齿轮热处理技术的发展(1)
四川华庆公司
（赵海军
1. 目前存在的问题
1.1齿轮材料品质较低，铸锻件缺陷较多。
一些特殊要求的材料如直升机高温高硬度齿轮钢、高寒气候军用车辆低温抗冲击性能齿轮钢、低应力感应淬火齿轮钢等缺乏。
1.2化学热处理工艺的新方法的研究还比较单一与肤浅；目前常用的齿轮渗碳淬火变形大，磨齿时可能出现磨削裂纹、烧伤、磨削台阶及硬化层不均匀等；且渗碳周期较长、能耗高，易产生内氧化，影响齿根弯曲疲劳强度。
而采用氮化的方式，存在渗氮层薄，不适合较大模数的齿轮，若增加层深，时间太长，而且相成分控制困难；
感应淬火齿轮易出现齿根淬火开裂，硬化层与心部的过渡层薄弱，往往引起早期疲劳剥落，严重影响齿轮承载能力和可靠性。
2. 解决问题的方向
2.1提高齿轮钢材和铸锻件的冶金质量，降低钢中含氧量和非金属夹杂物；
2.2控制齿轮钢的淬透性带宽，上下限波动控制3HRC ；
2.3开发高温高性能钢、低温耐冲击钢、高压气淬微变形钢、快速渗氮钢及沉淀硬化钢等各类特殊性能齿轮钢。
2.4攻克化学热处理催渗技术及多参数热处理，以多元复合提高渗速及增加表层耐磨和强度。
2.5攻克深层渗氮技术，提高渗氮齿轮承载能力，扩大应用范围。
2.6研究齿轮感应淬火工艺应力形成机制和规律，优化淬火工艺，控制残余应力，克服淬火开裂；研究多频感应加热淬火及感应压床淬火新工艺。
2.7研究齿轮微变形热处理技术，减少齿轮热处理后的磨削加工，提高齿轮的精度及强度和生产效率。
3. 齿轮制造中的材料热处理技术发展趋势
3.1高承载能力、高精度、高可靠性。
现代机械设备的技术参数不断提高，对齿轮的性能提出了更高的要求。如风电齿轮、高速列车传动齿轮、核电及大型石化装备及各类车辆的齿轮等；因此，对材料热处理的冶金因素、残余应力与性能之间的关系必须更深入地研究，并运用有限元及断裂力学来计算、分析裂纹的形成与扩展，预测使用寿命，提高其可靠性。
3.2齿轮大型化、精密化现代机械设备越来越大型化。
[1**********]8）
如大型石化装备、水泥、钢铁冶金、矿山开采、电力、运输等，其传递功率增大，相应齿轮也就越来越大，而且加工精度要求还很高。现在渗碳淬火齿轮直径从1m →2m →3m ，最大直径已到5m ，单件齿轮重已达40t 以上，这使得渗碳工艺和热处理质量的控制成为了很大的难题。
3.3大批量生产、高质量要求我国汽车、工程机械及摩托车各类车辆齿轮的生产量以亿件计，这类齿轮的生产既要求高质量，又要求高速度，因此，热处理工艺的均匀性、稳定性就成为难点。
3.4更高的钢材冶金质量和锻件质量要求普遍采用真空脱气、钢包精炼方法，提高钢材纯净度，降低含氧量和非金属夹杂物，控制淬透性带；同时，采用合理的锻造工艺和锻后热处理，保证足够的锻造比，从而提高钢的力学性能和工艺性能，以满足齿轮高强度和高可靠度的要求。
3.5减小热处理变形，随着机械设备的大型、高速、高精度化，对齿轮传动也提出了更高的要求，最初的整体硬化（调质）从承载能力到经济性都不能满足工业发展的需要，现在已普遍采用硬齿面热处理工艺，其中又以渗碳淬火为主。困扰多年的渗碳碳势控制已经解决，而留下一个最大的难题就是热处理变形，其不仅影响齿轮的精度，还影响齿轮的强度。然而，由于齿轮的热处理变形的影响因素很多，其技术难度相当大，因此需要付出很大的努力。应力平衡法是解决变形的好方法。
3.6热处理工艺计算机模拟，随着现代计算机技术的发展，从齿轮强度和热处理工艺综合的角度开展CAD 、CAE 工程应用的研究；在热处理工艺方面对加热、冷却过程的温度、热传递、组织转变、应力等进行模拟，从而提高热处理工艺水平和齿轮的承载能力。
3.7热处理工艺节能、环保工业生产的节能、环保是对齿轮热处理生产的重要考验。在硬齿面齿轮热处理工艺中，渗碳淬火具有最佳综合力学性能，但也是耗能最大、污染最严重的工艺，而渗氮、表面感应淬火则是节能、低污染的工艺，但两者的承载能力都受到限制，国内外一直进行着扩大在齿轮中应用的研究，有潜力但尚需更多的努力。
3.8化学热处理催渗技术及多参数热处理
新型复合渗是将［C］、［N］及［Ax］原子同时渗入工件表面的一种复合化学热处理。这种渗剂的应用；可降低工艺温度，缩短周期，减少能耗，减小的零件变形，提高渗层硬度，特别是薄壁零件的处理更显出其优越性；金相组织较常规处理的致密而细小；表面具有良好的防腐性能；渗剂可根据零件的服役条件调整［C、N］、Ax的浓度。
3.9复合微渗技术
复合微渗防腐淬火法是在常规淬火温度状态下，淬火加热过程中通入一定量的复合渗剂，在淬火加热的同时表面形成一薄层的［C］、［N］及［Ax］复合共渗化合物；因加热（淬火）温度较低，应力相对较小，热处理变形较小，而表面形成的复合化合物具有耐磨、防腐的效果，这种方法处理后的工件一般不需要再进行表面处理，是一种环保、节能、低碳、低成本、高质量、零件表面耐磨与防腐、微变形的先进工艺方法；国外早在七十年代就被一些先进国家广泛用于生产。
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3.10离子热处理技术
发展最快、工业应用最广的等离子体热处理方法是等离子体化学热处理。与常规化学热处理相比，等离子体化学热处理具有优质、高效、低耗、洁净、无公害等特点。但是，此技术用于批量大的小工件及其他小零件(如螺栓、螺母、链条等) 时，装炉麻烦，渗层质量不易控制。而且，同炉混装不同形状、尺寸的工件时，不易均匀控制工件温度。
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齿轮热处理技术的发展(1)
四川华庆公司
（赵海军
1. 目前存在的问题
1.1齿轮材料品质较低，铸锻件缺陷较多。
一些特殊要求的材料如直升机高温高硬度齿轮钢、高寒气候军用车辆低温抗冲击性能齿轮钢、低应力感应淬火齿轮钢等缺乏。
1.2化学热处理工艺的新方法的研究还比较单一与肤浅；目前常用的齿轮渗碳淬火变形大，磨齿时可能出现磨削裂纹、烧伤、磨削台阶及硬化层不均匀等；且渗碳周期较长、能耗高，易产生内氧化，影响齿根弯曲疲劳强度。
而采用氮化的方式，存在渗氮层薄，不适合较大模数的齿轮，若增加层深，时间太长，而且相成分控制困难；
感应淬火齿轮易出现齿根淬火开裂，硬化层与心部的过渡层薄弱，往往引起早期疲劳剥落，严重影响齿轮承载能力和可靠性。
2. 解决问题的方向
2.1提高齿轮钢材和铸锻件的冶金质量，降低钢中含氧量和非金属夹杂物；
2.2控制齿轮钢的淬透性带宽，上下限波动控制3HRC ；
2.3开发高温高性能钢、低温耐冲击钢、高压气淬微变形钢、快速渗氮钢及沉淀硬化钢等各类特殊性能齿轮钢。
2.4攻克化学热处理催渗技术及多参数热处理，以多元复合提高渗速及增加表层耐磨和强度。
2.5攻克深层渗氮技术，提高渗氮齿轮承载能力，扩大应用范围。
2.6研究齿轮感应淬火工艺应力形成机制和规律，优化淬火工艺，控制残余应力，克服淬火开裂；研究多频感应加热淬火及感应压床淬火新工艺。
2.7研究齿轮微变形热处理技术，减少齿轮热处理后的磨削加工，提高齿轮的精度及强度和生产效率。
3. 齿轮制造中的材料热处理技术发展趋势
3.1高承载能力、高精度、高可靠性。
现代机械设备的技术参数不断提高，对齿轮的性能提出了更高的要求。如风电齿轮、高速列车传动齿轮、核电及大型石化装备及各类车辆的齿轮等；因此，对材料热处理的冶金因素、残余应力与性能之间的关系必须更深入地研究，并运用有限元及断裂力学来计算、分析裂纹的形成与扩展，预测使用寿命，提高其可靠性。
3.2齿轮大型化、精密化现代机械设备越来越大型化。
[1**********]8）
如大型石化装备、水泥、钢铁冶金、矿山开采、电力、运输等，其传递功率增大，相应齿轮也就越来越大，而且加工精度要求还很高。现在渗碳淬火齿轮直径从1m →2m →3m ，最大直径已到5m ，单件齿轮重已达40t 以上，这使得渗碳工艺和热处理质量的控制成为了很大的难题。
3.3大批量生产、高质量要求我国汽车、工程机械及摩托车各类车辆齿轮的生产量以亿件计，这类齿轮的生产既要求高质量，又要求高速度，因此，热处理工艺的均匀性、稳定性就成为难点。
3.4更高的钢材冶金质量和锻件质量要求普遍采用真空脱气、钢包精炼方法，提高钢材纯净度，降低含氧量和非金属夹杂物，控制淬透性带；同时，采用合理的锻造工艺和锻后热处理，保证足够的锻造比，从而提高钢的力学性能和工艺性能，以满足齿轮高强度和高可靠度的要求。
3.5减小热处理变形，随着机械设备的大型、高速、高精度化，对齿轮传动也提出了更高的要求，最初的整体硬化（调质）从承载能力到经济性都不能满足工业发展的需要，现在已普遍采用硬齿面热处理工艺，其中又以渗碳淬火为主。困扰多年的渗碳碳势控制已经解决，而留下一个最大的难题就是热处理变形，其不仅影响齿轮的精度，还影响齿轮的强度。然而，由于齿轮的热处理变形的影响因素很多，其技术难度相当大，因此需要付出很大的努力。应力平衡法是解决变形的好方法。
3.6热处理工艺计算机模拟，随着现代计算机技术的发展，从齿轮强度和热处理工艺综合的角度开展CAD 、CAE 工程应用的研究；在热处理工艺方面对加热、冷却过程的温度、热传递、组织转变、应力等进行模拟，从而提高热处理工艺水平和齿轮的承载能力。
3.7热处理工艺节能、环保工业生产的节能、环保是对齿轮热处理生产的重要考验。在硬齿面齿轮热处理工艺中，渗碳淬火具有最佳综合力学性能，但也是耗能最大、污染最严重的工艺，而渗氮、表面感应淬火则是节能、低污染的工艺，但两者的承载能力都受到限制，国内外一直进行着扩大在齿轮中应用的研究，有潜力但尚需更多的努力。
3.8化学热处理催渗技术及多参数热处理
新型复合渗是将［C］、［N］及［Ax］原子同时渗入工件表面的一种复合化学热处理。这种渗剂的应用；可降低工艺温度，缩短周期，减少能耗，减小的零件变形，提高渗层硬度，特别是薄壁零件的处理更显出其优越性；金相组织较常规处理的致密而细小；表面具有良好的防腐性能；渗剂可根据零件的服役条件调整［C、N］、Ax的浓度。
3.9复合微渗技术
复合微渗防腐淬火法是在常规淬火温度状态下，淬火加热过程中通入一定量的复合渗剂，在淬火加热的同时表面形成一薄层的［C］、［N］及［Ax］复合共渗化合物；因加热（淬火）温度较低，应力相对较小，热处理变形较小，而表面形成的复合化合物具有耐磨、防腐的效果，这种方法处理后的工件一般不需要再进行表面处理，是一种环保、节能、低碳、低成本、高质量、零件表面耐磨与防腐、微变形的先进工艺方法；国外早在七十年代就被一些先进国家广泛用于生产。
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3.10离子热处理技术
发展最快、工业应用最广的等离子体热处理方法是等离子体化学热处理。与常规化学热处理相比，等离子体化学热处理具有优质、高效、低耗、洁净、无公害等特点。但是，此技术用于批量大的小工件及其他小零件(如螺栓、螺母、链条等) 时，装炉麻烦，渗层质量不易控制。而且，同炉混装不同形状、尺寸的工件时，不易均匀控制工件温度。
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