1）機械加工工藝優化
為降低齒條滲碳淬火側彎的變形，對機械加工工藝進行了優化，齒條側面小平面在滲碳淬火后再在立式加工中心上進行銑削，通過試驗，齒條側彎控制在0.30～0.50mm，變形量明顯改善。
（2）增加中間消應力
鋼件在熱處理淬火中產生的變形與開裂原因是比較復雜的，由于機械加工應力增大了熱處理淬火變形，而使工件尺寸超差產生廢品的情況時有發生。工件經機械加工后，其表面層都存在殘余應力。有殘余應力的零件處于一種不穩定狀態。一旦其內部的平衡條件被打破，內應力的分布就會發生變化，從而引起新的變形，特別是幾何形狀不對稱零件在熱處理時更易產生翹曲變形。為控制減少熱處理變形在齒條銑齒加工后滲碳前增加一道550℃的消應力處理。
（3）優化熱處理工藝
低的淬火加熱溫度，高的冷卻介質溫度可以有效減少和改善淬火變形量，將齒條淬火溫度從790℃±5℃降低到770℃±5℃，淬火冷卻介質溫度從60℃提高到85℃。
（4）預加應力，約束變形淬火
為控制齒條變形量，利用正反向應力的相互抵消作用，在齒條淬火時，齒面上方中間預加一定壓力進行約束變形淬火。根據齒條在高、低溫下的熱強度計算結合齒條變形數據，在齒條淬火時增加420kg左右的配重壓力可以明顯減小和控制齒條的翹曲及彎曲量，試驗證實，齒條直線度在0.35~0.85mm，符合精加工前變形量要求。
4.結語
控制長軸類非對稱齒輪滲碳淬火變形是一個復雜的系統工程，也是熱處理工作者的永久課題。
（1）齒條側平面安排在滲碳淬火后加工能有效控制齒條側彎變形量。
 （2）增加消應力及調整淬火工藝參數對改善齒條變形有效。
 （3）從試驗結果來看，采用預加應力約束變形淬火方法對減小和控制齒條滲碳淬火彎曲變形量是切實可行的。該工藝技術對其他非對稱軸桿類零件滲碳淬火變形控制有一定的參考價值。

來源：《金屬加工：熱加工》2017年 第7期