2024年4月23日发(作者：钟怀玉)
齿轮渗碳淬火变形控制
张艳红
【摘 要】介绍了渗碳淬火热处理工艺对齿轮变形的影响、减小齿轮渗碳淬火变形
的控制措施和苏冶重工齿轮渗碳淬火变形控制实例.
【期刊名称】《现代冶金》
【年(卷),期】2012(040)004
【总页数】3页(P17-19)
【关键词】渗碳淬火;变形控制;冷、热工艺配合;装炉方式
【作 者】张艳红
【作者单位】宝钢集团苏冶重工有限公司,江苏苏州215151
【正文语种】中 文
【中图分类】TG156.8+1
引 言
在硬齿面齿轮的制造中,渗碳淬火是主要的热处理工艺方式,但齿轮经渗碳淬火后易
产生变形。影响齿轮渗碳淬火变形的因素有很多,主要包括齿轮的结构设计、原材
料质量、锻造质量、毛坯的预备热处理、机械加工(包括冷热工艺配合)及渗碳淬火
工艺等。 各因素间相互影响,难以控制,变形控制已经成为国内外齿轮制造中的技术
难点之一。 但齿轮变形趋势方面也存在着一定的规律,所以在控制变形的措施上也
是有许多共性的。宝钢集团苏冶重工有限公司(以下简称“苏冶重工”)采用多种方
法减小变形,或根据变形规律采取反制措施控制齿轮的渗碳淬火变形。
1 渗碳淬火热处理工艺对齿轮变形的影响
1. 1 锥度
因为工件的自重和长时间高温状态下的加热,导致齿轮渗碳后出现齿顶圆上端小、
下端大的锥度。
1. 2 公法线和齿顶圆胀大
齿轮渗碳淬火除齿部外都免渗碳,采用涂料保护。渗碳淬火后因渗碳层组织的转变、
比容增大造成了齿轮公法线和齿顶圆胀大。
1. 3 椭圆度
因材质不均匀、加热和冷却不当,造成热处理时的不均匀胀缩而形成椭圆。
1. 4 端面挠曲
齿轮放置不平或等高垫圈变形而未垫平,易导致端面挠曲变形。
1. 5 螺旋角变形
斜齿轮左右齿面和齿宽方向的冷却不均匀性导致了螺旋角变大,“左旋向左、右旋
向右”是斜齿轮渗碳淬火后齿向变形的规律。
2 减小齿轮渗碳淬火变形的控制措施
2. 1 齿坯粗车后预备热处理工艺的控制
齿坯粗车后要经过预备热处理,通常采用的是正火处理,通常被视为是一种不重要的
辅助工序。但齿坯经正火处理后内应力消除不彻底,易出现硬度和组织不均匀,会给
渗碳淬火后的变形带来很大影响。 为此,齿坯重叠装炉时,上下左右每件之间要用等
高块隔开并保持一定间距,加热后在空气中均匀冷却。正火后还需高温回火,以达到
消除内应力和使硬度、组织均匀的目的。
2. 2 齿轮渗碳淬火变形的控制
2. 2. 1 改进装炉方法
根据齿轮变形趋势制定装炉方法。
(1)对盘形圆柱齿轮可重叠装炉,上、下齿轮之间用等高垫圈均布分隔,等高垫圈支承
点位置分布合理,每叠等高垫圈支承点应在同一垂直线上。
(2)对直径小于350 mm的锥齿轮或薄盘类齿轮采用悬挂装炉,其齿轮变形要比平放
装炉小得多。
(3)对齿轮轴可利用轴颈台阶放置于轴套上,应尽量使齿轮轴处于垂直状态。
(4)等高垫圈与齿轮或吊具不平之处用薄铁片垫平,不宜采用斜楔和标准垫片。
(5)重叠装炉齿轮上下左右间距≥50 mm,以保证渗碳时气流和温度均匀、淬火冷却
时淬火介质流动畅通、冷却均匀。
(6)齿圈可以多个重叠装炉,中间用等高块隔开。淬火单件装炉,如装二件要分二层单
独装夹,不能重叠装炉。
2. 2. 2 大型齿轮(包括焊接齿轮)或齿圈加热和冷却速度控制
大型齿轮(包括焊接齿轮)或齿圈要控制加热和冷却速度,加热时采用分段升温(650 ,
820°C二段),保温后再升温至920°C,渗碳结束后降温至860°C,然后风冷至450°C
出炉空冷,这样可以减小因快速加热或快速冷却引起的热应力增大,从而减小变形。
2. 2. 3 淬火冷却控制
淬火槽的冷却搅拌泵须运行正常,且产品入油前后始终搅拌,保证冷却油有序滚动。
促使齿轮或齿圈圆周均匀冷却,减小淬火变形。
2. 2. 4 渗碳层深度和渗碳层碳浓度的控制
渗碳层深度和渗碳层碳浓度会对渗层组织的膨胀系数产生影响,渗碳后若表面形成
不良碳化物分布,将增加齿形、齿向及花键孔变形。 因此必须控制渗碳时的碳势,以
防止表面碳浓度过高。渗碳层深度越厚、变形越大,因此应使渗碳层深度控制在技
术要求的合理范围内。
2. 3 反制措施
2. 3. 1 齿顶圆和公法线胀大
齿顶圆根据齿轮厚度和直径大小,预留3～ 4 mm胀量,公法线根据模数和直径大小
预留合适胀量。
2. 3. 2 螺旋角变形
根据斜齿轮渗碳淬火后“左旋向左,右旋向右”齿向的变形规律,热前适当地减小角
度。
3 苏冶重工齿轮渗碳淬火变形控制实例
苏冶重工齿轮类产品结构为多品种、小批量,因此本文只对部分重点产品及部分稍
有批量生产的产品进行分析。
3. 1 齿圈
齿圈模数14,工件尺寸Φ1 949 mm×Φ1 600 mm×260 mm,材料为20CrMnM o,
数量2件。渗碳时2件重叠装炉,中间用等高垫圈隔开,单件加热淬火。 热前齿顶圆
减小2 mm,公法线比成品大0. 29 mm,螺旋角热前减小1'30”。
渗碳淬火结果： 采用优化工艺后,齿顶圆椭圆度、端面跳动、公法线椭圆度的效果
均达到预定的技术要求。
3. 2 中间轴
中间轴模数8,工件尺寸Φ187 mm×L525 mm,轴颈放余量1. 2～ 1. 4 mm,材料
17Cr2Ni2M o, 数量40件,试验不同装炉方式对齿轴弯曲和公法线变形影响。装炉
方式如图1,2所示。
图1 齿端朝下装炉方式
图2 齿端朝下装炉方式
渗碳淬火结果：本次试验齿轴在渗碳淬火时采用齿端朝下或齿端朝上两种方式装炉
变形相差不大,都在变形允许范围内,如果装炉时齿端上下错开,可增加装炉量。
3. 3 斜齿轮
斜齿轮模数8,工件尺寸Φ445 mm× 80 mm,材料17Cr2Ni2M o,数量40件。试
验不同装炉方式对齿轮齿顶圆上、下锥度变形的影响,该变形导致齿轮端面的挠曲
变形不同,加工后出现黑皮。装炉方式如图3～ 5所示。
图3 在辐板用等高垫图分隔
图4 在小端面用等高垫图分隔
图5 在小端面和齿端面用等高垫图分隔
渗碳淬火结果：用图3, 4两种装炉方式,只有1件齿轮锥度在0. 1 mm内,这说明
齿端两平面变形较大,从锥形趋势来看与装炉方式完全吻合。当在幅板上用等高垫
圈分隔时,受力点在外侧,所以中心由于自重下沉,锥度为上小下大；而当在小端面上
用等高垫圈分隔时,受力点在中间,所以外侧由于自重下沉,锥度为上大下小。 从两
种装炉方式还可以看出,在下面用等高垫圈分隔时,外侧受等高垫圈位置影响冷却不
太均匀,所以椭圆度大。
若采用图5所示装炉方式,同时在小端面和齿端上用等高垫圈分隔方式装炉,既考虑
到外侧又考虑到中心,因此受力均匀,对减小锥度有利。 热处理后淬火变形符合预定
的技术要求。
3. 4 内外齿齿轮
内齿轮模数8、外齿轮模数10,材料20Cr2Ni2 Mo,工件尺寸Φ846. 9 mm×Φ601.
5 mm× 160 mm,整个齿轮呈齿圈形状,因此变形很难控制。尤其是齿顶圆、内孔
的胀大、椭圆度和平面偏摆都严重影响齿面磨削余量,为此需采取多种措施来控制
变形。
(1)预备热处理用调质工艺代替正火工艺,以减小变形。
(2)冷热工艺配合,预留合适的加工余量。外齿轮公法线预留0. 4 mm、内齿轮公法
线预留1. 2 mm,因热处理后内外圆都胀大,外齿轮胀大增加公法线余量、内齿轮胀
大减少公法线余量,因此内齿轮公法线余量要大一些。
(3)内外齿分别进行粗滚齿和粗插齿后,增加了去应力工序,有利于减少变形。
(4)热处理渗碳装炉采用工字型夹具6点均匀支撑,单件装炉,减少了变形。
渗碳淬火结果：内外齿齿轮的平面偏摆≤0. 40 mm,公法线胀大0. 26～ 0. 41 mm,
内孔胀大0. 79～1. 13 mm、椭圆度0. 34 mm,齿顶圆胀大0. 72～ 1. 15 mm、
椭圆度0. 43 mm,由此可见,内孔和外圆胀大量和方向基本一致,内外齿齿轮的变形
得到了有效控制。
4 结束语
不同结构产品在渗碳淬火后有不同的变形类型和变形量,且影响因素复杂,但仍有一
定的规律和共性,根据这些规律和共性可以采取相应的措施来控制渗碳淬火产生的
变形,使其达到预期的控制要求。
2024年4月23日发(作者：钟怀玉)
齿轮渗碳淬火变形控制
张艳红
【摘 要】介绍了渗碳淬火热处理工艺对齿轮变形的影响、减小齿轮渗碳淬火变形
的控制措施和苏冶重工齿轮渗碳淬火变形控制实例.
【期刊名称】《现代冶金》
【年(卷),期】2012(040)004
【总页数】3页(P17-19)
【关键词】渗碳淬火;变形控制;冷、热工艺配合;装炉方式
【作 者】张艳红
【作者单位】宝钢集团苏冶重工有限公司,江苏苏州215151
【正文语种】中 文
【中图分类】TG156.8+1
引 言
在硬齿面齿轮的制造中,渗碳淬火是主要的热处理工艺方式,但齿轮经渗碳淬火后易
产生变形。影响齿轮渗碳淬火变形的因素有很多,主要包括齿轮的结构设计、原材
料质量、锻造质量、毛坯的预备热处理、机械加工(包括冷热工艺配合)及渗碳淬火
工艺等。 各因素间相互影响,难以控制,变形控制已经成为国内外齿轮制造中的技术
难点之一。 但齿轮变形趋势方面也存在着一定的规律,所以在控制变形的措施上也
是有许多共性的。宝钢集团苏冶重工有限公司(以下简称“苏冶重工”)采用多种方
法减小变形,或根据变形规律采取反制措施控制齿轮的渗碳淬火变形。
1 渗碳淬火热处理工艺对齿轮变形的影响
1. 1 锥度
因为工件的自重和长时间高温状态下的加热,导致齿轮渗碳后出现齿顶圆上端小、
下端大的锥度。
1. 2 公法线和齿顶圆胀大
齿轮渗碳淬火除齿部外都免渗碳,采用涂料保护。渗碳淬火后因渗碳层组织的转变、
比容增大造成了齿轮公法线和齿顶圆胀大。
1. 3 椭圆度
因材质不均匀、加热和冷却不当,造成热处理时的不均匀胀缩而形成椭圆。
1. 4 端面挠曲
齿轮放置不平或等高垫圈变形而未垫平,易导致端面挠曲变形。
1. 5 螺旋角变形
斜齿轮左右齿面和齿宽方向的冷却不均匀性导致了螺旋角变大,“左旋向左、右旋
向右”是斜齿轮渗碳淬火后齿向变形的规律。
2 减小齿轮渗碳淬火变形的控制措施
2. 1 齿坯粗车后预备热处理工艺的控制
齿坯粗车后要经过预备热处理,通常采用的是正火处理,通常被视为是一种不重要的
辅助工序。但齿坯经正火处理后内应力消除不彻底,易出现硬度和组织不均匀,会给
渗碳淬火后的变形带来很大影响。 为此,齿坯重叠装炉时,上下左右每件之间要用等
高块隔开并保持一定间距,加热后在空气中均匀冷却。正火后还需高温回火,以达到
消除内应力和使硬度、组织均匀的目的。
2. 2 齿轮渗碳淬火变形的控制
2. 2. 1 改进装炉方法
根据齿轮变形趋势制定装炉方法。
(1)对盘形圆柱齿轮可重叠装炉,上、下齿轮之间用等高垫圈均布分隔,等高垫圈支承
点位置分布合理,每叠等高垫圈支承点应在同一垂直线上。
(2)对直径小于350 mm的锥齿轮或薄盘类齿轮采用悬挂装炉,其齿轮变形要比平放
装炉小得多。
(3)对齿轮轴可利用轴颈台阶放置于轴套上,应尽量使齿轮轴处于垂直状态。
(4)等高垫圈与齿轮或吊具不平之处用薄铁片垫平,不宜采用斜楔和标准垫片。
(5)重叠装炉齿轮上下左右间距≥50 mm,以保证渗碳时气流和温度均匀、淬火冷却
时淬火介质流动畅通、冷却均匀。
(6)齿圈可以多个重叠装炉,中间用等高块隔开。淬火单件装炉,如装二件要分二层单
独装夹,不能重叠装炉。
2. 2. 2 大型齿轮(包括焊接齿轮)或齿圈加热和冷却速度控制
大型齿轮(包括焊接齿轮)或齿圈要控制加热和冷却速度,加热时采用分段升温(650 ,
820°C二段),保温后再升温至920°C,渗碳结束后降温至860°C,然后风冷至450°C
出炉空冷,这样可以减小因快速加热或快速冷却引起的热应力增大,从而减小变形。
2. 2. 3 淬火冷却控制
淬火槽的冷却搅拌泵须运行正常,且产品入油前后始终搅拌,保证冷却油有序滚动。
促使齿轮或齿圈圆周均匀冷却,减小淬火变形。
2. 2. 4 渗碳层深度和渗碳层碳浓度的控制
渗碳层深度和渗碳层碳浓度会对渗层组织的膨胀系数产生影响,渗碳后若表面形成
不良碳化物分布,将增加齿形、齿向及花键孔变形。 因此必须控制渗碳时的碳势,以
防止表面碳浓度过高。渗碳层深度越厚、变形越大,因此应使渗碳层深度控制在技
术要求的合理范围内。
2. 3 反制措施
2. 3. 1 齿顶圆和公法线胀大
齿顶圆根据齿轮厚度和直径大小,预留3～ 4 mm胀量,公法线根据模数和直径大小
预留合适胀量。
2. 3. 2 螺旋角变形
根据斜齿轮渗碳淬火后“左旋向左,右旋向右”齿向的变形规律,热前适当地减小角
度。
3 苏冶重工齿轮渗碳淬火变形控制实例
苏冶重工齿轮类产品结构为多品种、小批量,因此本文只对部分重点产品及部分稍
有批量生产的产品进行分析。
3. 1 齿圈
齿圈模数14,工件尺寸Φ1 949 mm×Φ1 600 mm×260 mm,材料为20CrMnM o,
数量2件。渗碳时2件重叠装炉,中间用等高垫圈隔开,单件加热淬火。 热前齿顶圆
减小2 mm,公法线比成品大0. 29 mm,螺旋角热前减小1'30”。
渗碳淬火结果： 采用优化工艺后,齿顶圆椭圆度、端面跳动、公法线椭圆度的效果
均达到预定的技术要求。
3. 2 中间轴
中间轴模数8,工件尺寸Φ187 mm×L525 mm,轴颈放余量1. 2～ 1. 4 mm,材料
17Cr2Ni2M o, 数量40件,试验不同装炉方式对齿轴弯曲和公法线变形影响。装炉
方式如图1,2所示。
图1 齿端朝下装炉方式
图2 齿端朝下装炉方式
渗碳淬火结果：本次试验齿轴在渗碳淬火时采用齿端朝下或齿端朝上两种方式装炉
变形相差不大,都在变形允许范围内,如果装炉时齿端上下错开,可增加装炉量。
3. 3 斜齿轮
斜齿轮模数8,工件尺寸Φ445 mm× 80 mm,材料17Cr2Ni2M o,数量40件。试
验不同装炉方式对齿轮齿顶圆上、下锥度变形的影响,该变形导致齿轮端面的挠曲
变形不同,加工后出现黑皮。装炉方式如图3～ 5所示。
图3 在辐板用等高垫图分隔
图4 在小端面用等高垫图分隔
图5 在小端面和齿端面用等高垫图分隔
渗碳淬火结果：用图3, 4两种装炉方式,只有1件齿轮锥度在0. 1 mm内,这说明
齿端两平面变形较大,从锥形趋势来看与装炉方式完全吻合。当在幅板上用等高垫
圈分隔时,受力点在外侧,所以中心由于自重下沉,锥度为上小下大；而当在小端面上
用等高垫圈分隔时,受力点在中间,所以外侧由于自重下沉,锥度为上大下小。 从两
种装炉方式还可以看出,在下面用等高垫圈分隔时,外侧受等高垫圈位置影响冷却不
太均匀,所以椭圆度大。
若采用图5所示装炉方式,同时在小端面和齿端上用等高垫圈分隔方式装炉,既考虑
到外侧又考虑到中心,因此受力均匀,对减小锥度有利。 热处理后淬火变形符合预定
的技术要求。
3. 4 内外齿齿轮
内齿轮模数8、外齿轮模数10,材料20Cr2Ni2 Mo,工件尺寸Φ846. 9 mm×Φ601.
5 mm× 160 mm,整个齿轮呈齿圈形状,因此变形很难控制。尤其是齿顶圆、内孔
的胀大、椭圆度和平面偏摆都严重影响齿面磨削余量,为此需采取多种措施来控制
变形。
(1)预备热处理用调质工艺代替正火工艺,以减小变形。
(2)冷热工艺配合,预留合适的加工余量。外齿轮公法线预留0. 4 mm、内齿轮公法
线预留1. 2 mm,因热处理后内外圆都胀大,外齿轮胀大增加公法线余量、内齿轮胀
大减少公法线余量,因此内齿轮公法线余量要大一些。
(3)内外齿分别进行粗滚齿和粗插齿后,增加了去应力工序,有利于减少变形。
(4)热处理渗碳装炉采用工字型夹具6点均匀支撑,单件装炉,减少了变形。
渗碳淬火结果：内外齿齿轮的平面偏摆≤0. 40 mm,公法线胀大0. 26～ 0. 41 mm,
内孔胀大0. 79～1. 13 mm、椭圆度0. 34 mm,齿顶圆胀大0. 72～ 1. 15 mm、
椭圆度0. 43 mm,由此可见,内孔和外圆胀大量和方向基本一致,内外齿齿轮的变形
得到了有效控制。
4 结束语
不同结构产品在渗碳淬火后有不同的变形类型和变形量,且影响因素复杂,但仍有一
定的规律和共性,根据这些规律和共性可以采取相应的措施来控制渗碳淬火产生的
变形,使其达到预期的控制要求。