熱處理時零件發生變形，是熱處理過程中固有的矛盾。對于一些零件常因熱處理變形而進行校正要耗費大量工時，甚至因變形而報廢。因此，減少熱處理變形乃是我們熱處理工作者需要研究和探討的主要任務之一。
從動錐齒輪是某變速箱中比較典型的薄壁盤形零件（見零件簡圖）。該產品齒數多、花鍵孔壁較薄，氰化淬火后容易變形。常因零件的翹曲變形而影響了齒輪嚙合區域，目前沒有好的機械加工手段來消除變形，影響了變速箱的傳動精度。為提高產品的合格率滿足生產的需要，節約財力、人力，這就迫切要求我們熱處理工作者必須解決熱處理的變形。
圖1 零件示意
零件在熱處理過程中的變形，是因為零件在加熱和冷卻而產生的熱應力和組織轉變的不等時性而產生的組織應力以及組織轉變的不均勻性而引起的附加應力所造成的。此外，由于零件的形狀特點、原材料質量，加工狀態以及零件在熱處理爐中加熱時的支承或冷卻時的操作不當、零件本身的自重等原因均能夠導致變形的出現。熱處理的變形主要分為翹曲變形、體積變形和時效變形三大類。因為每種變形既是互相制約又是相互促進的，翹曲變形和體積變形既是同時發生而又有主有次，所以在研究零件的變形時，必須在綜合考慮各種因素的前提下，抓住主要矛盾，并采取相應的措施，才能有效地減小變形，以滿足產品的加工工藝中技術條件的規定。
1.問題的提出
零件的技術要求：材料為30CrMnTi，其元素化學成分（質量分數）wC=0.24%～0.32%，wMn=0.80%～1.10%，wCr=1.00%～1.30%，wTi=0.06%～0.12%；氰化層深度為0.7～1.2mm；表面硬度HRC58～64，心部硬度HRC35～49；端面翹曲≤0.2mm，內孔圓度≤0.15mm。
原工藝在編制過程中，由于未能充分考慮零件氰化后的淬火過程中變形情況，采用穿淬火芯軸自由淬火的方法，雖然零件的內孔在淬火芯軸的控制下，內孔的橢圓度得到了保證，但是由于零件屬于盤類零件，零件輪緣和輪轂不在同一端面，淬火后容易產生碟形使輪緣端面發生翹曲，加之零件的端面在淬火過程中未能得到有效的控制，導致零件的翹曲度過大，個別零件的翹曲度達到了0.5～0.6mm，影響到零件的后續加工，造成了不必要的損失。
由于此零件是錐齒輪，產生上述的變形，直接會影響齒部的加工精度，不能進行裝機使用。其原因是：雖然內孔在淬火心軸的控制下，內孔的圓度得到了控制，但是端面在氰化淬火工藝時未加以限制，其變形仍然較大。為此，要控制零件端面翹曲的變化，就必須使零件的端面在淬火過程中加以限制，以保證此零件在氰化淬火過程中產生的變形在工藝要求范圍內。
2.熱處理工藝、工裝的改進及效果
通過對零件的具體分析，產生零件翹曲度過大的原因，主要是在淬火過程中，未能采取有效的措施，對零件易出現變形的部位未加以限制。因為此類零件屬于盤類零件，在淬火時需要平放入淬火油中，以減少零件的變形。但是其中有一個不可避免的因素出現，零件在平放入淬火油中時，由于零件的結構特點，齒輪的齒面冷卻速度比齒背快，存在著齒面部位與背面部位的熱脹冷縮不協調因素，因此造成齒輪外緣上拱翹曲，而且操作不當及控制方法的不合理，均會造成零件出現翹曲變形。若不采取必要的控制方法，就會造成零件的翹曲度增大，影響了產品的質量，造成損失。
綜上所述表明，齒輪的齒面和背面產生熱脹冷縮不協調，引起翹曲度的漲大。因此根據零件結構特點和我廠現有淬火設備的狀況，設計出如圖2～圖4所示的淬火工裝，使齒輪在整個淬火過程中，保持各部位的溫差最小，從而達到提高齒輪淬火合格率的目的。
圖2 淬火底模示意
圖3 淬火上模示意
圖4 淬火壓模工作示意
（1）淬火模具的設計 設計齒輪的淬火模具，應考慮以下兩方面因素，即齒輪內、外緣的蓄熱量之比與齒輪內、外緣的單位表面積散熱量之比；調整控制齒輪內、外緣的淬火介質的流量。
如上圖所示，零件在淬火過程中，是將零件平放于淬火底模上，淬火底模的平面在加工過程當中，將盤面加工出24個凹槽，這樣的設計有利于零件在淬火過程中，利于淬火油的循環流動，增強淬火油的冷卻性能，提高了淬火油的冷卻能力，同時也可以保證零件表面硬度能夠達到技術要求。
在制作淬火上模的時候，將淬火上模的內腔形狀按照零件的外形進行制作，這樣在淬火時模面能夠壓在零件的表面，限制了零件的變形趨勢；同樣在淬火上模的表面上加工出24條凹槽，以保證淬火油順暢地進行流動。
由于淬火上模和淬火底模都加工出了凹槽，這樣在零件的淬火冷卻過程中，能夠調整了淬火油量的熱平衡流量，保證淬火時油量充足，零件能夠得到良好的淬火效果。
在淬火過程中，由于內孔中加入了淬火芯軸，既保證了零件的內孔橢圓度，同時也可以增加零件的壁厚差，降低了零件在冷卻時因壁厚差產生的溫差，保證零件在淬火過程中，由于冷卻不均勻造成的變形趨勢。
（2）在淬火壓床上進行淬火時，壓力的調整可以根據淬火時出現的不同情況，適時地進行調整油壓表的壓力，使工件在淬火過程中始終處于壓力淬火的狀態。由于零件的形狀和尺寸承受著淬火壓模的限制，制約了零件在淬火過程中出現的翹曲度，從而保證了零件的翹曲度能夠達到所要求的范圍內。
3.工藝分析及體會
從動錐齒輪屬于薄壁盤形零件，其截面差較大。它的變形規律是內孔縮小和端面翹曲變形，是在各種復雜應力綜合作用下產生的結果。引起翹曲變形的主要原因是：
（1）加熱過于激烈或加熱不均勻，造成較大的內外溫差。
（2）冷卻過于激烈或冷卻不均勻，造成較大的各截面溫差。
（3）加熱時零件擺放的位置不當和冷卻時出爐夾持不當。
（4）各種機械加工所殘留的機械應力。
（5）零件結構形狀特點所造成的應力不平衡。
（6）鋼材內部結構的不均勻造成的應力不平衡。
（7）組織轉變的不均勻，即零件各個部位比容不均勻變化引起的應力而導致翹曲等變化，這種零件在淬火時同樣伴隨著體積變形，即由于組織的轉變必然引起比容的變化，從而導致零件體積的脹縮，所以在研究或討論零件變形時，要同時考慮這兩種變形對零件熱處理后形狀的影響。
根據上述的分析，引起零件變形的主要原因是加熱和冷卻時工裝不適合，當加熱和冷卻時，由于截面差、熱應力和組織應力的綜合作用下，使零件的端面脹大，形成邊緣如同碟形的翹曲。
當采用淬火壓模進行淬火時，由于零件在淬火壓床的壓力作用下，可以最大限度地限制零件的變形。這種強制的作用，可以使相互應力趨于平衡，限制了零件翹曲變形現象的發生。而原來采用的穿芯軸自由淬火的方法，因為沒有這種強制限制變形的作用，零件在淬火過程中產生的各種應力得不到有效地限制，故不能滿足工藝中的技術要求。
在鍛造后的預備熱處理中，采用正火加高溫回火，使合金碳化物能夠充分地進行溶解，同時增加了合金碳化物的分散度，這樣的處理可以對改善組織和消除鍛造及原始組織的不良影響有較好的效果。通過這種熱處理方法，細化晶粒，獲得了均勻的索氏體組織，提高了原始組織的比密度，縮小了與馬氏體的比容差，同時相對減小了組織轉變的應力作用。
采用熱油進行淬火也能夠適當地減小淬火變形。在工藝編制中，要求淬火油的溫度為40～80℃。淬火油溫的提高，增加了油的流動性，使之在冷卻時，將零件各個部位的溫差更加趨于一致，冷卻更加均勻。同時，也能減緩馬氏體轉變點（Ms）以下的冷卻速度，從而減小了淬火冷卻時的應力，減小變形。經研究表明，雖然50℃油溫比20℃油溫的冷卻能力有所下降，但是由于氮原子的滲入，降低了馬氏體轉變點（Ms）的溫度，油溫的提高并不會影響氰化表面的硬化效果。由經驗得知，零件在氰化淬火時，淬火油的溫度一般控制在40～100℃之間，也是能夠滿足零件的氰化淬火時的硬度要求的。
此外，氰化層的碳、氮濃度和氰化層的深度，金相組織以及操作的平穩性等都會影響零件的變形。在實際生產中還要嚴格地控制各種滲劑的流量，使滲層的濃度梯度更加平緩地向心部過渡，較平緩地與心部原始組織相結合，從而避免過陡的碳濃度梯度的出現，影響產品的使用性能。
4.結語
在實際生產中，我們深深地體會到，薄壁盤類零件在進行熱處理操作中，只要認真、細致地分析圖紙，針對材料的化學成分、零件的結構特點，采取恰當、合理的工藝方法，制作并選用適合零件形狀特點的工藝裝置，并且嚴格控制操作中容易出現問題的環節，不斷地總結經驗，改進不足，一定會將零件的翹曲變形控制在產品的技術要求范圍內，從而更好地保證生產的順利進行。
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作者：張宇慶
單位：遼寧省撫順市撫東機械廠
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