齿轮热处理学习笔记分享

对于一个做冷加工的人来说，热处理是一个神秘的话题，但是一点都不去了解的话，工作也无法进行。所以抽点时间来学习一下齿轮热处理相关的内容，做成笔记分享给爱学习的小伙伴们，文章较长，需要一些耐心去阅读，可能不全面或者有错误的地方希望与大家交流，也请专家们评论批评指正，谢谢！

齿轮热处理工艺是什么

热处理是齿轮制造过程中一个关键而复杂的元素，它极大地影响着齿轮在传输动力或将运动传递到组件中的其他部件时的性能。热处理通过改变齿轮的化学、冶金和物理特性来优化齿轮的性能并延长齿轮的使用寿命。这些特性是通过考虑齿轮的几何形状、动力传输要求、齿轮在负载下不同点的应力、负载循环率、材料类型、配合部件设计和其他操作条件来确定的。

齿轮热处理的目的

热处理改善了表面硬度等物理特性，从而赋予了耐磨性，防止齿和轴承表面简单地磨损。热处理还可以通过产生亚表面压缩应力来防止齿轮齿上的高接触应力导致的点蚀和变形，从而延长齿轮的疲劳寿命。这些相同的压缩应力可防止因周期性齿弯曲而导致的齿轮根部疲劳失效。表面硬度、芯部硬度、表面深度、延展性、强度、耐磨性和压缩应力分布等物理特性会因所采用的热处理类型而有很大差异。对于任何给定类型的热处理，可以通过修改工艺参数（例如加热源、温度、循环时间、气氛、淬火介质和回火循环）来定制结果，以满足特定的应用要求。

除了选择能够产生一组所需物理特性的热处理方法外，制造工程师还希望尽量减少处理过程中的尺寸变形，以便最终能够正确装入齿轮箱。许多齿轮在热处理之前的加工会留出余量，通过选择变形较小的热处理工艺，可以减少所需的磨削余量，以尽量减少热处理后对硬化表面的加工，从而降低制造总成本。去除过多变形较大的表面硬化齿轮最外层也会对疲劳性能和磨损寿命产生负面影响。

一些热处理工艺旨在处理齿轮的整个表面，而另一些热处理工艺则具有选择性。可以采用感应淬火或选择性加热来仅硬化齿轮齿，这是一种减少齿轮变形的有效方法。在表面硬化工艺中，可以对轴颈和键槽进行遮蔽，以保持其韧性，并允许在热处理后更容易去余量。通过智能热处理工艺设计减少变形，制造工程师可以提高齿轮的性能和降低齿轮制造的总体成本。

齿轮的热处理有很多选择。正确选择和设计热处理工艺可以极大地影响齿轮的性能、制造简易性和经济性。下面来看看每种工艺的一些优点和缺点。

在此之前来补点热处理基础知识

热处理基础知识

要理解热处理，需要回顾一下冶金学的基本知识，上学的时候感觉是天书之一。铁与少量碳结合形成钢。普通碳钢通常含有 1% 或更少的碳和铁。任何普通碳钢在热处理过程中可以达到的最大硬度主要取决于其碳含量。碳含量较高的钢能够硬化到比碳含量较低的钢更高的硬度值。

为了制造合金钢，需要向钢中添加少量其他元素，例如 Cr、Ni、Mo、Si、B、V、Ti、Al、N、Nb、W 和 Cu（最常见的元素）。添加这些合金元素是为了提高淬硬性或增强特定性能，例如韧性或抵抗热积聚软化的能力。对于热处理器来说，更高的淬硬性允许更慢的淬火，这意味着在合金含量更高的钢中可以将变形保持在较低水平。钢可以通过高温热处理和缓慢冷却来软化。在这种柔软且可塑的状态下，钢可以很容易地被加工、成型、滚削和研磨成所需的形状。

钢在工业上的重要性在于，在材料在软状态下成型或定型为所需的几何形状后，钢可以硬化。通过使用热处理循环，将钢加热到奥氏体化温度并快速淬火，可以使接近成品的部件硬化，以提高耐磨性、强度和硬度。淬火到可实现的最大硬度（由钢的碳含量决定）后，钢可以回火到较低的硬度，以提高延展性和韧性，但会略微降低材料的强度、硬度和耐磨性。

在热处理过程中，钢材中实际发生的是相变，原子重新排列成不同的晶体结构。大多数热处理部件的起点是退火材料。事实上，购买钢材时，钢材通常处于退火状态。退火结构主要是铁素体 (Fe，纯铁) 和碳化铁 (Fe3C，渗碳体) 的组合。它们将以铁素体和 Fe3C 交替层 (珠光体结构) 的形式出现，或以铁素体和分散的 Fe3C 球体或球状体 (球化结构) 的形式出现。当钢被加热到其奥氏体化温度以上时，它会转变为奥氏体结构。大多数普通碳钢的近似奥氏体化温度约为 1330F，具体温度因钢的确切等级而异。

一旦钢完全转变为奥氏体结构，奥氏体可能会被淬火 (快速冷却)，并且该奥氏体结构将转变为马氏体结构。奥氏体向马氏体的转变就是硬化过程。马氏体结构具有该钢种所有结构中最高的硬度和抗拉强度特性。从奥氏体生成马氏体结构是钢的硬化热处理的目标。该硬化过程的一个关键方面是淬火期间采用的冷却速度。每种等级的钢都要求在淬火期间达到一定的最低冷却速度，否则不会发生从奥氏体到马氏体的转变。在高温下保持的奥氏体钢如果过慢地淬火至环境温度，则不会从奥氏体转变为马氏体结构。它们反而会再次恢复为铁素体和渗碳体的较软混合物。

上面这个表上每种方法都有其适用之处；有些方法非常适合大批量处理，而有些方法则仅适用于逐件处理。有些方法可以改善所有冶金性能，而有些方法只能改善一两种性能。

Neutral Hardening(中性淬火）

这个词感觉挺怪的，查了下，“Neutral Hardening ”是美国结构钢最常用的淬火工艺，用于硬化钢的热处理一般分为两类：中性硬化和表面硬化。中性硬化是指在硬化周期内将大气中的碳势保持在与钢中碳相同的百分比。这意味着碳以相同的速率进入和离开钢的表面，并且钢表面内的碳原子不会净增加或净损失。许多齿轮都是中性硬化的，但对于最苛刻的应用，表面硬化工艺（例如渗碳和氮化）是首选方法，因为它们具有更好的耐磨性和机械性能。

Atmosphere Carburizing气氛渗碳

渗碳是最广泛使用的表面硬化形式，是在高温下将碳扩散到低碳钢表面的过程。这会导致在低碳部件的表面内形成高碳外壳。在从奥氏体化温度淬火的过程中，奥氏体将转变为马氏体，碳含量较高的外壳将具有高硬度，而碳含量较低的核心材料将具有较低的硬度。该过程的目标是产生坚硬、坚固、耐磨的外表面，同时保留较软、延展性强的坚韧核心。

当奥氏体在淬火过程中转变为马氏体时，材料会发生体积膨胀，并且体积会不断增大。例如，当对齿轮齿施加力时，它首先必须克服这些压缩力，然后才能开始使齿的表面处于拉伸状态。为了使这种材料变形，需要施加的力要超过克服现有压缩应力和材料正常屈服强度的总和。这些压缩应力是由外壳和芯部之间的体积膨胀率差异引起的，可提高齿轮齿内渗碳外壳的整体拉伸强度和屈服强度。正是这些压缩应力抵抗了齿轮齿相互挤压和滚动时产生的高接触应力造成的变形。这些压缩应力还有助于防止齿根在齿周期性地承受弯曲应力时开裂，从而延长疲劳寿命。渗碳外壳的高碳、高硬度表面还能抵抗齿轮齿相互摩擦而造成的磨损和划伤。

讨论齿轮热处理时，不能不讨论齿轮变形，齿轮变形有多种原因。其中一个原因是材料中预先存在的残余应力，这些应力是由炼钢、轧制、成型、锻造、铸造、机械加工和研磨等先前的操作引起的。当材料在渗碳过程中开始升温时，如果这些应力很大或不均匀，材料中存在的残余应力就会减轻，并导致齿轮变形。

变形的第二个来源是加工过程中的高温蠕变。重力是热加工过程中许多齿轮设计的敌人，特别是在渗碳过程中，高温和长时间加工是常态。在高温下，钢的强度很小，如果零件的某些部分没有得到适当的支撑，或者组件没有竖直或完全笔直地悬挂，钢就会在重力作用下下垂和弯曲。花额外的时间正确固定零件，并设计定制的夹具以在高温下正确支撑齿轮，可以节省大量的矫直和机加工时间。某些零件形状（例如长轴）最好垂直放置以保持直线度，而其他形状（例如环）最好水平放置以保持圆度。热处理夹具的选择和设计经验会极大地影响结果。

第三个变形源是淬火，这通常是热处理过程中零件变形的主要原因。理想的淬火是最慢的淬火，可以均匀地将热量从零件中带出，同时仍将表面完全转化为马氏体并实现所需的外壳和核心性能。这听起来很容易，但在实践中，考虑到许多齿轮的设计和复杂形状，这可能相当困难。由于客户零件几何形状的变化、夹具设计的限制、淬火槽搅拌不均匀以及零件与零件或零件与夹具之间的相互作用，这是最难解决和预测的变形机制。即使在单个零件中，组件的一些较薄部分也可能比较厚的部分冷却得更快，从而导致一个区域比另一个区域更早转变，并且由于转变及其相关的体积膨胀在淬火期间发生在不同时间，因此尺寸会扭曲。

当变形达到不可接受的程度时，需要找到解决方案。在尝试了所有加工参数、固定方法、淬火改进以及确保零件在热处理前没有应力之后，需要考虑其他选择。这可以像矫直步骤一样简单，也可以像重新设计零件一样困难。其他一些热处理方法也可以提供更有效的减少变形的解决方案。当在特定齿轮几何形状的传统渗碳过程中导致过度变形时，可以采用诸如压淬、齿对齿感应淬火、真空渗碳和气体淬火以及氮化等工艺。

齿轮压力淬火

Press Quenching of Gears（齿轮压力淬火）是一种通过施加机械压力控制齿轮变形的高精度淬火工艺，常用于渗碳或感应淬火后的齿轮热处理。

核心目的：在淬火冷却过程中，通过刚性模具或压头对齿轮施加压力，约束其自由收缩，从而大幅减少变形（如齿形扭曲、内孔椭圆度变化等）。

适用场景：高精度齿轮（如汽车变速箱齿轮、风电齿轮）要求淬火后齿形、齿向误差极小（通常控制在微米级）。

主要过程是：

加热：齿轮经渗碳或感应加热至奥氏体化温度（如渗碳后约850℃）。

转移：快速将齿轮移至带有模具的压力淬火机床。

加压淬火：模具闭合，对齿轮齿面、内孔等关键部位施加均匀压力（通常0.5~5 MPa）。同时喷淋淬火介质（如油或聚合物溶液），实现可控冷却。

释放压力：冷却至马氏体转变完成后，移除压力并取出齿轮。

当齿轮被转移到压力机上并放置在模具上进行淬火时，会使用专门为淬火齿轮设计的工具对其进行约束。油流对于压制操作的成功至关重要，以尽量减少任何变形。油流从油箱通过下模组件内的腔室或孔流出，然后向上循环并绕着工作台流到基于下模台的油流环。可以通过操纵位于支撑环下方的油流环来控制油流。根据淬火的齿轮，可以限制或完全打开油流。该流量通过定时器控制阀进行调节。内缸力作用在齿轮的边缘以解决平整度问题，而外缸可用于向轮毂表面施加压力或施加压力以扩大膨胀心轴，以控制花键或孔径尺寸。

在孔中使用塞子还是扩张器取决于要实现的目标。当热处理人员试图在实际淬火部件之前将工具扩张到符合预期的孔径时，会使用扩张器。其目的是尽量减少可能发生的任何“不圆”情况。孔径较大且壁厚较薄的齿轮是使用扩张器来防止任何不圆情况的主要候选对象。塞子用于保持孔的尺寸。将塞子磨削成接近预期孔径的尺寸。热处理人员试图使孔均匀冷却或收缩到一定尺寸。孔的精磨操作通常在塞子淬火后进行。

齿轮淬火过程中出现的另一个问题是孔径沿孔长逐渐变细。这是由于某些齿轮沿轴线存在截面变化而引起的。使用膨胀器并对内筒施加各种压力可最大程度地减少逐渐变细。在某些齿轮设计中，无法消除逐渐变细，但可以将其最小化。

LCP/高压气体淬火

LCP/High Pressure Gas Quench（低压渗碳+高压气体淬火） 是一种结合低压渗碳（Low Pressure Carburizing, LPC）与高压气体淬火（HPGQ）的先进热处理工艺，主要用于高精度、复杂形状齿轮的表面硬化，兼顾高硬度和低变形。

采用高压气淬的低压渗碳 (LPC) 是一种相对较新的渗碳技术，在过去十年中得到了越来越广泛的应用。过去 10 年中，它已成为汽车变速箱齿轮渗碳处理的热门选择，通用汽车、福特、克莱斯勒和许多外国汽车制造商现在都采用此工艺。目前，许多燃油喷射器都采用此技术进行渗碳。一些航空航天部件也采用低压渗碳，旋翼机变速箱齿轮是 LPC 的另一个早期采用者。

不同炉制造商生产的 LPC 设备形式各异，概念和设计也各不相同。一般来说，该设备由真空室组成，真空室能够将零件加热到渗碳温度，并能够注入少量低压碳氢化合物气体作为碳源。除了渗碳室外，还有淬火室，淬火室中可使用高压惰性气体冷却渗碳热负载，从而快速冷却零件，使外壳和核心结构中的奥氏体转变为马氏体，从而实现硬化。气体淬火室配备强力风扇，能够注入通常高达 20 巴正压的气体，并结合使用冷冻水的热交换器快速去除淬火气体中的热量。最常见的淬火介质是高压氮气，更常见的渗碳气体是丙烷和乙炔。然而，许多炉制造商使用不同的气体和混合气体作为碳源和淬火气体。

LPC 和高压气体淬火需要高淬硬性合金。所用材料的典型等级为 8620、5120、4118、17CrNiMo6、9310、3310、8822H、4822 和 8630。可渗碳和油淬的低淬硬性普通碳钢根本无法使用气体淬火进行淬硬，因为它们不会因冷却速度太慢而正确转变。即使采用高淬硬性等级，也必须考虑芯部硬度，因为与油淬部件相比，气体淬火会产生较低的芯部硬度。

LPC 的一个主要优点是，气淬时同样的缓慢冷却速度可使淬火变形较小。许多无法成功进行油淬并保持所需尺寸公差的零件，都能够用气淬进行 LPC 加工，并获得可接受的尺寸。通过消除与液体淬火（蒸汽、沸腾和对流冷却同时发生）相关的零件不均匀冷却，并用冷却速度较慢、更均匀和纯对流的气体淬火代替，齿轮表面以较慢的速度更均匀地冷却，可以大大减少变形。采用气淬的 LPC 有时可以省去热处理后的矫直或夹紧回火操作，减少磨削毛坯余量和硬加工，或取代更昂贵的工艺，如单个齿轮的压淬。

LPC 的第二个优点是加工后零件的清洁度。成品零件从炉中出来时非常干净。有时几乎很难识别热处理和未热处理的零件。因此，热处理零件会略微变色，使用变色工艺可以识别热处理零件。相比之下，传统渗碳采用油淬火，油会燃烧到表面上，成品零件通常很暗、很黑，表面有油残留。

LPC 工艺的另一个优点是，它能够在增压过程中利用碳势更高的气氛，从而与传统渗碳工艺相比，在更深的表层获得更高的硬度值。在过渡到核心之前，更深的表面硬度会给表面表层材料带来更大的压缩应力，并通过齿轮齿上的高单点滚动接触应力提高疲劳性能和抗变形能力。

LPC 处理相对于传统渗碳的另一个优势是齿轮齿根处可达到的渗层深度。LPC 处理后的有效渗层深度的齿距与齿根比非常均匀。在传统的齿轮渗碳处理中，齿根处的渗层深度通常可能仅为齿中齿距位置处的渗层深度的一半。使用 LPC 处理后，齿轮齿根处的有效渗层深度几乎等于齿轮齿中齿距位置处的渗层深度。齿轮齿根处的这种更深的渗层深度可延长齿弯曲条件下的疲劳寿命，在这方面将优于传统渗碳部件。

LPC 的另一个优点是零件表面不存在任何晶间氧化 (IGO)。这样齿轮制造商就无需打磨外壳来去除 IGO，从而节省了宝贵的时间和制造成本。在传统吸热气氛炉中进行渗碳处理的任何齿轮上通常都会存在 0.0003 英寸至 0.0007 英寸深的 IGO。

LPC 工艺可产生出色的冶金和尺寸效果，这是高性能传动齿轮所必需的。许多类型的齿轮和产品都非常适合 LPC 工艺，上文已概述了该工艺的优点。该工艺的主要缺点是 LPC 设备需要大量资金，且耗材昂贵。工艺工程、操作和维护所需的技能水平比传统渗碳更高。可处理的负载大小也受到限制，因为气体淬火需要处理较轻的负载才能足够快地冷却它们。

当然它也有一下局限性：

设备成本高：真空炉+高压气淬系统投资大。

工艺复杂：需精确控制气体压力与冷却速率。

Gas Nitriding气体氮化

用于合金钢表面硬化的气体氮化工艺允许以最小的变形处理复杂的结构。该工艺在低亚临界温度下进行，完全避免了渗碳过程中与钢的高温奥氏体化和淬火相关的结构转变问题。在本文前面，我们详细介绍了渗碳变形的三个原因，包括预先存在的残余应力的应力消除、高温蠕变变形和淬火时的相变。由于在低氮化温度下没有相变，因此不存在相变引起的变形。在低亚临界氮化温度下，几乎不用担心因高温蠕变而导致的变形。这只剩下残余应力的应力消除是氮化过程中变形的可能原因。为了消除这种变形源，氮化齿轮的典型制造顺序是粗加工，在高于氮化温度 50 华氏度的温度下应力消除，最终加工尽可能少地向零件施加应力，然后氮化。氮化通常在几乎不发生变形的精加工零件上进行，并且通常不需要后热处理加工来消除公差。

氮化工艺基本上是将钢表面置于氮化温度下，与氨气 (NH3) 接触。氨在钢表面分解，产生原子氮，原子氮随后可扩散到齿轮中，与钢中的特定合金元素发生反应，形成合金氮化物，从而在齿轮表面下形成硬化耐磨外壳。

气体渗氮工艺有许多好处。其目的是用相对便宜的合金钢生产出非常坚硬、耐磨、承重的外壳。低处理温度将变形和生长保持在最低限度，并且通常在精加工零件上进行。该工艺运行非常简单，与前面讨论的其他表面硬化工艺相比，需要控制的变量更少。缺乏淬火是渗碳结果变化的主要原因，但在渗氮中不存在，并且可以实现更好的控制和更高的可重复性。渗氮外壳也不会像渗碳齿轮那样软化或回火，渗碳齿轮在低至 300 华氏度的温度下开始失去硬度。渗氮外壳在暴露于 1000 华氏度以上的温度下才会软化，并且可以承受高使用温度。孤立的表面可以掩盖氮化并保持柔软，以便于加工、焊接或其他目的。一些低合金钢的耐腐蚀性也通过氮化略有改善。

气体氮化的一些局限性包括由于扩散温度低，只能实现较浅的渗层深度（某些材料的最大深度为 0.030 英寸）。氮化合金的选择仅限于单独或组合含有 Cr、Mo、V、Ti、W 和 Al 的材料。如果形成氮化网络，偶尔会出现渗层剥落的问题，但可以通过适当的控制将其最小化。氮化不锈钢会因氮化而失去大部分耐腐蚀性，因为铬会与氮结合，从而破坏不锈钢表面上通常存在的保护性氧化铬层。

气体氮化工艺是一种现成的热处理工艺，可产生极硬、承载耐磨的表面，深度范围为 0.005 英寸至 0.025 英寸。该工艺可在许多常用合金钢上进行，尺寸变化最小，且核心机械性能保持率高。

感应淬火齿轮齿

感应热处理是一种局部热处理，用于增加部件的疲劳寿命、强度和耐磨性。感应淬火是通过将部件置于交变磁场内，从而在表面形成电流来实现的。热量是由材料中的 I2R 损耗产生的，允许热处理器选择性地仅对部件的表面材料进行奥氏体化，同时保持核心材料不变。不仅表面仅被选择性加热，而且感应只允许加热那些所需的表面，而其他表面可以保持冷却。对于齿轮，可以只对单个齿的近表面进行奥氏体化，而使部件的其余部分在加工过程中保持冷却。随后，将加热的齿轮表面在水、油或聚合物基淬火中淬火，以将奥氏体转化为马氏体，从而增加所需区域的硬度，同时使部件的其余部分几乎不受影响。

齿轮淬火：有许多因素决定选择哪种合适的感应淬火工艺。几何形状、材料的磁导率和所需的机械性能等因素将决定频率、功率密度和加热时间等加工变量。

齿轮淬火时，有多种频率可供选择。频率与电流穿透深度成反比。因此，较低的频率会导致电流在更深的深度形成，而较高的频率会在表面附近产生热量。齿形是选择正确频率的重要因素，因为高频会先加热齿尖，低频会先加热齿根。

功率密度和加热时间对于实现所需的机械性能以及最小的尺寸移动量和相关的开裂风险至关重要。计算功率密度时，应使用 12 KW/in2 的目标值，以最大限度地减少进入组件核心的总热量。应始终优化加热时间，以在所需的硬化深度实现完全转变为奥氏体。

轮廓感应淬火：轮廓感应淬火可产生具有相关拉伸应力的坚韧芯部和具有压应力的硬化表面层，该表面层在尖端、侧面和根部表现出压应力。广泛的产品验证测试已确定，与其他类型的感应淬火相比，这种应力组合最能延长部件的疲劳寿命和耐磨性，同时产生的尺寸移动量最少。

获得轮廓硬化图案的最常见方法是使用频率的“混合”来同时加热尖端、侧面和根部。这是通过同时产生高频和低频并同时使它们通过电感器来实现的。这种类型的电源在市场上相对较新，被称为“同步双频”发生器。大多数这些装置允许技术人员单独调整零件所见的各种频率的强度。这为他们提供了灵活性，可以根据牙齿的特定几何形状定制或塑造图案的形状。

单齿淬火：单齿淬火主要用于感应热处理齿轮齿，以提高强度和耐磨性。该过程通过一次淬火一个齿根来完成。每个齿根淬火后，系统将零件索引到下一个位置，然后重新开始该过程。这个过程很耗时，因为 55 齿齿轮需要 55 个淬火循环才能完成。然而，它主要用于淬火非常大、体积小的零件，这些零件无法使用传统设备完成，因为同时加热整个零件需要大量电力，或者直径非常大的齿轮无法放入任何现有的渗碳炉中。

为了硬化齿根，线圈位于相邻齿之间。这种配置使齿根和每个相邻齿的齿面硬化，如图 8 所示。这种硬化方法为齿轮的接触区域提供了强度和耐磨性，同时通过保持齿尖不硬化来最大限度地减少尺寸移动。

齿轮表面硬化热处理技术多种多样。热处理工艺可定制，以最大程度延长齿轮使用寿命并优化齿轮在服务应用中的性能，方法是定制热处理工艺以获得所需的特定性能。变形始终是热处理工艺中的一个因素，但可以通过选择特定的加工参数、熟悉夹具、使用不同类型的表面硬化工艺以及采取额外措施确保齿轮在热处理前具有最小的应力来控制和最小化变形。没有一种热处理工艺优于另一种，但最终它们都相得益彰。