概括：
针对某低碳合金钢齿轮渗碳淬火后因齿轮平面畸变大而报废的现象，通过变形检测，分析了热处理工装、毛坯原材料、正火工艺等影响因素，发现正火预处理不合格是造成齿轮变形的主要原因。阐述了等温正火预处理在热处理过程中对防止齿轮变形的重要作用。
浙江双环传动机械有限公司是一家专业生产汽车齿轮、摩托车齿轮、电动工具齿轮、工程机械齿轮的企业，在齿轮渗碳加工过程中，经常会遇到渗碳淬火后齿轮平面扭曲变形的情况，因此需要分析确认缺陷产生的原因，提高热处理质量，减少废品损失。
01
问题
某齿轮产品多年来热处理、生产正常，但某一批次突然出现大量齿轮磨削故障，产品检验位置如图1所示，检验结果如图2所示。
图1 检测位置
图2 测试结果
如图2所示，靠近齿根圆的端面平面度为0.02mm，轴向圆跳动为0.19mm有一个t形工件，用偏摆仪检测轴向圆跳动为0.22mm，说明工件端面与硬车削内孔倾斜较大。即热处理后工件后端面发生扭曲变形。无法磨削的状态分为圆周大面积无法磨削和齿角小面积无法磨削两种，如图3、图4所示。
图3：局部区域大面积无法接地
图4 齿角较小，无法磨削
无论是大面积无法磨削，还是齿角小面积无法磨削，都意味着齿端面发生扭曲，造成局部加工余量不足。出现齿根根切现象，在另一端出现齿根台阶（见图3）。检测结果如图5所示。
图5 测试结果
注：图中数字184.14代表齿轮节圆直径，单位为毫米。
02
原因分析
检测
轴向圆跳动检测如图6所示，通过专业软件检测到的齿轮变形如图7所示。
图6 轴向跳动检测
图7 变形数据检测（轴向圆跳动+V值）
从图7可以看出，当轴向圆跳动为0.22mm时，磨削前的齿毛坯V值（螺旋倾角偏差的变化量）将为0.083，这就是齿面不能磨削的直接原因。
经检测计算，各齿厚方向累计误差约0.18mm，导致加工余量不足，无法磨出fHβ（螺旋倾角偏差）较大的齿。
影响因素
（1）热处理工装经调查发现，生产现场使用的工装有两种类型：一种是T型（见图8），一种是十字型（见图9）。其中，T型工装为老款工装。齿轮热处理采用十字型夹具，受力后无明显变化，能正常平行移动；齿轮热处理采用T型夹具，零件受力后有上下翘曲，在前后移动时有一个t形工件，推向一侧突然下沉，不能正常移动。
图8 T型工装
图9 十字形工装
采用十字形工装，现场随机选取6个同层齿轮进行硬车削，4个齿轮轴向圆跳动≤0.05mm，2个齿轮轴向圆跳动在0.07mm左右，齿轮磨削后未发现黑点现象。
使用T型工装时，从同一层中随机选取4个齿轮（4个角各1个）进行硬车削。2个齿轮轴向圆跳动≤0.05mm，2个齿轮轴向圆跳动在0.12mm左右。磨齿后发现，轴向圆跳动0.12mm的两片中，一片没有黑点，另一片有很小的黑点没有磨出来（见图4）。平整度导致齿面有小部分没磨出来。但并没有大面积磨不出来。由于该工装已使用3年，此产品没有出现无法连续批量磨削的情况，因此与工装关系不大。
（2）原材料及齿轮毛坯均采用国内某钢厂生产的钢材，未发生变更，齿轮毛坯的锻造厂家也未发生变更。为查找原因，首先检查齿轮毛坯的正火质量，从生产线上取两块滚齿试件，进行金相组织检测，如图10、图11所示。毛坯金相组织要求晶粒度≥5级，贝氏体（根据用户提供的金相照片，在200×下测试）<10%，硬度为160～。实际检测中，件1硬度为183～，件2硬度为187～，贝氏体组织较多，金相组织严重不合格。于是对来料样品的金相组织重新进行了检测。结果如图12所示，检测结果显示金相组织合格，硬度为175~，可以看出整批工件正火不均匀，说明正火时工件变形不合格与金相组织不合格有很大关系。
图10 样品1金相组织（500倍）
图11 制品2金相组织（500×）
图12 送检样品金相组织（500×）
（3）正火工艺验证为了验证正火是否有问题，对现场经过偏心磨削（热处理后磨削）的工件进行退火试验，检测金相组织。退火工艺如下。
1）从工件上切取试件，若要测试硬化层深度，应距齿根以下至少10mm。
2）切割后，用煤油清洗试块，最好浸泡在CuSO4溶液中，然后烘干。
3）放入专用退火容器内（端面密封），放入足量铸铁屑保护，将铁屑填满试块四周，密封后放入实验室专用热处理炉内。
4)加热至（900±5）℃，保温60分钟。
5）从容器中取出，慢慢冷却至室温。
6）切取试件检测金相组织，结果如图13所示，从图13可以看出，退火组织正常，虽然有少许混晶，但应该不是最大的原因，也有可能是退火使组织得到改善。
图13 退火试块金相组织（500×）
经调查正火工序，发现该产品由两家公司正火，一家为外协承包公司，一家为公司自营。通过调查公司内协工件正火质量，发现该钢种炉号为正火混晶，同时发现外协件也是同一炉号的产品。公司内协正火产品尚处于毛坯状态，未转入生产线或返修。第一筐工件金相组织如图14，硬度为177~，局部混晶，不合格，第一架工件金相组织如图15，硬度为166~，合格。第二架工件金相组织如图16，硬度为170~，金相组织为部分混晶，不合格。由于同一钢种炉号产品，正火时有的工件合格，有的不合格，为了验证此批工件的变形是否与正火有关，对公司内正火的所有产品均进行了两次正火处理。正火后金相组织如图17所示，硬度为170~贝语网校，金相组织和硬度均合格。对公司内已进行两次正火处理的工件，进行了渗碳淬火，经磨削后质量恢复正常，未出现批量废品，同时也验证了正火后组织有粒状组织、混晶对热处理变形有影响。
图14 第一次检测时第一个篮筐工件的金相组织（500×）
图15 同料架内工件金相组织复检（500×）
图16 第二框架工件金相组织（500×）
图17 正火金相组织（500×）
03
验证结果
该产品已批量生产三年多，原材料、锻造、正火、渗碳淬火、磨齿等生产工序均正常，但此次两家公司正火组织均出现异常贝氏体、混晶等现象，轻微带状组织已被证实与原材料密切相关。通过正火工艺控制，二次正火后满足技术要求，生产顺利进行，体现了正火预处理的重要性。
04
结论
以上案例说明，正火是齿轮渗碳热处理非常重要的预处理工序，也证明了合格的等温正火预处理对防止齿轮热处理变形起着重要作用。
参考文献省略。
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