齒輪淬火是通過快速冷卻使奧氏體轉變為馬氏體，從而獲得高硬度和耐磨性的關鍵工序，但冷卻過程中因熱應力（溫度梯度導致）和組織應力（相變體積變化導致）的疊加，易產生變形（如彎曲、橢圓、尺寸超差）或開裂（如表面裂紋、心部裂紋）。控制變形和開裂需從預處理、加熱工藝、冷卻參數、零件結構等多環節系統優化，具體措施如下：
一、預處理：減少原始應力與組織不均
齒輪淬火前的原始組織和應力狀態會直接影響冷卻時的應力分布，需通過預處理消除隱患：
鍛造后充分退火 / 正火：
齒輪毛坯（尤其是中高碳鋼，如 45 鋼、20CrMnTi）鍛造后易產生網狀碳化物、晶粒粗大或內應力，需通過完全退火（緩慢加熱至 Ac3 以上 30-50℃，保溫后隨爐緩冷）或正火（加熱后空冷）細化晶粒、均勻組織，避免淬火時因組織轉變不一致導致局部應力集中。
粗加工后去應力退火：
齒輪粗車、鉆孔等加工后會殘留機械應力，需在淬火前進行低溫去應力退火（200-300℃保溫 2-4 小時，緩慢冷卻），減少加工應力與淬火應力的疊加。
二、加熱工藝：控制升溫速率與溫度均勻性
加熱不當（如升溫過快、溫度過高或不均）會加劇熱應力，需精準控制：
分段緩慢升溫，避免 “激熱”：
對大型齒輪（模數＞20mm）或高合金齒輪鋼（如 40CrNiMo），采用階梯式升溫（如室溫→300℃→600℃→Ac3 以上，每階段保溫 1-2 小時），減少零件內外溫差（尤其壁厚不均的齒輪，如輪轂與輪緣壁厚差＞5mm 時），降低熱應力。
嚴格控制淬火溫度與保溫時間：
溫度過高（超過 Ac3+50℃）會導致奧氏體晶粒粗大，淬火后馬氏體組織粗糙，脆性增加，易開裂；溫度過低則奧氏體化不完全，硬度不足且組織應力波動大。需按鋼種確定溫度（如 45 鋼 820-840℃，20CrMnTi 滲碳后 830-850℃）。
保溫時間以 “奧氏體化充分且晶粒不粗大” 為原則（一般按每 10mm 壁厚保溫 30-60 分鐘），避免保溫過長導致晶粒粗大（淬火后馬氏體針變粗，脆性提高）。
加熱均勻性控制：
采用箱式爐加導流板或真空爐加熱，確保齒輪各部位（如齒根、輪轂、端面）溫度差≤10℃。對齒面復雜的齒輪，可在齒間塞石棉墊減少局部過熱，或采用感應加熱（局部加熱，溫度梯度小，變形可控）。
三、冷卻工藝：精準控制冷卻速度與應力分布
冷卻速度是影響應力的核心因素：速度過快易導致熱應力過大（外層收縮快于內層），過慢則無法獲得馬氏體（硬度不足）。需根據鋼種和零件尺寸選擇 “臨界冷卻速度以上，且應力最小化” 的冷卻方案：
1. 冷卻介質的選擇與參數控制
不同介質的冷卻能力不同（水＞油＞聚合物溶液），需匹配鋼種的淬透性：
高碳鋼（如 T10）：淬透性差，需較快冷卻速度，但易開裂?？刹捎?-10% NaCl 水溶液（冷卻速度比水快 30%），但需控制冷卻時間（工件表面冷至 200-300℃時立即取出，避免心部急冷）。
中碳鋼（如 45 鋼）：淬透性中等，可采用機油或柴油（冷卻速度較慢，減少應力），或水 - 油雙液淬火（先水淬至 300℃左右，再油冷，利用油的慢冷緩解應力）。
合金結構鋼（如 20CrMnTi 滲碳件）：淬透性好，可采用快速光亮淬火油（冷卻速度適中，且能減少氧化），避免用水冷（易因組織應力過大導致齒根開裂）。
大型齒輪（直徑＞500mm）：采用聚合物水溶液（如 PAG 淬火液），通過調整濃度（5-15%）控制冷卻速度（濃度越高，冷卻越慢），實現 “表面快冷淬硬，心部慢冷減應力”。
2. 冷卻方式的優化
分級淬火：將加熱后的齒輪先放入150-250℃的硝鹽浴或堿浴中保溫（時間 5-10 分鐘），使零件內外溫度趨于一致后再空冷。利用 “等溫停留” 減少熱應力，同時避免馬氏體轉變時的組織應力集中（適用于中小型精密齒輪，如機床齒輪）。
等溫淬火：對要求高韌性的齒輪（如汽車后橋齒輪），可在250-350℃等溫浴中保溫足夠時間，使奧氏體轉變為貝氏體（而非馬氏體），貝氏體組織應力小，變形幾乎可忽略（但硬度略低于馬氏體，需結合鋼種選擇）。
噴霧冷卻：通過高壓空氣 + 冷卻液噴霧均勻冷卻齒輪表面，可精確控制冷卻速度（調節噴霧壓力和流量），避免局部過冷（適用于齒面復雜、易變形的齒輪，如傘齒輪）。
定向冷卻：冷卻時確保齒輪軸向垂直浸入介質（避免平放導致上下溫差），對壁厚不均的部位（如輪轂與輪緣），可在薄壁處遮擋（減少冷卻速度），厚壁處加強噴淋（保證淬透）。
四、零件結構設計：減少應力集中隱患
齒輪的結構形狀是導致變形開裂的 “先天因素”，設計時需避免應力集中點：
避免尖角與壁厚突變：
齒根圓角半徑≥0.3m（m 為模數），軸孔與端面過渡處倒圓（R≥2mm），輪轂與輪緣連接部位采用漸變壁厚（避免直角臺階），減少冷卻時因局部收縮受阻產生的應力集中。
對稱性設計：
齒輪結構盡量對稱（如輻板均勻分布、孔徑居中），避免單邊凸起或偏心結構（冷卻時因收縮不均導致彎曲變形）。
預留加工余量：
淬火后需預留 0.1-0.3mm 的磨削余量（針對變形量較大的齒輪），通過后續磨齒修正變形，同時避免因 “追求零變形” 而過度限制冷卻速度（導致硬度不足）。
五、淬火后處理：消除殘留應力
即使冷卻工藝優化，齒輪仍會殘留部分內應力，需通過及時處理釋放：
及時回火：淬火后2 小時內進行回火（避免長時間放置導致應力松弛不均），回火溫度根據硬度要求選擇（如要求 HRC58-62 時，回火溫度 150-200℃；要求 HRC50-55 時，回火溫度 250-300℃）。回火保溫時間需充足（每 10mm 壁厚 1-2 小時），確保應力充分釋放。
深冷處理 + 回火：對要求尺寸穩定性的高精度齒輪（如精密儀器齒輪），淬火后可進行 **-80 至 - 120℃深冷處理 **（保溫 1-2 小時），促進殘余奧氏體轉變為馬氏體，再進行低溫回火（消除深冷產生的新應力），減少后續使用中的尺寸變形。|
校直與時效：若淬火后產生輕微變形（如彎曲≤0.1mm/m），可在回火后（材料韌性恢復）用壓力機緩慢校直（避免冷校導致開裂），校直后需進行去應力回火（120-150℃保溫 1 小時），鞏固校直效果。
六、其他輔助措施
裝夾方式：淬火時用專用工裝固定齒輪（如中心孔定位的吊具），避免冷卻過程中因自重變形；對大型齒輪，可采用 “立裝” 而非 “平放”，減少上下表面溫差。
介質維護：定期檢測冷卻介質的溫度（控制在 20-40℃，過高會降低冷卻速度）、濃度（如 PAG 溶液需每周檢測，補充新液）和清潔度（過濾去除雜質，避免堵塞噴淋孔導致冷卻不均）。
總結
控制齒輪淬火變形開裂的核心邏輯是：“均勻加熱減少熱應力→匹配冷卻速度平衡淬硬與應力→優化結構避免集中→及時回火釋放殘留應力”。實際生產中需結合齒輪材料（鋼種）、尺寸（模數、直徑）和精度要求（如 IT5-IT7 級），通過 “工藝試驗 + 參數微調” 找到Z佳方案（例如：精密齒輪優先用分級淬火 + 低溫回火，重載齒輪優先用噴霧冷卻 + 高溫回火）。