在汽車傳動齒輪生產環節中，滲碳淬火工藝是齒輪生產中的重要熱處理流程。齒輪經過滲碳淬火后，強度、耐磨性能以及使用壽命都得到了大幅提升。滲碳淬火工藝過程較為復雜，在高溫滲碳和淬火因素影響下，齒輪在組織轉變過程中會產生不同方式的變形。作為齒輪生產的后續工藝，熱處理變形量大、變形一致性差等因素將帶來齒輪裝配返修頻繁、高報廢率、齒輪裝配使用性能降低等問題。

　　熱處理變形一般是指工件的淬火變形，主要是由內應力引起的。內應力又分為熱應力和組織應力兩種。熱應力與材料的線膨脹系數有關，而組織應力和所發生的組織改變則同組織的比容改變有關。淬火后組織通常為馬氏體組織。這種淬火馬氏體的比容較其他組織都大，因此，淬火后的工件均會有體積漲大的現象。由于體積變化以 及在工件各部分加熱冷卻不均勻而形成的熱應力、組織應力將導致工件發生畸變或翹曲。在淬火工件尺寸增大時，所發生畸變、翹曲情況更為嚴重。本文以某 20CrMnTi 輕車平臺齒輪為研究對象，研究了兩種裝料方式對齒輪熱處理變形的影響，旨在為廣大技術人員及生產現場就如何控制熱處理變形提供參考。

　　一、試驗目的與方案

　　變形分析

　　齒輪滲碳過程中，隨組織應力和熱應力的作用而發生變形，其變形的大小和變形規律取決于滲碳鋼的化學成分(坯件來料)、工件的幾何形狀和尺寸、熱處理前的加工狀態、熱處理工藝參數等因素。對于批量生產而言，相比控制變形的大小、一致性，獲得變形規律對于調整熱處理前加工參數更有意義。

　　基于實際批量生產中同一工件在采用同批毛坯、相同機加工藝的前提下，針對同爐工件在不同位置熱處理后狀態呈離散型、分散程度高、一致性差的問題，加熱均勻性和冷卻均勻性成為影響工件一致性的首要因素。加熱和冷卻不均勻導致爐內各部分溫度梯度不同，產生的熱應力和組織應力不同，導致各零件熱處理后變形不一致。

　　同爐工件在爐內不同位置的熱變化、冷處理過程均勻性影響因素既受設備影響，如設備內加熱管排布位置、循環空氣走向、攪拌速度等;也受零件裝料方式影響，特別是零件從滲碳轉入淬火冷卻過程中，因時間差導致各零件散熱不一致，冷卻速度相差甚遠。在實際生產中，確定裝料方式相對于控制毛坯材料間化學成分、金相組織等更有效、更直接。因此，本文基于實際生產，主要開展不同裝料方式對齒輪熱處理變形一致性、穩定性試驗探索，齒輪變形主要原因分析如圖 1 所示。

　　試驗目的

　　采用堆垛式工裝(以下簡稱：舊工裝)裝料時，零件與零件相接觸，基本無間距。該裝料方式下，整爐零件各工件在加熱和冷卻時的溫度梯度存在較大差異。為減小該差異對同爐零件帶來的變形影響，本文設計出一種實現零件分層擺放的矩陣式工裝(以下簡稱：新工裝)，讓同爐零件在加熱過程、冷卻過程中各工藝條件更加均勻。

　　為驗證新工裝效果，本文展開新工裝和舊工裝兩種裝料方式對變形和滲碳質量的影響。

　　試驗方案

　　試驗采用 20CrMnTi 合金材料齒輪，其化學成分為 0.17%～0.23%的 C、0.17%～0.37%的 Si、0.8%～1.1%的 Mn、1.0%～1.3%的 Cr。

　　1)齒輪鍛造、銑削等工序結束后，每輪試驗隨機選取 15 套齒輪，并進行刻字編號，檢查熱前精度和齒形等。每個試樣檢測 4 個齒，檢測齒分布如圖 2 所示。

　　2)檢測完精度和齒形的齒輪按圖 3 所示位置裝爐。

　　3)裝爐完成后，將已測量樣件按預氧化、清洗、滲碳淬火、低溫回火、清洗等工序進行熱處理。滲碳淬火工藝為氣體滲碳，采用愛協林箱式多用爐，具體工藝為升溫到 920 ℃，均溫 90 min，然后升高碳勢至 1%進行 300 min 強滲碳，再降低碳勢至 0.8%進行 150 min 擴散，隨后爐冷卻至 850 ℃，保溫一定時間后進行淬火。其余相關工藝參數如表 1 所示。

　　4)熱處理完成后檢測熱后精度、齒形、平面度、齒輪滲碳層深和硬度。熱后精度及齒形檢測位置同熱前保持一致。

　　二、試驗結果與分析

　　齒輪精度變化對比

　　圖 4 為新舊工裝精度等級變化分布。多輪試驗數據抽取顯示，采用矩陣式新工裝結構，齒輪精度最大變差從 4 級降低至 2 級，有效減少 2 級。且精度變化 2 級從舊工裝 0%增加至新工裝100%， 占比有效提升 100%。

　　齒形變化

　　凸面齒形變化：圖 5 和圖 6 為同一顆齒凸面與標準齒形對比的熱處理變化量。由兩圖對比可知，矩陣式新工裝裝爐方式優化后，凸面齒形變化在±10 µm 以內占比 100%。相比舊工裝在±10 µm 以內占比 55.56% 而言，提升 44.44%。由此可見，使用優化后的裝爐方式熱處理凸面齒形變化更小，一致性更好。

　　凹面齒型變化：圖 7 和圖 8 為同一顆齒凹面與標準齒形對比的熱處理變化量。由兩圖可知，矩陣式新工裝裝爐方式優化后，凹面齒形變化在±40 µm 以內占比 94.4%。相比舊工裝在±40 µm 以內占比 50%而言，提升了 44.4%。由此表明，使用優化后裝爐方式熱處理凹面齒形變化更小，一致性更好。

　　平面度變化

　　圖 9 為兩種不同裝料方式熱后平面度分布。由圖 9 可知，采用矩陣式新工裝的平面度變化更小，一致性控制更好。

　　滲碳層深和表面硬度

　　由表 2 可知，采用矩陣式裝料方式后，同爐滲碳層深變化量由 0.3 mm 減小到 0.1 mm，同爐硬度變化量 2 HRC 降低到 1 HRC。該方式有助于氣氛均勻性和工件加熱、冷卻的均勻性，有效將滲碳層深和表面硬度控制在一定范圍內。

　　三、結論

　　1)采用矩陣式工裝，可以有效抑制齒輪熱處理變形，無論從齒形、精度、平面度方面一致性更好，能更好的通過反調控制變形;2)采用矩陣式結構工裝，整爐零件層深和表面硬度變化更均勻;3)矩陣式結構工裝應用于熱處理生產當中，可以更好的提高以及控制產品質量。

　　本文通過工裝條件的變化闡述了熱處理變形研究。滲碳熱處理變形控制，受材料、預備熱處理、熱處理工裝、參數等諸多參數影響，最終控制方式應采用最適合實際狀態的。

　　參考文獻略.