鋼材熱處理之：變速箱齒輪的熱處理工藝優化
1 齒輪的強度設計與熱處理
齒輪的抗接觸疲勞強度、抗彎曲疲勞強度、心部韌性、表面硬度及耐磨性等都是熱后齒輪的關鍵指標，直接關系著齒輪的使用壽命長短。原材料性能及熱處理工藝都會顯著影響到齒輪件的承載力，因此按需選材、合理編制工藝就顯得尤為重要。通常來說齒輪的承載力評判主要是通過熱后齒輪的表面硬度、心部硬度及有效硬化層深來衡量。GB/T3480.5-2008中將齒輪疲勞強度與材料熱處理質量等級進行結合，并將疲勞極限分為ME、MQ、ML三個等級并予以圖示。設計齒輪時應根據質量等級和相應的疲勞極限曲線圖為基礎進行齒輪承載能力計算，既考慮使用強度又兼顧經濟性。
2 影響齒輪熱處理變形的關鍵因素
2.1齒輪毛坯的預先熱處理
齒輪毛坯的預先熱處理通常有調質處理、普通正火、等溫正火、鍛造余熱等溫正火等手段。普通正火處理會造成不同零件或同一零件不同部位的組織、硬度出現較大差別，會降低加工性能和加劇熱處理變形，進而影響齒輪精度等級和使用性能。齒輪毛坯終鍛溫度一般在900℃左右，毛坯仍處在奧氏體階段，其晶粒會比重新加熱顯著粗大，而粗大晶粒具有遺傳性且轉變P+F過程滯后，容易出現貝氏體或斷離珠光體，使得加工性變差。等溫正火即將毛坯完全加熱到Ac3線以上的適當溫度得到均勻的奧氏體后，通過速冷方式將毛坯冷至奧氏體等溫轉變圖“鼻尖”溫度左右在低溫爐中進行等溫轉變，出爐后再空冷到室溫的工藝過程。因此可以采用鍛造余熱等溫正火或等溫正火進行預處理，生產中要根據毛坯材質、尺寸因素來合理選擇和控制等溫前的冷卻速度、等溫溫度和等溫時間這三個工藝參數，使毛坯在相 對恒定的溫度下完成組織轉變，以此來獲得均勻的顯微組織和合適的硬度，即硬度在160HB~197HB，金相組織為均勻的F+P。等溫正火工藝的特點是正火質量穩定，熱處理變形小，適合大批量生產。對于大批量生產的變速箱齒輪來說，合適毛坯的硬度和均勻組織能保證刀具的最佳切削，既滿足高的切削效率，又對減小熱處理變形有著至關重要的作用。
2.2齒輪鋼的淬透性和淬硬性
淬透性是表示鋼在一定條件下淬火時獲得馬氏體的能力，或者說是獲得淬透層深度的能力，它是鋼材本身固有的屬性，主要受合金元素的影響。工作中計算淬透性值的方法有多種，齒輪行業滲碳鋼實際應用
筆者推薦采用下列公式。含碳量≤0.25%的滲碳鋼淬透性計算公式：
式中J6-40—至水冷端6mm~40mm范圍內各點硬度；E—距離水冷端距離；
淬透性還包括冷卻條件和合金元素之間的關系，以及應用于鋼種設計及替代、設計選材、熱處理工藝參數控制等。換言之，淬透性對于齒輪的設計和制造工藝都具有十分重要的意義。實驗數據表明同樣深度的滲碳層，由于原材料、模數、外形尺寸、冷卻條件不同而得到的有效硬化層深差異非常大，即使是外形尺寸、模數和冷卻條件非常類似或相同，工件有效硬化層深可相差0.3mm~0.5mm之多，究其原因就是滲碳層淬透性差異所致。
淬硬性是工件在正常淬火后獲得馬氏體組織所能達到的最高硬度。主要取決于馬氏體中的含碳量，碳的過飽和度越大則鋼的淬硬性越高。通常情況下淬火硬度隨含碳量的提高而提高，但是當含碳量≥0.6%C時工件淬火硬度幾乎不再變化，常用的滲碳鋼在滲碳淬火后硬度通常為64HRC左右，低溫回火后表面硬度往往在60HRC左右，這就是滲碳齒輪的表面硬度一般規定為58HRC~63HRC的根本原因。
2.3 齒輪熱處理變形的一般來說都是多種因素的綜合作用、相互影響所致
除預先熱處理及淬透性外，零件形狀、鍛造、機械加工、淬火規范都可能會造成零件變形，進而影響齒輪精度和壽命。于齒輪件來說，易變形點無非是齒形齒向、周節累計、內花鍵縮孔等，由經驗即可判斷其變形規律，根據工藝路線提前預留好加工余量或補償量，使成品件正處于可接受的形變區間內。
（1）齒輪幾何形狀。齒輪的外形結構是決定熱處理變形的關鍵因素之一，設計者應充分考慮齒輪截面結構均勻性、對稱性，避免薄厚差異過大而導致應力集中。一般來說結構復雜，應力集中明顯的零件在熱處理過程的形變規律越難掌握。沃爾沃公司曾就齒輪的設計、原材料、熱處理工藝三個因素對變形影響程度的研究表明，設計、材料、工藝對齒輪熱處理變形的影響程度分別為50%~60%、20%~30%、5%~15%。
（2）熱前的應力狀態。熱前零件在經過鍛造、正火、拋丸及機加工等工序后，或多或少會累積殘余應力、鍛造缺陷、組織不良等，而應力集中對變形影響非常顯著。消除或控制殘余應力的產生對后續熱處理工序控制變形大有裨益。鍛造過程中通過管理鐓粗方向等手段控制金屬纖維流線，使其沿齒輪毛坯外輪廓 對稱狀均勻分布；正火過程應控制帶狀組織形成趨勢，減少材料各項異性；機加工過程應注意均勻切削和通過刀具壽命管理等盡力避免加工應力的過度累積和不均勻狀態。特別是形狀復雜的工件，前序產生的殘余應力對淬火變形影響很大，可采用去 應力回火或均勻化處理措施消除應力。
（3）熱處理過程要素。工件加熱速度、滲碳溫度、淬火溫度、油攪拌速度等工藝參數的調整，裝卡方式、冷卻介質和回火工藝等的不同也會影響的齒輪的變形情況及綜合機械性能。
在汽車變速箱齒輪的設計和生產中，有效硬化層深設計一般來說就是兩種方法。即按齒輪模數劃定大致范圍而套用標準或是根據經驗公式t=α*m（m模數），α=0.20-0.30計算，很少從力學角度分析其適用性。設計最佳的齒輪有效硬化層深，無論是對提高齒面強度，還是節能降耗都有非常重要的意義。
齒輪剝落失效的產生不僅與齒面下的剪應力分布有關，還與有效硬化層深、硬度梯度等因素有關。齒輪的有效硬化層深對于過渡區常常難以涵蓋，而各類硬齒面齒輪的剝落往往都與過渡區有關，實踐表明有效硬化層深剝落的最大特點就是疲勞裂紋在硬化層與心部的過渡區產生，形成的剝落坑較深且面積大。通常情況下增加有效硬化層深有利于提高齒輪承載能力，防止疲勞剝落失效。然而過大的硬化層深會使工藝難度加大、工藝周期增長、畸變增加等諸多問題，造成齒輪生產成本和能源消耗增加。合理的有效硬化層深設計是既要保證過渡區有足夠的強度 防止深層剝落，又不過度設計。
表面硬化齒輪的有效硬化層深與齒輪的強度、可靠性等性能密切相關，是保證齒輪承載能力充分發揮的關鍵。齒輪嚙合過程中齒面接觸時在局部產生的表面壓應力稱為接觸應力，也叫赫茲應力。齒面承載能力與赫茲接觸應力有關，由公式可知，接觸應力的大小取決于外加載荷和齒面當量曲率半徑的倒數。當最大接觸應力相同時，當量曲率半徑越大所需有效硬化層深就越大。
（1）氣體滲氮工藝對齒輪的表面強化處理。齒輪的承載能力通常為齒根強度、齒面強度與抗咬合強度三項指標。眾所周知，滲氮齒輪的抗咬合強度優于滲碳齒輪，由于加壓氣體滲氮技術和加壓氣體軟氮化技術的應用提高了材料表面的硬度并改善了滲層的硬度梯度。齒輪滲氮鋼無須進行淬透性控制，也可簡化鋼廠的冶煉管理。齒輪滲氮鋼的冶煉重點是減少非金屬夾雜物的含量與氧含量，這可以進一步提高齒輪的抗疲勞強度。
（2）強化噴丸工藝的推廣應用 。當齒輪承受彎曲疲勞載荷時， 其赫茲接觸應力達到最大，因此疲勞核心在齒面處形成后沿著與最大應力垂直的方向進行擴展，當微裂紋發展為宏觀裂紋時，硬化層開始脫落甚至出現斷齒情況。研究表明，滲碳齒輪的彎曲疲勞抗力隨著其強度的提高而升高，彎曲疲勞抗力也隨著齒輪表層殘余壓應力的增加而提高。所謂強化噴丸就是將鋼丸高速射出，通過連續打擊后使齒面或齒根部形成一定深度的殘余壓應力的加工方法。它具有適應性廣、工藝簡單、生產效率高、強化效果顯著的特點，這種殘余壓應力能夠抵消部分外部載荷的拉應力，抑制微裂紋在齒輪承受接觸應力時再次擴展，有效地消除設計及工藝過程造成的應力集中的影響，也能部分消除滲碳淬火過程中產生的晶間氧化物造成的影響。因此，強化噴丸可以有效提高輪齒的抗接觸疲勞強度和抗彎曲疲勞強度。資料表明，齒輪滲碳淬火后表面呈壓應力分布狀態，通過強化噴丸會進一步增加零件表面的壓應力，也就是進一步增加零件表面的接觸疲勞強度。
總而言之，齒輪的設計與制造是提升變速箱性能的關鍵要素之一。設計須注重齒輪材料和工藝模式的選擇、結構均勻性、有效硬化層深設計等；工藝員須注重預先熱處理、機械加工和熱處理過程中不利因素的消除，共同為提高產品質量而努力。
