熱處理畸變原因分析及畸變規(guī)律

                                齒輪熱處理畸變原因分析及畸變規(guī)律

齒輪的熱處理，如整體熱處理、表面熱處理及化學熱處理等均需要通過加熱和冷卻的過程。因此，不可避免地造成齒輪內(nèi)部產(chǎn)生熱應力和組織應力。但其中最容易造成畸變的是淬火過程，由于淬火過程中組織比體積變化大、加熱溫度高、冷卻激烈等，因此導致畸變的因素較多。

工件因冷卻不均勻，產(chǎn)生翹曲畸變，其畸變趨勢取決于當時的熱應力、組織應力和體積畸變量的大小。當熱應力作用占主導時，工件向快冷面凸起；反之，以組織應力占主導時，使慢冷面凸起。冷卻速度越快，造成冷卻不均勻程度越嚴重，則翹曲畸變越顯著。實踐證明，形狀不對稱工件，無論什么鋼種，在完全淬硬的情況下，若采用水或鹽水淬火，多數(shù)是冷卻快的一面凸起；如果油淬或硝鹽分級淬火，則多是慢冷面凸起。顯然，前者是因為水的冷卻速度快，熱應力顯著；后者則組織應力顯著，因此產(chǎn)生了完全相反的畸變。

為了減小工件熱處理畸變，應盡量減小熱處理應力。為了避免裂紋產(chǎn)生，應預防工件中出現(xiàn)較大的拉應力，即淬火過程應盡可能減少組織應力，或者增加熱應力也可以達到同樣的目的。

1.熱應力引起的畸變及其畸變規(guī)律

熱應力引起的畸變主要發(fā)生在熱應力產(chǎn)生的初期，這時工件內(nèi)部處在塑性較好的高溫狀態(tài)。因此，當初期的熱應力（表層為拉應力、心部為壓應力）超過鋼在該溫度下的屈服強度時即發(fā)生塑性畸變。

（1）加熱時產(chǎn)生的熱應力引起的畸變

工件入爐加熱時，其表面受熱而產(chǎn)生膨脹，加熱溫度越高，材料的線膨脹系數(shù)越大，則膨脹量越大。

對于熱處理畸變要求較小的工件，為了減小加熱時產(chǎn)生的熱應力，工件應先經(jīng)過預熱再逐步加熱到高溫。即使對于溫度低、畸變小的滲氮工藝，緩慢升溫常常也是保證減小齒輪畸變的有效方法之一。

（2）冷卻時產(chǎn)生的熱應力引起的畸變

工件冷卻時所產(chǎn)生的熱應力比其加熱時所產(chǎn)生的熱應力，對熱處理畸變的影響更大。特別是碳鋼工件在鹽水中冷卻時，由于溫差大，熱應力往往是造成工件畸變的主要原因。

（3）熱應力引起的畸變規(guī)律

加熱溫度越高，熱應力越大，畸變越大；工件截面積越大，畸變越大；鋼的導熱性越差，畸變越大；冷卻速度越快，畸變越大。熱應力造成工件的畸變規(guī)律如下：①沿最大尺寸方向收縮，沿著最小尺寸方向伸長；②平面凸起，直角變鈍角，趨于球形；③外徑脹大，內(nèi)徑縮小。

2.組織應力引起的畸變及其畸變規(guī)律

（1）組織應力引起的畸變

組織應力引起的畸變，即影響工件體積的主要因素，其是由于相變所引起的比體積變化造成的。

由于各種組織的比體積不同，在淬火加熱和冷卻過程中必然發(fā)生體積的變化。這種畸變的特點是工件的各部分尺寸按比例同速率的膨脹或收縮，并不改變工件的外形。表1為碳鋼淬火、回火后因組織改變而引起的體積變化。由表可以看出，淬火時原始組織為球狀珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或下貝氏體組織使體積脹大；而奧氏體使體積縮小?；鼗饡r馬氏體分解，體積也縮小。鋼中不同組織的線膨脹系數(shù)見表2。

表1   碳鋼淬火、回火后的體積變化

注：W_C—表示溶入各組織中碳的質(zhì)量分數(shù)（%）。

表2   鋼中不同組織的線膨脹系數(shù)

馬氏體轉(zhuǎn)變時的體積變化，與淬火鋼馬氏體中的含碳量有關(guān)，如表3所示。通過表可以看出，鋼中含碳量越高，則轉(zhuǎn)變馬氏體時的比體積變化越大，即膨脹量大。另外，鋼中碳化物的分布也與畸變有關(guān)，即碳化物的不均勻分布往往能夠增大畸變程度。

表3   馬氏體轉(zhuǎn)變時的體積變化與含碳量的關(guān)系                             

注：W_C—淬火鋼馬氏體中的含碳量（質(zhì)量分數(shù)，%）。

馬氏體轉(zhuǎn)變時的體積變化將產(chǎn)生不同的相變畸變量，這就可能造成畸變。這種畸變即使不在熱處理完成之后就立即產(chǎn)生，也會在隨后任何一個機加工工序中產(chǎn)生。

組織應力的產(chǎn)生是起源于工件體積的收縮和膨脹。因此，組織應力和體積膨脹是同時起作用的。

奧氏體中的含碳量越多，畸變越大；形成的馬氏體量越多，畸變越大；殘留奧氏體和未溶解碳化物越少，畸變越大。

（2）對組織應力的分析

工件體積的變化常常與加熱和冷卻密切相關(guān)，由于它和鋼的膨脹系數(shù)有關(guān)。當鋼的組織由鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體時，則體積會有所收縮；當鋼的組織由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和馬氏體時，則體積又會脹大。這是因為馬氏體與鐵素體和滲碳體所構(gòu)成的組織相比，其比體積較大。比體積的變化導致長度的變化。而長度的變化是很容易反映出來的。即是工件尺寸與形狀的變化。

熱處理的不同工序、工部所引起的組織轉(zhuǎn)變造成的畸變原因分析，如表4所示。

表4   不同熱處理工序、工部的組織轉(zhuǎn)變造成的畸變原因分析

（3）組織應力引起的畸變規(guī)律

組織應力引起的畸變方向與熱應力相反，其畸變規(guī)律如下：①沿最大尺寸方向伸長，沿著最小尺寸方向縮?。虎谄矫姘枷?，直角變尖角；③外徑縮小，內(nèi)徑脹大。

應當指出，在具體到一定形狀和尺寸的工件，熱應力和組織應力共同作用下造成的畸變是非常復雜的，因此應具體情況具體分析。碳素鋼液態(tài)介質(zhì)淬火冷卻時，熱應力的作用突出。合金鋼油冷淬火時，組織應力作用突出。分級淬火或等溫淬火時，熱應力起主導作用，組織應力則較小。

在熱應力與組織應力作用下的幾種典型工件的外形和尺寸變化見表5。表中列出的一些簡單形狀工件在均勻冷卻情況下，因單一因素發(fā)生畸變的一般規(guī)律。事實上工件淬火時因熱應力引起的形狀畸變和組織轉(zhuǎn)變引起的體積畸變交織在一起，并因鋼材、工件形狀尺寸及工藝操作等不同，表現(xiàn)有不同的畸變傾向。

3.熱應力與組織應力共同作用引起的畸變

以上所說的是單純由熱應力或組織應力所引起的畸變，這在正常生產(chǎn)中是不多見的。實際上，工件在淬火時，既有熱應力的影響，又有組織應力的影響。其畸變也是熱應力與組織應力共同作用的結(jié)果。不過有時是以熱應力為主，有時則是以組織應力為主。同時，還將受到其他因素的影響。然而，究竟產(chǎn)生趨向于何種形式的畸變，其材料的淬透性和鋼材Ms點的位置具有重要影響。而二者又取決于鋼的成分等。

對于屈服強度較高的工件，淬火未淬透時，冷卻初期，表層冷速較快而發(fā)生較大的收縮，卻因心部較慢收縮而受到阻礙，從而使表層具有拉應力，心部承受壓應力作用。將引起表層的塑性拉伸畸變。在隨后的冷卻過程心部溫度也下降較快造成應力反向，心部發(fā)生了奧氏體→珠光體轉(zhuǎn)變，又進一步增大了表層的塑性畸變。當表層溫度降至Ms點以下時，即發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變而加速了應力反向，表層的膨脹使心部顯現(xiàn)拉應力狀態(tài)，如超過其屈服強度時，就產(chǎn)生伸長（脹大）的畸變，即傾向于組織應力型的畸變。對于高碳鋼來說，因Ms點較低，屈服強度高，一般只發(fā)生冷卻初期的熱應力型的畸變，即趨于球形化。

對于一般結(jié)構(gòu)鋼來說，Ms點較高，屈服強度較低。因而淬透性越好的鋼，其表層的相轉(zhuǎn)變引起心部塑性拉伸畸變就越顯著。即承受熱應力與組織應力的綜合作用，產(chǎn)生以組織應力為主的相變畸變。

對于淬透性良好的鋼材，進行淬透淬火時，冷卻的初期，即表層和心部都在Ms點以上時，表層急冷收縮受內(nèi)部的阻礙而產(chǎn)生拉應力，心部受壓應力作用。當表層冷至Ms點以下，發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變而進行膨脹，卻受到心部的限制，因而加速了應力反向，使心部受拉應力作用，并導致組織應力型的相變畸變。當心部也冷至Ms點以下時，心部發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時便發(fā)生再度的應力反向，使表層具有拉應力，心部受壓應力作用。

源自：熱處理生態(tài)圈