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热处理平衡的艺术

热处理的定义就是通过温度的变化改变工件内部显微组织，进而获得理性能的

工艺，而工件的性能往往多种多样，有些性能还存在彼此之间的矛盾关系。例如

我们经常遇到的强度和韧性，在一定范围内存在此消彼长的关系。因此，我们从

教科书中得到的专业启蒙教育就是，如何借助于热处理工艺获得良好的强韧性搭

配。

一、齿轮类零件的平衡关系

就齿轮类零件而言，基于其复杂的受力状态，强度和韧性无疑是最基本、最重要

的性能，我们在要求轮齿表面具有高硬度、高疲劳强度的同时，还应该具备良好

的冲击韧性，尤其是对于承受冲击载荷的越野车辆、工程机械齿轮，以及自然条

件和载荷多变的风电齿轮等。因此，我们将“刚柔并济、内外兼修”作为齿轮热处

理的最高境界。

要接近或趋向于上述占标，需要斟酌的因素，或者说要处埋的平衡关系很多，其

中包括：

1（）表面硬度的确定

根据表面耐磨性、脆性甚至磨削性能的要求，大部分齿轮的表面硬度控制在

58〜62HRC的范围。

2（）心部硬度的选择

有研究表明，齿轮心部硬度处于38HRC附近时，具有最好的接触疲劳强度和弯

此疲劳强度，在确定心部硬度范围时，还需平衡齿轮模数、材料淬透性以及变性

倾向的关系。

3（）硬化层深度的确定

目前一般取15%〜25%Mn作为有效硬化层深度，这里需要掌握的一个平衡关系，

就是节圆位置与齿根位置的硬化层匹配关系。为了避免两处的硬化层深度相差悬

殊，有些企业标准中明确规定，齿根拐角处硬化层深度不得低于节圆初深度的

70%o如美国EATON公司就明确规定，有效硬化层以轮齿节圆为准，允许齿根

比节圆处最多浅30%。

4（）表层中残留奥氏体数量的问题

残留奥氏体作为亚稳组织不仅影响表面硬度，也存在着由于后续转而影响」二件

尺寸和形状化的问题，因此，某些精密零件就有通过深冷处理而减少或消除残

留奥氏体的要求。但是残留奥氏体组织并非一无是处，它在吸收内应力能量，阻

滞微裂纹扩展，提高断裂韧性方面的积极作用也是明确的，因此，有专家建议，

将齿轮表层的残留奥氏体量控制在16%~19%的水平。

国外残留奥氏体与马氏体组织是分别要求的，而且往往只有残留奥氏体的要求，

并无马氏体的要求。残留奥氏体级别用百分比来表示，对于汽车、工程机械齿轮

来说，残留奥氏体量应低丁20%,相当丁•国内标准的3级，也有耍求低丁70%

的情况，相当于国内标准的2级。

(5)低温回火处理

渗碳淬火后低温回火处理非常重要，稍有不慎，就会前功尽弃。常规回火温度为

180~200℃,但是由于担心表面硬度等不达标，国内齿轮厂家普遍采用较低的回

火温度，有的已经低于160℃。

较低的温度如果再加上保温时间不够，就难以消除硬化层内的残留应力，这样的

齿轮往往是硬度有余，而韧性不足，在以后服役条件下容易出现断齿、崩角等严

重质量事故，有的齿轮轴在校直时就出现裂纹。

事实上，回火时虽然马氏体中析出的碳化物造成硬度下降，但与此同时残留奥氏

体会转成新的马氏体或贝氏体，同时增加表面压应力，表面硬度未必有明显降

低。有人统计，200℃和2300c回火，无论是在表面硬度、硬化层强度，还是表

面压应力方面都不会是质的化。相反，在硬度相近的情况下，经过略高温度回

火的零件，冲击韧性更佳，这与调质时所谓高淬高回能得到更佳综合力学性能的

道理是一样的。

二、齿轮平衡关系实例

下面是最近遇到的几个实例，从中可以体会到热处理行业内比比皆是的平衡关

系。

1.复杂结构齿轮的热处理

齿轮如图1所示，其结构特点是内有两段键，外7T轮齿，沿轴向截面对称性差,

在普通气氛渗碳炉(多用炉、连续炉)渗碳淬火处理，其变形量基本全部超标。

图1复杂结构齿轮

该齿轮的热处理难点就集中于控制内孔的椭圆与锥度变形，因此,减缓淬火烈度,

降低齿轮内应力就成为一个选项。而热处理具备的两个有利条件是：该齿轮