汽车齿轮钢热处理变形控制分析

2022-09-11

变形是指齿轮钢零件在热处理时引起的形状和尺寸偏差。减小齿轮热处理变形, 提高其加工精度, 不仅可以减小齿轮传动系统运行时的噪声及振动还能有效提高齿轮的使用寿命。变形是热处理较难解决的问题, 要完全不变形是不可能的, 一般是把变形量控制在一定范围内, 超过变形量时, 只能用校正法校正。控制变形关键是热处理时变形要有规律。如果热处理变形数据分散、没有规律、变形波动大, 要控制变形就无从下手。但齿轮热处理变形性质极为复杂, 影响因素较多, 必须综合考虑齿轮加工过程中的各个环节, 才能有效解决问题。长期以来, 这方面的研究工作一直是材料热处理技术人员积极探索的方向。

1 热处理变形的原因

分析研究工件热处理变形的原因, 掌握其规律性, 并找出减小变形的技术措施, 具有十分重要的意义。工件的变形包括尺寸变化和几何形状变化两种。不论哪种变形, 主要都是由于热处理时工件内部产生的内应力所造成的。根据内应力的形成原因不同, 可分为热应力与组织应力。工件的变形就是这两种应力综合影响的结果。当应力大于材料的屈服极限时, 就会发生永久变形, 如果大于材料的强度极限, 工件就会开裂。下面对两种应力引起的变形分别加以研究。

1.1 热应力及其引起的变形

由于加热或冷却不均匀使零件表里存在温差因而造成热胀冷缩的不一致, 由此而产生热应力。实践证明, 热应力引起工件变形的特点是和物体内部受到高的流体静压力作用的结果相似, 它使平面变成凸面, 直角变成钝角, 长的方向变短, 短的方向变长。一句话, 使零件趋向球形。如图1所示。

1.2 组织应力及其引起的变形

由于奥氏体及其转变产物的比容不同以及工件的表面、心部或各部分之间组织转变的时间不同所造成的内应力称为组织应力。奥氏体的比容最小, 马氏体的比容最大, 故钢淬火时发生体积膨胀, 产生组织应力。组织应力有两个特点:工件表面受拉应力, 心部受压应力;靠近表面层, 切向拉应力大于轴向拉应力。组织应力引起工件变形的特点与热应力相反, 使平面变凹, 直角变锐, 长的方向变长, 短的方向变短。一句话, 使尖角趋向突出, 如图2所示。特别指出的是, 试样表面的切向拉应力很大, 较大的切向拉应力往往是零件产生纵向裂纹的主要原因。

淬火零件的变形是热应力和组织应力综合作用结果, 如图3所示。除了内应力外, 零件的变形还要受原材料的成分、工件的形状和介质冷却速度的影响, 实际情况要复杂得多, 因此在解决实际问题时, 要全面分析, 找出起主导作用的是热应力还是组织应力, 以便判定变形的趋势或裂纹产生的可能性, 并采取各种措施予以控制或防止。

2 影响热处理的因素

众所周知, 齿轮质量的高低除了钢材本身的因素外, 在很大程度上还受热处理工艺的影响这里所说的热处理工艺不单是指齿轮的渗碳淬火工艺, 而且也包括齿轮锻坯的热处理工艺, 一般来说齿轮锻坯的热处理工艺有两个目的:一是保证获得良好的切削性能, 这就要求在热处理后得到均匀等轴晶粒的铁素体一珠光体组织;二是保证齿轮毛坯得到均匀一致的组织这对减小渗碳淬火时难以避免的不规则变形有利, 对保证齿轮有良好的接触面、降低噪音有重要意义。影响热处理齿轮钢变形性能的因素很多, 主要有以下几个方面。

2.1 原材料的淬透性

淬火工件的变形与淬硬层深度有密切的关系。原材料淬透性不同, 渗碳淬火后的组织就会出现差异, 变形也就不一样。在完全淬透的情况下, 是以组织应力为主的变形, 故淬火后其尺寸增加。如果因尺寸大而未淬透, 则其尺寸反而缩短。不同炉次冶炼的同一牌号的钢材, 其淬透性曲线在一定范围内变化, 我们把离淬火端某一距离处的硬度变化范围称之为钢材的淬透性带宽。

如果钢材的淬透性每批都不一样, 且波动很大, 即淬透性带过宽, 必然会导致齿轮热处理变形无规律。国外齿轮制造企业早就认识到淬透性对齿轮热处理变形的影响, 因此对齿轮材料都提出严格的淬透性带宽要求, 一般清况控制在5HRC左右, 对于加工精度高的齿轮, 淬透性带要求更窄。我国的齿轮材料, 其淬透性带相对要宽一些, 有的甚至超过10HRC, 这对变形影响很大。