金属小齿轮在热处理过程中出现变形是一种普遍现象，金属小齿轮外形发生改变导致使用精度与质量大幅下降，本文研究了金属小齿轮材料、淬火热处理参数、机械加工水平对齿轮热处理变形的影响，重点分析了淬火温度与淬火介质温度对热处理变形的影响机制，据此提出相应的齿轮质量控制方法，为生产高质量、高精度齿轮提供依据。

　　机械化是现代社会快速发展的重要特征之一，金属小齿轮是机械化传动系统的重要部件，对改善人类生活方式、提升社会生产效率具有不可替代的作用。因此，机械设备中金属齿轮质量是保障社会生产正常运转的基本条件，生产合格、高质量的齿轮意义重大。但是，在金属小齿轮的加工过程中，各方面因素均可能造成齿轮变形，影响其使用价值的正常发挥。金属小齿轮热处理是齿轮生产后期的重要环节，采用差异性温度进行回火处理，用以大幅改善齿轮钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度等性能，是符合不同使用功能的齿轮生产工艺，满足社会各领域机械零件的需求。基于操作步骤与工艺的复杂性，在热处理过后，金属小齿轮极易产生形变现象，影响了齿轮质量的提升。热处理变形严重影响齿轮零件前期加工获得的精度，即使采用复杂、先进的修形技术也难以恢复其精确度。若齿轮形变量较大，不仅提升削磨削量、增加资金投入，同时影响齿轮承载能力，缩短使用寿命。

　　金属小齿轮在热处理后发生形变的主要原因是热处理环节本身原因，即淬火参数设置，包括淬火温度、淬火介质温度等;此外，金属材料选取、机械加工等步骤均对后期金属小齿轮热处理形变产生影响。为此，本文从金属小齿轮材料、淬火参数设置、齿轮机械加工等方面分析热处理变形产生的原因，深入探究各因素对金属小齿轮形变的影响机制，进而提出控制齿轮质量的措施，提升齿轮精度、延长使用生命周期。

　　一、金属小齿轮热处理过程中产生变形的原因

　　材料的选择： 保障金属小齿轮质量、减少热处理中的形变量，选取合格的材料是关键。纯净性、均匀性、淬透性是金属小齿轮原材料选取的主要指标依据，是直接影响其变形的主要材料因素。在符合标准或设计要求的前提下，钢中杂质含量比重即为齿轮钢材料的纯净性;成分、组织和缺陷分布的均匀性统称为材料的均匀性;淬透性是指在预设环境中基于试样淬透层深度和硬度的排列情况描述材料特征，材料的临界淬火冷速的快慢决定淬透性大小。化学成分排列不均匀产生偏析，淬火后偏析部分的组织和应力与别处存在差异，由此产生形变。其中，带状组织是组织不均匀的一种表现，易于增加齿轮的形变量。

　　淬透性值分布带的宽窄是描述淬透性性能的重要方面。一般情况下，淬透性值 J9 处大小十分重要，J9 表示距端部 9mm 的硬度，该位置淬透性值取值在 28HRC 以上、42HRC 以下为合理值;若 J9 在 42HRC 以上，导致淬火后的材料产生大幅度形变，且容易发生脆性断裂。所以，淬透性带的宽度越窄越好。

　　金属小齿轮热处理的参数控制：金属齿轮在热处理淬火工艺过程中产生变形的原因如下：齿轮构件淬火期间，淬火应力越大、相变均匀程度越差，同时比容差与淬火变形程度成正比。钢的屈服强度也会影响齿轮淬火变形量，齿轮塑性变形抗力与变形程度成反比。研究火冷却期间不同部位的参量值，如冷却速度、组织、硬度状态等因素，得知金属小齿轮由上至下各部位冷却速度有所不同，齿轮表面、过渡区、内部冷却速度的差异性导致齿轮产生变形现象。根据该原理，改善不同环节均匀度缩小齿轮热处理变形可行性较强。

　　1.淬火温度影响金属小齿轮变形程度的机理研究

　　齿轮淬火加热处理过程中的温度简称“淬火温度”，即齿轮在淬火工艺前温度升高至大于奥氏体转变温度点的温度上限值，齿轮冷却的温度也是该温度值。淬火温度应结合材料属性差异、齿轮大小、形状等因素适当调整淬火温度，以实现齿轮淬火的良好组织性能。淬火温度值可参考正常标准值设置：亚共析钢淬火温度超过AC3，共析钢与过共析钢淬火温度取值一致，超过 AC3。

　　齿轮淬火温度必须适中才能塑造齿轮良好的性能，详细分析齿轮淬火温度过高与过低是产生的不良影响：①淬火温度过高：齿轮的铁素体向奥氏体转变，此时奥氏体在高温作用下其晶粒开始生长变大，所以当淬火冷却作用后，奥氏体转变为马 氏体后，马氏体组织呈现粗大状态，大幅增加齿轮淬火后的脆性，在外力作用下容易变形。②淬火温度过低：淬火温度不足导致铁素体向奥氏体的转变量不完全，部分铁素体转变不成功，所以当温度降低时，没有转变为奥氏体的铁素体遗留下来，并且残留一定量的奥氏体。那么淬火后的齿轮中含有一部分铁素体与奥氏体，它们的优点是塑性与韧性优良，但是强度与硬度严重不足，此时淬火后的齿轮硬度和强度不符合标准，极易发生变形。

　　2.金属小齿轮的变形量分析测试

　　为验证淬火温度对金属小齿轮淬火变形程度的影响，进行实验研究。通过采集金属小齿轮淬火加工过程相关数据，分析不同淬火温度下金属小齿轮变形量，探究淬火温度与齿轮变形之间的关系。计算淬火温度由 880℃降低至 820℃期间齿轮的外部、中部以及内部形变率均值，如表 1 所示。

表 1 淬火温度对金属小齿轮变形率均值的影响

　　由表 1 可知，在其他条件不发生变化的情况下，淬火温度由 880℃降低至 820℃期间，金属小齿轮三个部位的变形率均值均总体呈现先降低、后增加的趋势，淬火温度自 880℃降低至 840℃期间变形率降低，淬火温度自 840℃降低至 820℃期间，变形率均值呈现回升趋势。由此得知，淬火温度约为 840℃，金属小齿轮热处理的形变量最小，在此温度值时控制齿轮变形量相对容易。

　　3. 对金属小齿轮性能机理产生影响因素

　　齿轮淬火介质主要为液态油，安全性能、冷却速率、热处理后齿轮的组织性能是确定齿轮淬火油温的重要参考依据，经过上述因素的考虑，以保障金属小齿轮淬火热处理后变形量最小是主要生产目标。将淬火温度控制在闪电以下 50℃是保障安全生产的前提条件，这样不易发生火灾等事故。小幅度升高淬火油温度对冷却速度影响较小，但对于降低淬火过程中心部和表层的温差效果显著，金属小齿轮冷却均匀度主要取决于心部与表层的温度差，温度差值越大、冷却越不均匀。

　　淬火内外温差大导致组织转变不同步，冷却过程中，表面冷却速度始终在心部冷却速度以上，表面温度首先降到 Ms 点，此时心部温度仍然较高温，表面向马氏体转变的速度同样较快;当金属小齿轮心部温度降至小于 Ms 点时，心部刚刚开始发生马氏体转变，但其四周形成的马氏体脆性较强，使齿轮内部马氏体膨胀受阻，淬火完成后，金属小齿轮产生较大残余组织应力，热应力与组织应力共同作用导致材料产生变形。由此可知，提高淬火油温、降低内部与外部的温度差值是有效降低金属小齿轮零件变形的方法。

　　4.金属小齿轮淬火温度冷却分析测试

　　基于淬火温度影响金属小齿轮材料组织性能的分析得到：合理增加淬火温度对于提升金属小齿轮淬火后的力学性能具有积极作用，同时对于降低变形量具有显著影响。根据该原理，将金属小齿轮淬火温度设为 840℃保持不变，同时设置不同淬火油温分别为 45℃、65℃、80℃，测试温度冷却过程中金属小齿轮内外部温差变化，探究热处理形变情况。图 1 ～图 3 描述了 45℃、 65℃、80℃三种淬火温度下金属小齿轮内部与外部温度变化。

图 1 淬火油温为 45℃

图 2 淬火油温为 65℃　　

图 3 淬火油温为 80℃

　　结合图 1 ～图 3可知，改变淬火温度时，金属小齿轮外部与内温差值逐渐降低，当淬火温度升至 80℃时齿轮内部外部的温差与 65℃持平，甚至超过 65℃时的温度值，由此可知，当淬火温度达到 80℃时，通过升高淬火温度减小金属小齿轮内外温差的效果不显著。

　　机械加工水平：金属小齿轮进行热处理加工前需进行机械加工处理，机械加工过程处理不当容易引起热处理变形。加工刀具损坏直接导致表面拉花出口不正、工件变形。此外，锻造对热处理形变的影响同样严重，金属小齿轮构件性能的提升可通过锻造工艺实现，锻造具有优化材料组织的功能，清除材料个别缺陷，令材料质地分布更加匀。反之，不恰当的使用锻造工艺则形成过热组织，严重者导致裂纹、残留应力等破坏现象产生，对金属小齿轮淬火形变产生严重干扰。若锻造金属流线不对称，则锻后冷却不均匀导致齿轮热处理产生变形。

　　二、生产质量控制建议

　　针对淬火热处理产生形变的原因，设计控制金属小齿轮变形的方法。

　　材料选择：材料淬透性对热处理变形的影响机理表现为：淬透性带宽与齿轮变形量成正比。因此，要合理控制齿轮加工材料的淬透性，获取最佳的金属小齿轮加工材料参数。还应严格控制齿轮材料中晶粒度尺寸，晶粒度与金属小齿轮形变量成正比，所以齿轮选材在淬透性合理的情况下尽量做到晶粒度合理即可。

　　淬火控制：根据淬火温度对变形量的影响测试、淬火温度冷却测试结果可知：淬火温度约为 840℃，金属小齿轮热处理的形变量最小，在此温度值时控制金属小齿轮变形量相对容易;且淬火内外温 差大导致材料产生变形，淬火温度达到 80℃时，通过升高淬火温度减小齿轮内外温差的效果不显著，淬火温度控制在 80℃左右。此外，可在淬火中增加添加剂增加金属小齿轮硬度。

　　改善机械加工水平量：在机械加工阶段可通过反变形法改善金属小齿轮热处理质量。通过二次加工与热处理的方式解决其厚度与形状不均匀、不对称的问题，在热处理前科学调整齿轮尺寸，令齿轮变形量处于合理值。

　　金属小齿轮锻造时，需保障锻造金属流线沿齿轮毛坯外部对称排列，而纵剖面流线排列成封闭状态，易于形成良好的热处理变形规律，防止齿轮过度变形。为满足高速重载条件的齿轮制造要求，锻比应不小于 5。通过上述改革加强锻后热处理控制，改善金属小齿轮锻件质量、减小热处理变形。

　　三、结论

　　金属小齿轮热处理产生变形不仅仅取决于热处理过程参数的设置，还受到材料、机械加工水平等因素的影响，本文重点研究了金属小齿轮淬火热处理过程中淬火温度、淬火介质温度对齿轮变形的影响机制，得到以下结果：①淬火温度约为 840℃，金属小齿轮热处理的形变量最小，在此温度值时控制金属小齿轮变形量难度较低 ;②当齿轮淬火温度达到 80℃时，通过升高淬火温度减小内外温差的效果不显著。