齿轮的淬火冷却和变形控制

作者：信息来源:模具 2008-6-2

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摘要：淬火冷却是齿轮生产中的重要工艺，它对齿轮精度和质量有着显著影响，从装夹方式、淬火介质状态以及淬火设备等方面进行改进，力求做到齿轮的均匀冷却，可以大幅度减小齿轮的变形量，并提高其变形规律性。关键词：齿轮。变形中图分类号：TG162。 distortion▲1引言衡...

摘　要：淬火冷却齿轮生产中的重要工艺，它对齿轮精度和质量有着显著影响，从装夹方式、淬火介质状态以及淬火设备等方面进行改进，力求做到齿轮的均匀冷却，可以大幅度减小齿轮的变形量，并提高其变形规律性。
关键词：齿轮；淬火；变形
中图分类号：TG162.73　文献标识码：A
文章编号：1001-3814(2000)01-0027-03

Quenching Process and Distortion Control of Gears

NIU Wan-bin
（Zhengzhou Research Institute of Mechanical Engineering）

Abstract：Quenching is a key process in gear production,and it has noticeable influence on the accuracy and quality of gears.Some improvements on the fixture,　quenchant and quenching tanks will be beneficial to increase the cooling homogeneity between the parts and the locations throughout a gear,therefore,the gear distortion and its repeatability could be improved.
Key words：gear; quenching; distortion▲

1　引言

　　衡量齿轮性能优劣的三大指标是齿轮强度、精度和噪音，而齿轮变形对三大指标都有直接影响。由于齿轮热处理后几何尺寸发生变化，基准面改变，精度等级下降较多，因此热处理变形成为贯彻齿轮精度标准的拦路虎。从家齿轮产品质量检验中心历次抽查结果来看，齿形、齿向等项目的误差仍是普遍存在的共性质量问题。
　　在齿轮的各种热处理工艺中，渗碳淬火齿轮的变形问题最为突出，也最难于掌握。影响渗碳淬火齿轮变形的因素有很多，如化学成分、原材料内在质量、锻造质量、预先热处理、渗碳工艺、淬火冷却以及回火处理等，针对这些问题，各齿轮企业采取了不同的措施，如严格控制原材料化学成分，甚至采用保证淬透性的H系列钢，适当控制齿轮的心部硬度，改造渗碳设备等。
　　迄今为止，还无法做到使齿轮热处理变形为零，即使采用淬火压床之类的手段，也不能使齿轮各项变形指标(如椭圆度、挠曲度)完全为零。目前能做到的只能是减小变形量，提高变形规律性。
　　要达到上述目的，简单来讲就是要力求做到“均匀”二字，只要做到原材料均匀，几何形状均匀，渗碳加热均匀，淬火冷却均匀，工件变形量就自然而然地降下来。但在实际生产中，要做到项项均匀非常困难，有时甚至是不可能的。
　　这里主要从淬火冷却角度来讨论改善齿轮变形的途径。我们知道，淬火过程就是由奥氏体组织向马氏体组织转变的过程，由于比容差别而产生体积膨胀，而由于表层与心部之间、工件不同部位之间相变的不同步性而产生内应力，这种内应力是产生变形甚至开裂的根本原因。因此改善工件冷却均匀性有助于减少变形，避免开裂。

2　齿轮装夹方式的影响

　　我们曾对串装齿轮淬火后的变形量进行过测量，结果表明，上下两层齿轮的变形量最大，中间几层齿轮的变形量最小，如图1所示。针对这种情况，通过采取上加压块，下加垫块的方法，使齿轮变形量减小，规律性提高。

图1　齿轮位置与变形量的关系

　　湖南益阳齿轮厂本着“同炉工件加热和冷却均匀，进出炉时操作平稳，支撑工件尽量减少集中受力，齿轮和齿块冷却均匀一致”的原则，为BJ212盘状齿轮设计了专用夹具，使得在无压淬条件下明显减小弧齿、锥齿轮的平面挠曲变形^［1］。
　　福建建瓯齿轮厂总结出一套加垫补偿片减小BJ130螺旋伞齿轮挠曲变形的方法，经过反复验证，得到最佳补偿片尺寸(厚度)，既有效解决了其变形的问题，又省去了造价高，结构复杂，并限制生产效率的淬火压床^［2］。
　　三明齿轮厂采用料架加保温罩的方法，改善同炉齿轮周向冷却均匀性，减少齿轮变形。
　　此外，湖北车桥股份有限公司、常州齿轮厂、苏州冶金机械厂等单位也都各自摸索出最佳装夹方式以改善齿轮变形的措施，其核心就是改善齿轮淬火时的冷却均匀性。
　　齿轮装夹方式大致有两种：一种是齿轮与淬火油面平行的平放方式，对解决椭圆度(失圆)变形有利；另一种是齿轮垂直入油的挂装方式，对解决平面挠曲变形有利。这要根据齿轮形状、精度控制的侧重点以及介质状态而定。郑州齿轮厂比较了这两种装夹方式对农机齿轮淬火变形量的影响，认为齿轮以挂装为好。巴西Eaton公司也推崇这种方式。
　　对于齿轮精度要求更高、条件较好的厂家，往往采用淬火压床进行淬火，但淬火时介质压力、流量等数都要调整到最佳状态，才能有效地控制变形。

3　淬火介质的影响

　　近些年来，我国在传统淬火介质的基础上又开发了多种产品，仅以油类介质为例，通过添加催冷剂、光亮剂、抗氧剂等就发展了快速淬火油、等温淬火油、光亮淬火油等品种。水溶性淬火介质也发展迅速，北京、天津、南京等地出现了一批生产PAG类等水溶性淬火介质的公司。一些国外公司的产品也先后进入中国市场，如Houghton、UCON、PETROFER等。由于水溶性介质存在逆溶现象(热分离特性)，超过逆溶点后由于浓度变化而使其冷却特性也发生变化，因此一般要求液温控制在60℃左右，这对于齿轮这样大批量产品则是非常苛刻的要求，不仅要求淬火槽要配有能产生涡流的搅拌系统，而且要附有强力冷却系统。此外还有溶质粘附于淬火件后带出而引起浓度变化的问题，因此生产中要使用折光仪对其浓度变化进行监测。总之，水溶性介质在管理、操作、保养等方面都存在一些问题，因此在齿轮淬火冷却中的应用颇受限制。
　　油类介质虽然存在着油烟及火灾隐患等弊病，但由于其冷却特性稳定而仍然是目前齿轮行业的主导介质。油温对其冷却速度的影响不是很大，但是淬火油的粘度随温度变化很大，热油的良好流动性使得工件的冷却更加均匀，因此许多齿轮厂家都要求淬火油的使用温度在100℃以上，有的达到130～150℃。
　　在国外，为了提高工件的相变均匀性，降低残余应力，对于某些要求保证尺寸的高精度零件(如薄壁轴承圈、汽车齿轮及传动轴)，也往往采用热油淬火。有对经过40～80℃不同油温淬火的环状试样进行检测，结果表明其内孔及外圈变形量随温度升高而减小^［3］。
　　美国Bradly大学的S.Saboury以推杆式连续渗碳炉为例，试验研究了热处理工艺参数对AISI 4118齿轮变形的影响，针对两种齿轮件，采用900℃渗碳及高温淬火油(93℃浸入式淬火和43～50℃压床淬火)进行试验，通过对斜齿轮螺旋角变化数据的统计表明，提高淬火介质温度可显著减小螺旋角波动范围^［4］。
　　日本已开发出使用温度可达210℃的高温淬火油，效果相当于盐浴淬火，用于螺旋齿轮的淬火冷却，可大大减小齿形及螺旋角的变形量，如表1所示，进而减小了传动装置的噪音^［5］。

表1　热油淬火对齿形变化量(μm)及螺旋角变化的影响

<DIV align=center>　齿面位置130℃油(a)210℃油(b)b/a齿形啮合面43.30.83背面63.30.55螺旋角啮合面123.80.32背面95.50.61</DIV>

　　应该指出的是，淬火介质总有一个寿命问题，特别是齿轮的大批量、连续性生产，炽热工件使界面油炭化(有搅拌功能时情况好些)，久而久之，油中炭黑、氧化皮等杂质不断增多，淬火油自身也有老化的问题，实际上介质的冷却特性慢慢退化，工件硬度、变形均匀性会越来越差。为此，天津热处理研究所采用添加复合剂的方法改造了一大批厂家的陈旧淬火油，效果良好。另外，国内已有生产淬火介质冷却特性测定仪的厂家，时隔1～2年即对淬火介质进行一次检测，应该可以做到。对于那些冷却特性严重退化，影响淬火质量的介质，能改造的则改造，不能改造的则要下决心换掉，切不可因小而失大。

4　淬火冷却设备的影响

　　淬火过程中影响齿轮变形的另一个关键因素就是淬火槽。过去有些厂家在槽内加蛇形管或水冷夹层进行冷却；有的单位外置循环油池与车间内淬火槽组成置换循环系统；也有通过压缩空气或吊车升降方法进行搅拌冷却。所有这些，都不能解决齿轮的均匀冷却问题，因而变形也无明显改善。
　　自“八五”和“九五”以来，我国的很多企业对淬火工序越来越重视，纷纷把淬火冷却设备列入技改项目。郑州机械研究所开发的专利产品“新型多功能淬火油槽”已经推广到全国22个省市区的近百家企业，其中90%以上都是齿轮生产厂家，1999年作为我国某援外项目的配套设备开始出口。这种淬火油槽具有均匀搅拌、加热、冷却和控温以及应急淬火功能，对于改善齿轮质量，提高劳动生产率，改善生产环境等都发挥了重要作用^［6～8］。整个热处理行业不再把淬火冷却设备看做无关紧要的辅助性设备，而是将其作为事关产品质量和企业竞争力的关键设备。
　　工件淬火时的一个重要特性就是“润湿”问题，润湿速度快表明介质与材料之间较快地进入直接传热状态。对于油类介质，搅拌对于润湿开始时间无明显影响，但增加了润湿速度，并使润湿结束时间提前。由图2可见，随着搅拌速度的提高，工件蒸汽膜阶段逐渐变短，甚至无明显的蒸汽膜阶段，而较快地进入核沸腾及对流传热阶段。对于齿轮这类表面状况复杂的工件来讲，搅拌使得沟槽、凹面等部位的冷却过程加快。因此，搅拌不仅能提高冷却速度，而且能改善表面冷却的均匀性。瑞典H.Kristoffessen 曾经研究了“变形、硬度的经验设计及其在渗碳淬火时变化”，试验结果表明，淬火油的流动状态比油温和老化程度的影响更大。

图2　搅拌对冷却速度的影响

　　图3是新旧淬火油槽对电力机车齿轮淬火质量的影响，表明结构合理、功能齐全的淬火槽可大大改善齿轮的变形情况^［9］。

图3　淬火设备对电力机车齿轮淬火质量的影响

　　从图3还可看出，适宜的搅拌功能不仅改善了齿轮的变形，而且还使齿轮的硬度有所提高。这是由于搅拌使淬火烈度提高，参考含碳量(达到有效硬化层深度的界限硬度所需要的含碳量)下降，而有效硬化层深度增加。这表明搅拌功能有助于发挥材料的强度潜力。
　　不仅如此，由于搅拌改善了界面介质的流动性而减少了淬火油层的炭化烧损，因而还提高了淬火介质的利用率。另外，搅拌还使液面介质迅速降至燃点以下而灭掉明火，有助于防止火灾。因此目前发达国家的淬火冷却设备几乎全部装有搅拌系统。
　　综上所述，在影响齿轮变形的诸多因素中，淬火冷却是一个非常关键、应该引起足够重视的因素。合理的齿轮装夹方式、较高的淬火介质温度以及适宜的搅拌功能，有助于使齿轮不同部位之间，以及同炉次各件齿轮之间的冷却条件趋于均匀一致，可以大大降低齿轮的变形量，提高齿轮变形的规律性。■

作者简介：牛万斌(1962-)，男，高级工程师。
作者单位：（郑州机械研究所，河南郑州 450052）

参考文献：

［1］　苏成盘，曾佑民等.［J］.金属热处理，1992，(10)：44.
［2］　邱连财.［J］.金属热处理，1993，(3)：48.
［3］　Cook W T.［J］.Heat Treatment of Metals,1999,(2):27.
［4］　Alan.J.Hick.［J］.Heat Treatment of Metals,1993,(1):1.
［5］　Kiyoshi Funatani.New Quenchant and Cooling Technology,Current Status and Future［A］.Proceedings of the 3^rd International Conference on Quenching and the Control of Distortion［C］.ASM International.Czech.1999.5.
［6］　张春平，李刚等.［J］.金属热处理，1994，(3)：8.
［7］　姚中柱，林健.［J］.金属热处理，1997，(1)：34.
［8］　徐蓉生.［J］.金属热处理，1998，(8)：36.
［9］　陈乃录，牛万斌等.［J］齿轮，1991，(2)：42.

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