關于影響熱處理變形的因素分析及減小措施探討

付占虎

（陜西法士特齒輪有限責任公司，陜西 西安 710077）

熱處理作為金屬材料加工制造中的特殊工藝，無論是正火、淬火、退火還是回火，其本質都是通過加熱、保溫和冷卻使材料性能發生化學和物理變化來提高綜合機械性能，以滿足各行各業的使用要求。

1 金屬材料熱處理變形因素的分析

我公司主要使用8620H、20CrMnTi、20CrNi3等材料生產各類變速箱零件。在滲碳淬火過程中，為有效控制產品熱處理變形，我們對其變形因素進行分析，發現除材料本身的合金元素、工件結構和機加工應力等會對材料變形產生一定的影響。預先熱處理、滲碳淬火時對工件加熱速率、保溫溫度及時間、冷卻方式及速度，以及熱處理返工返修等都會對變形產生重要影響。以下將重點從合金元素、預先熱處理及滲碳淬火過程進行分析。

首先，合金元素對工件熱處理變形的影響主要體現在對Ms點、Mf點和淬透性的影響。除Co、Al外大多數合金元素能使Ms點、Mf點下移，如錳、鉻、硅、鎳、鉬、硼等。它們使殘奧量增多,一定程度上降低鋼淬火時的組織應力和比體積,可減少工件的淬火變形。化學元素零件淬透性影響非常顯著，例如當C%小于0.77%時，隨著奧氏體中碳濃度的提高，顯著降低臨界冷卻速度，C曲線右移，鋼的淬透性增大。其次是合金元素的影響，除Co外絕大多數合金元素溶入奧氏體后，均使C曲線右移，降低臨界冷卻速度，從而提高鋼的淬透性。工業用鋼的淬透性曲線幾乎都已測定，企業可以通過Jominy試驗再次測定。

其次，對齒輪鋼來說預先熱處理通常就是等溫正火，等溫正火主要工藝過程有：①加熱與奧氏體均勻化階段；②中間冷卻階段；③等溫處理階段及空冷。合理有效的等溫正火工藝可以最大程度的控制組織不良，如下表是帶狀組織對我公司某副箱減速齒輪變形的顯著影響。

表1 不同帶狀級別的影響

最后，滲碳淬火作為熱處理的關鍵過程，有諸多因素會促進工件變形。如加熱速率、滲碳溫度、淬火溫度、淬火介質、裝卡方式、介質冷卻能力及流動速度等都對工件變形有著或多或少的影響。這些工藝參數都需車間工程技術人員在冷熱變形配合實驗時進行系統的摸索和掌握，在實際生產中進行精確匹配調整。

2 減少金屬材料熱處理變形的原則

隨著國家道路水平的高速發展及物流業的旺盛需求，商用車安全性和舒適性越來越重要，而變速箱作為汽車三大件之一其使用壽命、換擋平穩性、噪音、舒適性已成為用戶選配變速箱的首要考慮因素。因此，進一步提高零部件的耐用性、制造精度等必不可少，而控制零件的變形是重要抓手。工程技術人員應熟練掌握控制變形原則進而改善熱處理工藝和控制方法。

就控制熱處理變形而言，必須遵循科學性、簡單性和實用性原則。因為若要從根本上減少工件熱處理過程中變形，企業在設計和制造過程要科學的對熱處理變形的因素、工藝水平、材料屬性等進行較為全面的考察。就設計而言，針對不同零件結構應從材料選用、工藝性等方面入手考慮；機械加工過程應注重冷熱配合、刀具選用、機加工藝優化等；熱處理過程應注意溫度控制、淬火介質選取等。

3 金屬材料熱處理減少變形的途徑和方法

就我公司變速箱的易變形件來說，主要集中在滑、襯套類、副箱減速齒輪及其他內花鍵齒輪等。筆者以某副箱減速齒輪為例，著重從預先熱處理及滲碳淬火過程兩個方面進行探究和解決。

該齒輪件是采用愛協林貫通式等溫正火爐生產，其關鍵工藝參數如圖1：

圖1 齒輪件的關鍵工藝參數

上述工藝過程主要控制①加熱與奧氏體均勻化階段：重點參數是加熱溫度與保溫時間。②中間冷卻階段：重點參數是裝爐方式、快冷方式（風量與風向）、快冷時間、緩冷方式（風量與風向）和緩冷時間。③等溫處理階段：重點參數是等溫溫度和等溫時間。只有將整體工藝過程控制得當，使工件在均勻奧氏體化后，保證冷卻時內外部溫度一致使組織均衡轉變。避免明顯混晶、貝氏體、大塊狀鐵素體等出現，為后續熱處理打下良好的組織基礎。

滲碳淬火是齒輪件變形的重要過程，因其加熱、保溫、冷卻過程會產生熱應力及組織應力，因為零件在淬火時，屈服強度明顯降低而塑性顯著提高，當兩種應力交互疊加必然會引起一定程度的比體積變化和塑性變化，也就是我們常說的熱處理變形。同時，淬火時還會將原材料中合金元素偏析、預先熱處理組織不良、冷加工應力等不利因素所產生的應力集中展現出來，引起工件更大的畸變。應從以下幾個方面予以解決。

首先，滲碳淬火前應抽樣進行淬透性和熱前組織檢驗。一是根據不同的淬透性帶調整淬火工藝，包括淬火溫度調整（820℃～860℃）、冷卻介質選取（G油冷速≥90℃/s、熱油冷速70℃～80℃/s、K油冷速≥105℃/s）、油攪拌速度調整等，最大程度的減少淬火本身帶來的變形。二是對不良帶狀組織，可通過高溫擴散退火予以改善；若組織狀況嚴重超差及成分偏析明顯時，建議采用高溫擴散退火加1～3次正火處理，使組織發生較為明顯的轉變和改善。此時再進行滲碳淬火可有效控制工件的無規律變形。

其次，從加熱速率和滲碳溫度入手。一是控制加熱速率對變形控制有一定好處，若加熱速率過快，內外溫差大則內應力增大，內應力與變形具有一定的正相關性。若工藝條件許可，推薦使用脈沖式工藝控制模式，采用加熱、保溫、再加熱、再保溫的模式循環往復，減少內應力的同時，還對17CrNiMo6等材料的工件淬火后殘奧級別偏高現象有顯著改善。二是降低強滲工藝溫度，因為強滲溫度降低后工件的高溫蠕變和高溫強度損失相對減少，塑性抗力強。工件的抗應力變形、抗淬火變形的綜合能力增強。另外加熱、冷卻的溫度區間小，無論是加熱還是冷卻時工件各部位溫差也會降低，由此而導致的內應力也相對減少，變形勢必會減少。

最后，針對不同形狀結構的零件，選擇合適的工裝及裝卡方式也非常重要，合理的工裝和裝卡方式能夠最大限度的使加熱冷卻均勻，減少內應力不勻而導致的變形。常見的片齒輪及軸類零件無非是串裝和立裝。薄壁件可以考慮平鋪、堆疊乃至使用淬火補償芯軸、支撐墊圈等，盲孔類一軸類零件可采用滲碳支撐芯軸等方式。

4 結束語

總而言之，在對金屬材料熱處理變形的因素進行深入探究的過程中，認識到熱處理變形其實是系統原因所致，要從原材料入廠控制、預先熱處理工藝控制、冷加工根據工件的畸變規律進行預先修正和調整，熱處理工藝優化等多個方面入手進行系統的配合控制，才能更大限度的減少零件變形，提高產品精度。