齒輪熱處理變形，特別是滲碳淬火齒輪內花鍵的變形，一直以來是我公司老大難的技術問題之一，為了解決這一問題，長期以來我們在變形的防治上投入了大量的人力、物力、財力。由于方法欠妥，未能從根本上進行防治，所以收效甚微，報廢率居高不下，對生產帶來了很大影響。帶著滲碳淬火齒輪內花鍵變形的這一問題，結合我公司的具體情況，經長期反復思考和探索，并通過向國內、外知名的熱處理專家以及國內大型齒輪制造廠請教和學習，對我公司滲碳淬火齒輪內花鍵變形的原因有了清楚的認識，針對變形的原因提出了減小變形的對策和防治措施。現分述于下：

 

一、 我公司滲碳淬火齒輪內花鍵變形的主要原因

 

1、 齒輪所用的材料20Cr2Ni4A

 

合金元素的含量高達5.35%，該鋼材為高淬透性的滲碳鋼（屬典型的馬氏體鋼）。淬透性對畸變影響很大，淬透性越高，畸變量越大。我公司加工齒輪所用的材料是美國TEREX所指定的材料，對于所用的材料我公司無權更改。

 

2、淬火油的問題：

我公司密封箱式多用爐所用的淬火油為HOUGHTO-QUENCH K(美國好富頓K油)，K油冷速最高可達到110℃/S，因此，可以肯定的說，對于20Cr2Ni4A材質選用K油進行淬火是個典型的原則上的失誤（也包含G油在內，G油的冷速也可以達到100℃/S，冷速也快）。由于在馬氏體相變點附近，K油冷卻速度過快，加上20Cr2Ni4A鋼材的高淬透性，淬火中馬氏體轉變過于迅猛，轉變時體積迅速發生膨脹，因而產生很大的內應力，從而引發齒輪內花鍵的變形加劇，導致內花鍵橢圓、錐度、不圓柱度的嚴重變形。變形最多時錐度和不圓柱度將近0.3（mm），橢圓將近0.15（mm），無法裝配使用。這也是長期以來困擾我們的主要原因。

3、我公司密封箱式多用爐淬火油槽內的攪拌問題

對于齒輪鋼材淬透性差的時候，就希望攪拌的力度要快一些，提高淬火烈度；對于變形要求小的工件，要求攪拌力度要慢一些，降低淬火烈度。由于我公司用油不當，再通過攪拌冷卻會使淬火介質冷速更高，加劇變形，在這種情況下，應停止攪拌。

二、 我公司滲碳淬火齒輪內花鍵變形的原因之一——齒輪結構設計上引發的變形

從結構的特點上分析可知，見圖1所示：

①A端和B端在形狀上不對稱

②工件壁厚不均

因此，變形是絕對的。由于結構上美國TEREX在設計上已成定局，因而要求熱處理盡最大努力將這種特定結構所引發變形量應控制到最小程度。即花鍵的變形量要控制在公差之內。

三、 從訂購鋼材說起——也是造成變形的原因之一

1、齒輪的心部硬度：

我公司滲碳淬火帶內花鍵齒輪所用的鋼材為20Cr2Ni4A，屬高

淬透性滲碳鋼，滲碳淬火后心部硬度為44-46HRC。美國所用鋼材為3316（相當我國20Cr2Ni4A），滲碳淬火后心部硬度為38.5-41.5HRC。國內、外齒輪行業公認最佳的心部硬度為38-42HRC，心部硬度低了也不好，高了也不好。

心部硬度的高低，主要取決于含碳量的高低，美國的3316含碳量偏低。

 

2、心部硬度高的弊端：

① 心部硬度高，在齒根部位殘余壓應力低。

② 心部硬度高，變形大。

③ 心部硬度高，耐沖擊性能下降。

3、建議訂鋼材時：

① 控制碳含量靠近下限，以利于降低心部硬度和減小變形。

② 為了減小齒輪和內花鍵的變形，淬透帶寬不得大于6HRC。

③ 鋼材應為本質細晶粒鋼，晶粒度≥5級。

四、選擇淬火介質的原則

1、滲碳后的齒輪對淬火介質的要求

① 達到要求的表面硬度和心部硬度。

② 達到要求的有效硬化層深。

③ 盡量小的淬火變形。

2、為了滿足以上三個要求，通常可按以下原則合理選擇淬火介質

① 鋼材的含碳量：

齒輪鋼材含碳量與心部硬度有關，心部含碳量越低，要求淬火油的冷卻速度就越高。

② 鋼材的淬透性：

齒輪鋼材淬透性越高，淬火油的冷卻速度就可以低些。

③ 齒輪的有效厚度：

齒輪的有效厚度越大，要求淬火油冷卻速度就越高。

④ 齒輪的結構形狀：

齒輪結構形狀越復雜，要求淬火油的冷卻速度就越低。

五、 根治措施——選用合適的淬火介質

在馬氏體相變點附近，要求具有緩慢的冷速，以適應微小變形的淬火冷卻，因此選用美國好富頓等溫分級淬火油MAR-TEMP 355。使變形能夠進入尺寸公差之內。

1、MAR-TEMP 355分級淬火油的特點：

①MAR-TEMP 355是好富頓熱油系列中的一種等溫分級淬火油，最高冷速可達76℃/S，使用溫度110-150℃，油溫升高將顯著加快油品的老化，推薦溫度為110-130℃。

②要求微小變形量的滲碳整體工件的馬氏體分級、等溫淬火。由于是熱油淬火，所以冷卻速度比較溫和、緩慢，因此，淬火的變形量相比之下要小得多。

③適用于高淬透性的滲碳鋼，以保證心部的強韌性和足夠的心部硬度。對于淬透性低的滲碳鋼，盡管滲碳淬火后后變形比較小，但心部強韌性和硬度難于得到保證。

2、級淬火對減小齒輪錐度和橢圓變形的實際效果，等溫分級淬火油的變形量顯著小于油淬的變

形量。

3、根據美國好富頓提供的資料顯示：

滲碳淬火齒輪內花鍵用分級淬火油MAR-TEMP 355淬火是K油淬火變形量的1/3。

4、換油所面臨的實際問題

①我公司僅有一臺箱式密封多用滲碳爐，爐內裝的淬火介質為好富頓K油。在滲碳齒輪內花鍵淬火用油方面，沒有選擇的余地，往往是顧此失彼，工藝上不合理。

②南高齒是一臺滲碳爐配有四個淬火油槽，見圖4所示，呈方陣形布置，根據齒輪所用鋼材的淬透性的不同，而選用最為合適的淬火油，這種結構不但工藝上非常合理，而且在防治齒輪內花鍵變形方面收到了很好的實際效果，南高齒的經驗值得我公司借鑒和學習。

③北京機電研究所所長、中國熱處理學會理事長徐躍明教授；哈爾濱工業大學博士生導師、中國熱處理學會副理事長閆牧夫教授；鄭州機械研究所總工程師、碩士生導師、太重院士工作站首席專家陳國民教授；美國好富頓上海工業介質分公司技術經理姚繼洪高工分別向我公司建議：“根據匯工的實際情況，由于涉及內花鍵滲碳淬火變形工件較多，另買一臺滲碳爐，淬火介質選好富頓MAR-TEMP 355等溫分級淬火油，是最為理想的配置”。我希望這一建議能得到公司領導的認可、采納和落實。

六、尚未換油之前，減小滲碳淬火內花鍵變形的工藝措施

1、要求調質的淬火溫度比滲碳淬火溫度高30℃。

2、降低第二次高溫回火的出爐溫度（350℃即可）。

3、降低淬火溫度，爐內預冷至810-790℃后淬火。

4、停止淬火油槽的攪拌，淬火1分鐘后再攪拌。

5、適當提高淬火油K油或G油的油溫，達到淬火時適當降低冷速，減小變形的目的。