1。3。2  精密热处理概念

精密热处理指的是采用先进的工艺、设备以及检测体系的精密控制相变组织和残余应力分布,从而使得工件具有精密表面和轮廓的一种热处理。其主要包括控制相变组织、工件表面状态、残余应力和工件的畸变。对于传统的热处理工艺，其主要的关注点是组织、表面和轮廓尺寸，但却很少去关注残余应力场。精密热处理的目的是不仅要赋予材料和关键构件稳定而又具有较小分散度的极限性能和极限服役性能，同时又要保证其服役的长寿命和高的可靠性[14]。

1）控制组织相变

在渗碳淬火过程中，由于热量在冷却过程的传导、原子扩散、表面化学处理等因素，必然使得工件出现垂直于表面的梯度组织。在淬火后，工件表面到内部会依次生产马氏体、残留奥氏体+非马氏体组织、马氏体+贝氏体组织、贝氏体组织+心部混合组织的梯度结构。梯度组织虽然是在淬火过程中出现的，但其原因是由于碳含量的梯度分布导致。因而，要减小梯度组织对工件力学性能的影响，就要对渗碳过程中的温度和碳势实现精密控制。由于在热处理工件中，组织内不同相性质的差异会给工件的局部或整体带来极大的影响。因此，精密控制热处理时工件的组织相变和分布会极大的提高工件的服役性能。

2）控制工件的表面状态

在热处理当中，如果在没有保护性介质或气氛中加热，工件表面的合金原子会与加热介质中的氧化性介质起化学反应，生成氧化物，造成表面脱碳和变质等现象，使得工件的力学性能大为降低甚至是报废。对于渗碳淬火处理的零部件，除了梯度组织外还需考虑工件的表面状态。入炉前进行清洗，保证工件的表面洁净防止在渗碳过程中出现软点等缺陷。加热时通入保护性气体防止工件氧化。因此，在热处理当中控制工件表面状态显得极其重要[15]。

3）控制工件的残余应力

工件热处理后的残余应力并不都是有害的，因渗碳淬火时在钢齿轮表面产生的残余压应力，有利于提升齿轮的弯曲强度和接触疲劳性能。因为在淬火硬化的过程中，渗碳表面含碳量较高可降低马氏体形成的起始温度和延缓表面马氏体的转变。在马氏体相的形成过程中，材料体积会发生膨胀。延缓马氏体相变，以及相关体积膨胀的延迟，会导致淬火表面产生残余压应力[16]。实验表明，残余压应力对提高工件的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度都有积极的作用。通过对渗碳淬火过程的控制，减少对渗碳淬硬层残余压应力产生不利影响的因素吗，保证淬硬层具有足够的残余压应力，可以改善渗碳齿轮等工件的使用寿命和接触疲劳抗力。工件的冷却速度、齿轮心部硬度等都将对工件的残余应力产生影响，要控制好工件中的残余应力分布就需要对精密的工艺设计和精密热处理相配合。

4）工件畸变的控制文献综述

在渗碳热处理中，工件主要的变形主要有两种，一种是渗碳变形，另一种是淬火变形。在渗碳变形中，对于不对称工件的变形，主要是由于渗碳零件本身出现截面突变或者是形状不对称等，在加热和冷却过程中热应力和组织应力导致的变形。在淬火变形中，除了工件自身形状和含碳量不同等因素外，还同冷却介质有关。工件的变形不仅会影响尺寸精度同时还会对其服役性能产生有害影响。只有精准的控制炉内气氛的均匀性和温度的稳定性，以及对淬火介质的合理选择才能保证工件精度的高可靠性。

1。3。3  国外精密热处理技术发展情况

精密热处理是一个由工艺、设备和监测组成的技术体系。国外已经对精密热处理畸变的控制进行了较为系统的研究，相关的热处理畸变控制技术和理论也较为成熟。美国提出了在2020年实现热处理畸变为零和质量分散度为零的理想标准。日本采用了质量控制的形式对齿轮畸变进行了深入的研究，期望能可量化的预测齿轮的畸变。德国在2001年组织了一项名为“畸变工程”的大型课题研究热处理畸变[17]。成立了畸变工程研究中心，对工件整个加工过程的畸变进行研究与控制。德国不来梅大学的畸变工程研究中心所发表的报告中提出了与热处理相关的齿轮畸变影响因素有：1）齿轮基体的变形会对齿部变形产生影响；2）淬透性和预备热处理是齿轮齿部变形的主要影响因素；3）由于工件摆放方式的变化和对气体淬火流动性造成的差异导致了尺寸和形状发生了改变等。国外有文献列出了26种因素、77个子因子影响热处理变形，热处理畸变影响因素见图1 [18]。这些都表明了国外对精密热处理畸变研究之深度和高度的重视。