目前齿轮等温淬火处理变形是装备制造业最主要的技术难题之一，会大幅增加后续磨齿的成本，影响最终装配精度和服役噪音。齿轮变形控制是个系统工程，有时仅仅通过等温淬火处理装备和等温淬火处理工艺方法并不能有效解决，需要各个工艺环节进行有效配合，简单的讲变形是由于工艺控制过程的很多“不均匀”的因素导致。如冶金成分不均匀，热前组织（预处理）不均匀，受力不均匀(机加应力、自重力)，加热不均匀，冷却不均匀等，这些“不均匀”的因素导致组织转变的同时性变差，各种应力分布不均，最终导致产品的变形难以有效控制。
 
齿坯渗碳前的组织均匀性往往被行业所疏忽，普遍存在带状组织和表层粗大混合组织（贝氏体、铁素体和珠光体）的问题 。这种“不均匀”的组织状态具有遗传性，会贯穿于等温淬火处理的整个过程，对于产品的质量及服役寿命产生极大的危害：
 
（1）造成产品力学性能具有明显的各向异性，如横向和纵向的强度具有较大的差距。
 
（2）冲击韧性较差，在恶劣的服役环境下产品寿命较差。
 
（3）带状偏析作为一种“不均匀”的因素，导致在加热和冷却过程中组织转变的均匀性较差，从而增大等温淬火处理变形的倾向。
 
（4）表面硬度散差大，机加工性能差，导致刀具使用寿命短，不利于干切技术推广。
 
1.原因分析及控制冷却方法
常见的带状组织缺陷本质上是由于铸造成型过程中的枝晶偏析引起，该显微偏析在轧制或锻造成型过程中沿轧制方向遗传下来，这种带状组织在冶金上称之为“一次带状”。这种带状偏析可通过提高终锻温度、增大锻造比、扩散退火等方法来减轻或避免。
 
锻后冷却过程中，当温度在Ar3～Ar1二相区之间时，钢的显微组织为先共析铁素体和过冷奥氏体。钢中一般均含有一定量的Mn、Cr、Ni、Mo等元素，这些元素均能显著增加过冷奥氏体在珠光体区的稳定性，增长了相变孕育期，也减慢了珠光体的形成速度，但对先共析铁素体的析出速度影响较小。当从高温状态下冷却时，先共析铁素体优先在相当于较纯的原枝晶干部位的奥氏体晶界析出，同时碳向周围的奥氏体区扩散，温度越高、冷却速度越慢，碳扩散越充分，扩散距离越远，所以形成的铁素体条带明显。这个过程在奥氏体化后的冷却过程中发生，冷却越慢，先共析铁素体转变越充分，碳元素分布越不均匀，带状组织越严重，这类带状就是“二次带状”。存在带状偏析的工件，在常规等温淬火处理过程中碳和合金元素的奥氏体均匀化是相当困难的，例如碳的均匀化需要950℃以上，而合金元素则需要1100℃以上，可见常规的等温淬火处理方式根本无法解决带状偏析的问题。
 
目前锻后冷却方式一是采用沙冷、坑冷、空冷等粗放式的冷却方式，两相区冷却速度相对缓慢，易造成带状组织的恶化和晶粒粗大等缺陷，严重影响热后的最终力学性能，同时容易获得或部分获得马氏体、贝氏体、魏氏体组织，表面硬度较高且散差大，不利于切削加工，典型组织如图1所示；二是采用强制风冷方式（如等温正火），但同时存在冷却均匀性差的问题，使其锻坯表层的组织不均匀性，主要是上述冷却方式不能保证同炉不同工件和同一工件不同截面冷却的均匀性，工件迎风面和背风面冷却性能对比如图2所示。风速越快，冷却的均匀性就越差，只能通过减少装炉量和增加工件的间距来改善。同时风冷速度对于锻坯的表面温度非常敏感，随着表面温度的降低而迅速降低，不能保证冷却的均匀性。此外，因为空气的热容小，风温的波动避免，风温高低对于风冷速度的影响会进一步恶化冷却均匀性。
 
目前在冶金行业控轧控冷技术（TMCP）已经应用非常成熟，其核心目的是晶粒细化和细晶强化，切断组织遗传。其中控制冷却的原理特别值得借鉴，其过程是精确控制高温扩散和相变过程。
 
一般把锻（轧）后控制冷却过程分为三个阶段,称为一次冷却、二次冷却、三次冷却(空冷)，在这三个冷却阶段中其冷却目的和要求是不同的。
 
一次冷却为从终轧温度开始到变形奥氏体向铁素体开始转变温度Ar3温度范围内的冷却控制，即控制冷却的开始温度、冷却速度及终止温度。这一阶段是控制变形奥氏体的组织状态，阻止奥氏体晶粒长大，固定因变形引起的位错，降低相变温度，为相变做组织上的准备。
 
二次冷却为从相变开始温度Ar3到相变结束温度范围内的冷却控制。主要是控制钢材相变时的冷却速度和停止控冷的温度，即通过控制相变过程，保证钢材快冷后得到所需要的金相组织和力学性能，对低碳钢、低合金钢、微合金化低合金钢，轧后一次冷却和二次冷却可连续进行，终了温度可达珠光体相变结束，然后空冷，所得金相组织为细铁素体和细珠光体及弥散的碳化物。三次冷却(空冷)，是相变后至室温范围内的冷却。
 
笔者认为，为了切断组织遗传，保证热前组织的均匀性，锻后控冷和正火冷却同样需严格控制一次冷却和二次冷却。传统的粗放式冷却方式会造成组织均匀性差，硬度散差大，切削加工性能差，产品最终的等温淬火处理质量分散度差。
 
2.匀速冷却介质介绍及其冷却特性
根据控冷的基本原理，对于采用渗碳钢的齿坯需要控制一次冷却和二次冷却的冷却速度。一次冷却通过快速冷却降低高温扩散，防止晶粒粗大；二次冷却控制两相区冷却速度，通过快速冷却增大先析铁素体形核功，抑制碳和合金元素的长程扩散从而有效预防“二次带状”。为了保证冷却速度及其均匀性，冷却方式或冷却介质需具有如下特点：
 
（1）具有冷速可调的特点，根据不同的材质及锻坯形状尺寸，可获得介于淬火油和空气之间的冷却能力。
 
具有优异的冷却均匀性，保证不同工件和工件的不同部位具有一致的冷却能力，满足组织和硬度均匀性的要求。
 
具有较高的热容，同时具有较低的温度敏感性，随着工件表面温度的变化和介质温度的变化，其冷却能力仍能保证均匀性和稳定性。
 
依据上述锻后控冷的基本要求，南京科润工业介质股份有限公司开发了一种以水为基的“匀速冷却介质”KR9988。锻后冷却的锻件可直接浸入“匀速冷却介质”的稀释液中，该方法操作简单，避免了高成本的设备投入。20%KR9988与静止空气和淬火油的冷却性能对比如图3所示，不同浓度KR9988冷却性能对比如图4所示，20%浓度KR9988不同液温冷却性能对比如图5所示。
 
 
通过图3、图4对比分析，匀速冷却介质KR9988具有介于空气和淬火油之间的冷却能力，20%以上浓度的冷却能力较为稳定，特别是500℃以上的冷却能力几乎一致，冷却性能对于介质浓度敏感性较低；同时在500℃以上，冷却速度随工件温度的变化并不大，能够保证不同温度工件的冷却均匀性。通过图5对比发现，匀速冷却介质KR9988在不同液温下冷却性能变化不大，只有在500℃以下沸腾冷却阶段有减弱或消失的趋势，不像自来水和PAG类水溶性性淬火介质的冷却性能对于液温极其敏感。
 
综上可见，匀速冷却介质的冷却性能对于浓度、液温、工件表面温度变化的敏感性较低，能够保证冷却的均匀性和稳定性，具有极高的工程应用价值。可采用浸冷的方式对齿坯进行冷却，通过浓度和搅拌的工艺配合，得到介于空气和淬火油之间的冷却能力。
 
3.匀速冷却介质在齿坯锻后控冷和等温正火过程中的应用
传统的齿坯锻造工艺为：钢料经1200～1250℃加热锻造成齿坯，于950～1100℃停锻空冷到室温，具体工艺路线见图6。此时显微组织多为先共析铁素体(A)和魏氏组织铁素体(WA)、珠光体(P)及贝氏体(B)，而且晶粒粗大(严重时达2～3级)，硬度较高(220～280HBW)。这种组织状态的切削加工性能差，降低渗碳淬火后工件的力学性能，同时增大变形控制难度。所以，一般需进行正火( 或等温正火) 处理，以获得稳定的组织铁素体加珠光体，合适的硬度及均匀性以利于切削加工。
 
由于锻造时停锻后钢件仍处于奥氏体状态，符合正火加热时需要奥氏体化的要求，因此国内很多学者提出了“锻造余热等温正火”工艺方法。目前已做了大量的理论和工艺研究，能够节约大量能源，同时理论上既有利于切削加工，还有利于齿轮渗碳淬火后的变形减小和规律稳定。
 
但制约该工艺方法推广的关键原因之一，就是没有合适的冷却介质控制锻后的冷却速度。匀速冷却介质具有比风冷更快的冷却能力，可以有效抑制“二次带状”和晶粒长大，同时具有风冷不可比拟的冷却均匀性等特点。采用匀速冷却介质进行锻后控冷，其关键的工艺控制方法是控制出液温度，然后将工件放入均温炉中进行均温，锻后控冷工艺路线见图7。即齿坯奥氏体化后, 迅速冷却到Ar1以下，在珠光体相变温度等温，使相变在等温温度下进行,避免了带状组织超差,以及非平衡组织的出现。出液温度的控制以表面不发生非平衡态组织转变为基本原则，使心部温度尽量降低至Ar1以下。同时可通过改变等温温度，调整珠光体片层间距得到期望的毛坯硬度，改善切削加工性能。
 
目前中小尺寸的齿坯多采用等温正火进行热前预处理, 特别是汽车齿轮行业应用最为广泛。等温正火加热后采用强制风冷进行冷却，工件温度降至600℃左右进入均温炉进行等温，并在均温炉中完成珠光体转变，然后出炉空冷。但对于材料淬透性差或中大尺寸的齿坯，采用强制风冷不能保证冷却能力，采用匀速冷却介质能有效弥补风冷的不足，对于大型重载齿轮的齿坯正火更有积极意义。等温正火控制冷却工艺路线如图8所示。
 
正火控冷同锻后控冷还是有一定区别的，因正火温度较低，对于带状遗传组织的改善作用有限。但和锻后控冷一样都能改善组织和硬度均匀性，一是可改善齿坯的切削加工性能，有利于干切技术的推广；二是保证组织均匀性，有利于齿轮最终等温淬火处理变形控制。
 
4.结语
介绍了齿轮变形控制中“均匀性”因素的重要性，齿坯普遍存在带状组织和表层粗大混合组织的问题，硬度均匀性差，导致齿坯的切削加工性能差，对此提出了锻后和正火加热后采用匀速冷却介质快冷的工艺解决措施。
 
（1）匀速冷却介质对于浓度、液温、工件表面温度变化的敏感性较低，能够保证冷却的均匀性和稳定性，可获得介于空气和淬火油之间的冷却能力。
 
（2）通过锻后快冷，严格控制一次冷却和二次冷却的速度，其中采用匀速冷却介质冷却是一种非常有效的方法，能够控制带状偏析保证热前组织的均匀性。
 
（3）毛坯正火后，采用匀速冷却介质快冷等温的工艺控制方法，能够保证工件组织及硬度的均匀性。一是可改善齿坯的切削加工性能，有利于干切技术的推广；二是保证组织均匀性，有利于齿轮最终等温淬火处理变形控制。