齒輪熱處理變形是指齒輪在淬火、滲碳、氮化等熱處理過(guò)程中，因內(nèi)部應(yīng)力（熱應(yīng)力、組織應(yīng)力）分布不均或外部約束不當(dāng)導(dǎo)致的尺寸變化、形狀畸變（如齒形畸變、內(nèi)孔收縮 / 擴(kuò)張、端面翹曲等），會(huì)直接影響齒輪的精度和使用壽命。預(yù)防措施需從材料選擇、預(yù)處理、工藝設(shè)計(jì)、工裝夾具等多環(huán)節(jié)綜合控制，具體如下：
一、優(yōu)化材料選擇與質(zhì)量控制
材料的化學(xué)成分、純潔度及原始組織均勻性是減少熱處理變形的基礎(chǔ)：
選擇優(yōu)質(zhì)鋼材
優(yōu)先選用淬透性好、成分均勻的合金結(jié)構(gòu)鋼（如 20CrMnTi、40CrNiMo 等），嚴(yán)格控制硫（S≤0.035%）、磷（P≤0.035%）等有害元素，減少非金屬夾雜物（如氧化物、硫化物）的含量 —— 夾雜物會(huì)導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，加劇變形。
對(duì)于高精度齒輪，可采用真空冶煉或電渣重熔鋼，提高材料純潔度。
控制材料原始組織
避免使用存在嚴(yán)重帶狀組織、網(wǎng)狀碳化物或疏松的鋼材（這些缺陷會(huì)導(dǎo)致熱處理時(shí)組織轉(zhuǎn)變不均，產(chǎn)生附加應(yīng)力）。若原材料存在此類(lèi)問(wèn)題，需通過(guò)預(yù)處理（如擴(kuò)散退火）消除。
二、改進(jìn)鍛造與預(yù)處理工藝
鍛造和預(yù)處理的核心是減少原始應(yīng)力、細(xì)化組織，為熱處理 “鋪路”：
優(yōu)化鍛造工藝
保證足夠的鍛造比（一般≥3），采用多向鍛造、交叉軋制等方式，破碎鑄態(tài)組織中的粗大晶粒和碳化物，使金屬流線(xiàn)分布合理（沿齒輪輪廓連續(xù)分布，避免穿晶流線(xiàn)），減少各向異性變形。
鍛造后及時(shí)進(jìn)行球化退火或正火，消除鍛造應(yīng)力，細(xì)化晶粒，獲得均勻的珠光體 + 鐵素體組織（硬度控制在 180-220HBW），避免因原始組織不均導(dǎo)致的熱處理變形。
消除機(jī)加工應(yīng)力
齒輪粗加工（如滾齒、插齒）后，需進(jìn)行去應(yīng)力退火（200-300℃保溫 2-4h），消除切削加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力 —— 殘余應(yīng)力會(huì)在熱處理時(shí)與熱應(yīng)力疊加，加劇變形。
三、優(yōu)化熱處理工藝參數(shù)
熱處理工藝（加熱、保溫、冷卻）是控制變形的關(guān)鍵，需通過(guò)精準(zhǔn)控制減少應(yīng)力差：
控制加熱速度與溫度
采用階梯式升溫（如低溫→中溫→高溫分段加熱），避免快速升溫導(dǎo)致齒輪內(nèi)外溫差過(guò)大（熱應(yīng)力劇增）。對(duì)于大型、復(fù)雜齒輪或高合金齒輪，升溫速度應(yīng)≤100℃/h。
嚴(yán)格控制奧氏體化溫度（如滲碳淬火溫度一般為 850-930℃），避免溫度過(guò)高（導(dǎo)致晶粒粗大，組織應(yīng)力增大）或過(guò)低（奧氏體化不完全，硬度不足且變形不均）。保溫時(shí)間以 “透燒” 為原則（確保碳化物完全溶解且均勻），避免過(guò)長(zhǎng)（氧化脫碳加劇，變形增大）。
優(yōu)化冷卻過(guò)程
冷卻速度是產(chǎn)生組織應(yīng)力和熱應(yīng)力的核心因素，需根據(jù)齒輪材料、尺寸選擇合適的冷卻介質(zhì)和方式：
對(duì)于要求高硬度且變形敏感的齒輪（如薄壁齒輪），可采用等溫淬火（如在 200-300℃硝鹽中等溫，獲得下貝氏體組織），減少馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)的體積膨脹差，降低變形。
油淬時(shí)控制油溫（一般 20-80℃）和攪拌速度，確保冷卻均勻（避免局部冷卻過(guò)快）；對(duì)于大型齒輪，可采用 “預(yù)冷后淬火”（奧氏體化后先空冷至 Ar3 附近，再淬火），減少熱應(yīng)力。
避免冷卻介質(zhì)老化（如油中水分、雜質(zhì)過(guò)多），定期更換冷卻油，保證冷卻能力穩(wěn)定。
控制滲碳等化學(xué)熱處理工藝
滲碳時(shí)保證碳濃度梯度均勻（表面碳濃度控制在 0.8%-1.05%），避免局部碳濃度過(guò)高（導(dǎo)致馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)體積膨脹過(guò)大）。可采用分段滲碳（強(qiáng)滲→擴(kuò)散），減少碳濃度不均。
滲碳后緩冷至 600-650℃保溫一段時(shí)間，消除滲碳層應(yīng)力，再升溫淬火，減少整體變形。
四、合理設(shè)計(jì)工裝夾具與裝爐方式
通過(guò)工裝夾具約束齒輪的自由變形，或使變形方向可控：
定制防變形工裝
對(duì)于薄壁齒輪、環(huán)形齒輪，采用剛性?shī)A具（如內(nèi)撐式胎具、外箍式夾具）固定，限制其在冷卻時(shí)的收縮或翹曲；對(duì)于軸類(lèi)齒輪，采用垂直吊掛（以軸頸定位），避免重力導(dǎo)致的彎曲變形。
工裝材料需與齒輪材料線(xiàn)膨脹系數(shù)接近（如選用 45 鋼或 Cr12 鋼），避免因溫差產(chǎn)生附加應(yīng)力。
優(yōu)化裝爐方式
裝爐時(shí)保證齒輪之間有足夠間隙（≥50mm），確保加熱和冷卻均勻；避免齒輪堆疊或與爐壁接觸，防止局部過(guò)熱或冷卻速度差異。
五、優(yōu)化齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
從源頭減少因結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致的應(yīng)力集中和變形：
保證結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性與壁厚均勻
避免設(shè)計(jì)壁厚突變（如突然的臺(tái)階、尖角），采用圓角過(guò)渡（R≥3mm），減少熱應(yīng)力集中；對(duì)于箱式、輻板式齒輪，可在非受力區(qū)域開(kāi)減重孔，使壁厚分布均勻。
減少?gòu)?fù)雜型腔
復(fù)雜型腔（如深孔、盲孔）會(huì)導(dǎo)致冷卻時(shí)內(nèi)外應(yīng)力差增大，設(shè)計(jì)時(shí)盡量簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，必要時(shí)預(yù)留加工余量（用于熱處理后修正變形）。
六、熱處理后校直與穩(wěn)定化處理
對(duì)已產(chǎn)生輕微變形的齒輪進(jìn)行修正，防止后續(xù)變形：
及時(shí)校直
對(duì)于淬火后存在彎曲、橢圓等變形的齒輪，在 200-250℃（未完全冷卻時(shí)）進(jìn)行熱校直（利用材料的熱塑性），或在室溫下進(jìn)行冷校直（配合壓力機(jī)緩慢施壓），校直后需低溫回火（150-200℃）消除校直應(yīng)力。
低溫時(shí)效處理
熱處理后進(jìn)行穩(wěn)定化回火（如 120-180℃保溫 2-4h），促進(jìn)殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，減少后續(xù)使用過(guò)程中的尺寸變化。
總結(jié)
齒輪熱處理變形的預(yù)防需貫穿 “材料選擇→鍛造→預(yù)處理→熱處理→結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)” 全流程，核心是通過(guò)減少應(yīng)力差（熱應(yīng)力、組織應(yīng)力、殘余應(yīng)力）和控制變形方向（工裝約束）實(shí)現(xiàn)。實(shí)際生產(chǎn)中需結(jié)合齒輪材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、精度要求，通過(guò)工藝試驗(yàn)優(yōu)化參數(shù)（如升溫速度、冷卻介質(zhì)），并配合嚴(yán)格的質(zhì)量檢測(cè)（如熱處理前后尺寸測(cè)量、變形量統(tǒng)計(jì)），形成閉環(huán)控制，才能有效降低變形率。