齿轮轴渗碳热处理工艺研究

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电圆锯主要用于切割钢件，渗碳齿形轴是电圆锯中的重要零件。由于渗碳齿轮轴在工作中需承受转矩、冲击及磨损，因此要求具有较高的硬度、耐磨性和疲劳强度极限，一般采用低碳合金钢制造。经实际验证，20CrMnTi材料热处理性能优于20CrMo，但存在着变形现象，为此进行分析变形产生的根本原因，并采取控制措施，为解决其它渗碳淬火零件的变形提供参考。

1 材料选用

电圆锯齿轮轴最初选用20CrMo材料，技术要求为表面硬度HV（10）680～820，有效硬化层深0.2～0.5。实际经热处理加工后表层至芯部过渡区及芯部硬度偏低，检测芯部硬度为296HV（1），低于JB/T7516—1994标准规定的心部硬度值为30—45HRC要求。

用户经耐久试验测试，轮齿有早期磨损现象，齿面呈剥落状裂纹。分析认为心部硬度低是由于心部未淬透，心部组织中铁素体量太多，使得表面渗碳硬化层与心部的过渡区太陡。在高的交变应力作用下，表面与心部交界处产生裂纹，逐渐扩展，容易产生深层剥落现象。因此20CrMo材料渗碳淬火处理无法满足性能

要求。

为改进淬透性，材料变更为20CrMnTi，热处理工艺采用原20CrMo材料使用的工艺。经实际热处理加工后验证各项指标均符合要求。总体反映20CrMnTi材料热处理性能优于20CrMo。

2 变形形式及原因

2.1 变形形式

渗碳齿轮轴的热处理指标均合格，但在啮合检测时径向综合总偏差Fi″严重超差，结合齿圈径向跳动Fr检测得出：热处理过程存在严重变形，通过100件试验件热处理前后数据收集的状态分析，其变化趋势无规律可循。

2.2 原因分析

渗碳齿轮轴经渗碳淬火后的变形是齿轮在热处理过程中产生的，但变形产生的根本原因，主要取决于材料、形状及整个工艺过程的质量。因此要控制好热处理变形，不仅要在热处理时控制，而且要在齿轮的结构设计、材料的选用以及热前热后的制造过程都需要采取有效措施才能较理想的控制齿轮轴变形。

2.2.1 材料分析

20CrMnTi是含碳量0.17%—0.24%亚共析合金结构钢，钢中的Cr、Mn、Ti元素淬透性较高，是中淬透性钢。特别是由于含有强碳物形成元素Ti，使奥氏体均匀化温度增高，在更高加热温度条件下仍可保持细晶粒状态，这对选择较高的渗碳温度来加快渗透，降低生产成本有利。经渗碳淬火后在保证淬透情况下，该材料不仅具有硬而耐磨的表面，芯部也具有较高的强度，特别是具有较高的低温冲击韧性.、良好的加工特性、加工变形微小，抗疲劳性能相当好等优点，是性能良好的渗碳钢。

20CrMnTi为热加工性能优良的渗碳钢，但我国钢材由于受多重因素影响，如不同的产地、不同的冶炼方法、不同的质量类别、不同的供货形式都影响着材料的内在质量，如化学成分、淬透性、晶粒度、原始组织、纯净度等。因此在材料成分波动大，淬透性带宽，夹杂物多的状态时会明显造成齿轮轴热处理变形大，寿命低等缺陷。

2.2.2 结构分析

零件的形状是影响其热处理变形程度和变形趋势的一个很重要的因素，电圆锯渗碳齿轮轴零件由于其结构不对称，各截面尺寸落差较大。淬冷时各部位冷却速度不同，截面上淬硬层深度及硬度分布不均匀，应力场的性质不同，因此不同截面在热处理时的胀缩量不均衡，致使零件产生翘曲、弯曲和各种扭曲变形。

3 改进措施

在实际生产中，由于对材料采购很难有较高的协调能力，因此只有在热处理本身环节等方面采取一些措施来加强对齿轮热处理变形控制，这也是国内齿轮行业的通常做法。

3.1 进行预处理

预处理目的是获得均匀细小的组织，彻底消除应力。电圆锯齿轮轴在粗加工后进行严格的中温消除应力，采用450℃保温2小时的回火工艺，消除机加工的残余应力，同时可以细化组织，使晶格歪扭消除，减少淬火后变形。

3.2 改进渗碳淬火工艺

图1 改进后工艺

通过在渗碳淬火前增加730℃×30min的预热等温处理，更进一步消除残余应力，细化组织，减少淬火过程的组织应力和热应力，同时增强了淬火过程中钢对变形的抗力，这些都有助于减少淬火变形。

4 改进效果

通过对热处理前后产品齿圈跳动（Fr）指标数据的对比，可以看出，在采取以上改进措施后，Fr的变化幅度明显减小，并且

变化趋势能稳定在一定数值区域。

5 结论

电圆锯渗碳齿轮轴选用20CrMnTi材料心部硬度有所提升，但存在严重变形，为此进行原因分析，得出影响热处理的因素。并针对这些因素提出具体改进措施，通过实例证明这些改进方法是成功的，为解决其它渗碳淬火零件的变形提供了参考。

参考文献

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