在汽车传动齿轮生产环节中，渗碳淬火工艺是齿轮生产中的重要热处理流程。齿轮经过渗碳淬火后，强度、耐磨性能以及使用寿命都得到了大幅提升。渗碳淬火工艺过程较为复杂，在高温渗碳和淬火因素影响下，齿轮在组织转变过程中会产生不同方式的变形。作为齿轮生产的后续工艺，热处理变形量大、变形一致性差等因素将带来齿轮装配返修频繁、高报废率、齿轮装配使用性能降低等问题。
热处理变形一般是指工件的淬火变形，主要是由内应力引起的。内应力又分为热应力和组织应力两种。热应力与材料的线膨胀系数有关，而组织应力和所发生的组织改变则同组织的比容改变有关。淬火后组织通常为马氏体组织。这种淬火马氏体的比容较其他组织都大，因此，淬火后的工件均会有体积涨大的现象。由于体积变化以 及在工件各部分加热冷却不均匀而形成的热应力、组织应力将导致工件发生畸变或翘曲。在淬火工件尺寸增大时，所发生畸变、翘曲情况更为严重。本文以某 20CrMnTi 轻车平台齿轮为研究对象，研究了两种装料方式对齿轮热处理变形的影响，旨在为广大技术人员及生产现场就如何控制热处理变形提供参考。
一、试验目的与方案
变形分析
齿轮渗碳过程中，随组织应力和热应力的作用而发生变形，其变形的大小和变形规律取决于渗碳钢的化学成分(坯件来料)、工件的几何形状和尺寸、热处理前的加工状态、热处理工艺参数等因素。对于批量生产而言，相比控制变形的大小、一致性，获得变形规律对于调整热处理前加工参数更有意义。
基于实际批量生产中同一工件在采用同批毛坯、相同机加工艺的前提下，针对同炉工件在不同位置热处理后状态呈离散型、分散程度高、一致性差的问题，加热均匀性和冷却均匀性成为影响工件一致性的首要因素。加热和冷却不均匀导致炉内各部分温度梯度不同，产生的热应力和组织应力不同，导致各零件热处理后变形不一致。
同炉工件在炉内不同位置的热变化、冷处理过程均匀性影响因素既受设备影响，如设备内加热管排布位置、循环空气走向、搅拌速度等;也受零件装料方式影响，特别是零件从渗碳转入淬火冷却过程中，因时间差导致各零件散热不一致，冷却速度相差甚远。在实际生产中，确定装料方式相对于控制毛坯材料间化学成分、金相组织等更有效、更直接。因此，本文基于实际生产，主要开展不同装料方式对齿轮热处理变形一致性、稳定性试验探索，齿轮变形主要原因分析如图 1 所示。
试验目的
采用堆垛式工装(以下简称：旧工装)装料时，零件与零件相接触，基本无间距。该装料方式下，整炉零件各工件在加热和冷却时的温度梯度存在较大差异。为减小该差异对同炉零件带来的变形影响，本文设计出一种实现零件分层摆放的矩阵式工装(以下简称：新工装)，让同炉零件在加热过程、冷却过程中各工艺条件更加均匀。
为验证新工装效果，本文展开新工装和旧工装两种装料方式对变形和渗碳质量的影响。
试验方案
试验采用 20CrMnTi 合金材料齿轮，其化学成分为 0.17%～0.23%的 C、0.17%～0.37%的 Si、0.8%～1.1%的 Mn、1.0%～1.3%的 Cr。
1)齿轮锻造、铣削等工序结束后，每轮试验随机选取 15 套齿轮，并进行刻字编号，检查热前精度和齿形等。每个试样检测 4 个齿，检测齿分布如图 2 所示。
2)检测完精度和齿形的齿轮按图 3 所示位置装炉。
3)装炉完成后，将已测量样件按预氧化、清洗、渗碳淬火、低温回火、清洗等工序进行热处理。渗碳淬火工艺为气体渗碳，采用爱协林箱式多用炉，具体工艺为升温到 920 ℃，均温 90 min，然后升高碳势至 1%进行 300 min 强渗碳，再降低碳势至 0.8%进行 150 min 扩散，随后炉冷却至 850 ℃，保温一定时间后进行淬火。其余相关工艺参数如表 1 所示。
4)热处理完成后检测热后精度、齿形、平面度、齿轮渗碳层深和硬度。热后精度及齿形检测位置同热前保持一致。
二、试验结果与分析
齿轮精度变化对比
图 4 为新旧工装精度等级变化分布。多轮试验数据抽取显示，采用矩阵式新工装结构，齿轮精度最大变差从 4 级降低至 2 级，有效减少 2 级。且精度变化 2 级从旧工装 0%增加至新工装100%， 占比有效提升 100%。
齿形变化
凸面齿形变化：图 5 和图 6 为同一颗齿凸面与标准齿形对比的热处理变化量。由两图对比可知，矩阵式新工装装炉方式优化后，凸面齿形变化在±10 µm 以内占比 100%。相比旧工装在±10 µm 以内占比 55.56% 而言，提升 44.44%。由此可见，使用优化后的装炉方式热处理凸面齿形变化更小，一致性更好。
凹面齿型变化：图 7 和图 8 为同一颗齿凹面与标准齿形对比的热处理变化量。由两图可知，矩阵式新工装装炉方式优化后，凹面齿形变化在±40 µm 以内占比 94.4%。相比旧工装在±40 µm 以内占比 50%而言，提升了 44.4%。由此表明，使用优化后装炉方式热处理凹面齿形变化更小，一致性更好。
平面度变化
图 9 为两种不同装料方式热后平面度分布。由图 9 可知，采用矩阵式新工装的平面度变化更小，一致性控制更好。
渗碳层深和表面硬度
由表 2 可知，采用矩阵式装料方式后，同炉渗碳层深变化量由 0.3 mm 减小到 0.1 mm，同炉硬度变化量 2 HRC 降低到 1 HRC。该方式有助于气氛均匀性和工件加热、冷却的均匀性，有效将渗碳层深和表面硬度控制在一定范围内。
三、结论
1)采用矩阵式工装，可以有效抑制齿轮热处理变形，无论从齿形、精度、平面度方面一致性更好，能更好的通过反调控制变形;2)采用矩阵式结构工装，整炉零件层深和表面硬度变化更均匀;3)矩阵式结构工装应用于热处理生产当中，可以更好的提高以及控制产品质量。
本文通过工装条件的变化阐述了热处理变形研究。渗碳热处理变形控制，受材料、预备热处理、热处理工装、参数等诸多参数影响，最终控制方式应采用最适合实际状态的。
参考文献略.