J I A N G S U U N I V E R S I T Y金属材料综合课程设计(化学热处理)汽车齿轮的热处理工艺设计学院名称：材料科学与工程学院专业班级：金属1302学生姓名：钱振学号： 3130702063指导教师姓名：邵红红，纪嘉明2017年 1 月汽车齿轮的热处理工艺设计指导老师姓名：邵红红纪嘉明1 汽车齿轮零件图图 1 汽车齿轮2 服役条件及提出的性能要求和技术指标2.1 服役条件汽车齿轮主要作用是传递动力、改变运动方向。

汽车齿轮的工作条件比机床要繁重得多，它们经常在较高的载荷下工作，磨损比较大。

在汽车运行中由于齿根会经常受着突然变载的冲击载荷以及周期变动的弯曲载荷，会造成齿轮的脆性断裂或者弯曲疲劳破坏。

齿轮的工作面承受压应力及摩擦力也比较大，由于经常换挡，齿的端部经常受到冲击，也会造成齿轮的端部破坏。

2.2 失效形式主要失效形式为疲劳断裂，表面损伤和磨损失效。

①疲劳断裂。

齿轮在应变力和摩擦力的长期作用下，导致齿轮点面接疲劳断裂。

其产生是由于当齿轮受到弯曲应力超过其持久极限就出现疲劳破坏而超过材料抗弯强度，就造成断裂失效；②表面损伤。

a点蚀：是闭合齿轮传动中最常见的损坏形式，点蚀进一步发展，表现为蚀坑至断裂；b硬化层剥落：由于硬化层以下的过渡区金属在高接触应力作用下产生塑性变形，使表面压应力降低，形成裂纹造成碳化层剥落。

③磨损失效a摩擦磨损：汽车、拖拉机上变速齿轮属于主载荷齿轮，受力比较大，摩擦产生热量较大，齿面因软化而造成塑性变形，在齿轮运转粘结而后又被撕裂，造成齿面摩擦磨损失效。

b磨粒磨损：外来质点进入相互啮合的齿面间，使齿面产生机械擦伤和磨损，比正常磨损的速度来得更快。

2.3 性能要求根据汽车齿轮的服役条件和失效形式，大致上讲，应主要满足齿轮材料所需的机械性能、工艺性能和经济性要求三个方面：（1）满足齿轮材料的机械性能①由于传递扭矩，齿根要求较大的弯曲应力和交变应力，因此要求表面高硬度、高耐磨性；②由于齿轮转速变化范围广，齿轮表面承受较大的接触应力，并在高速下承受强烈的摩擦力，齿轮在交变力的作用下，长时间工作可能发生疲劳断裂，齿面在强摩擦作用下可能发生磨损和点蚀现象，因此要求齿面有高的接触疲劳强度；③由于工作时不断换挡，齿轮之间经常要承受换挡造成的冲击与碰撞，齿轮心部韧性过低时，在冲击作用下可能发生断裂，因此要求齿根高的弯曲强度（σb ＞1000Mpa ）；齿轮心部较高强度、高韧性（ak ＞60 J/cm ）。

（2）满足齿轮材料的工艺性能材料的工艺性能是指材料本身能够适应各种加工工艺要求的能力。

齿轮的制造要经过锻造、切削加工和热处理等几种加工，因此选材时要对材料的工艺性能加以注意。

一般来说，碳钢的锻造、切削加工等工艺性能较好，其机械性能可以满足一般工作条件的要求。

但强度不够高，淬透性较差。

而合金钢淬透性好、强度高，但锻造、切削加工性能较差。

我们可以通过改变工艺规程、热处理方法等途经来改善材料的工艺性能。

（3）满足齿轮材料的经济性要求所谓经济性是指最小的耗费取得最大的经济效益。

在满足使用性能的前提下，选用齿轮材料还应注意尽量降低零件的总成本。

从材料本身价格来考虑：碳钢和铸铁的价格是比较低廉的，因此在满足零件机械性能的前提下选用碳钢和铸铁，不仅具有较好的加工工艺性能，而且可降低成本。

从金属资源和供应情况来看，应尽可能减少材料的进口量及价格昂贵材料的使用量。

从齿轮生产过程的耗费来考虑：采用不同的热处理方法相对加工费用也不一样；通过改进热处理工艺也可以降低成本；所选钢种应尽量少而集中，以便采购和管理；我们还可以通过改进工艺来提高经济效益。

2.4 技术指标（1）渗碳层表面含碳量：0.8—1.0% ； （2）渗碳层厚度：0.8—1.2mm ； （3）齿轮表面硬度要求：58～64HRC ； （4）齿轮心部硬度要求：35～45HRC ；（5）其余力学性能：屈服强度σS ≥850MPa ,疲劳应力σ-1 ≥440MPa ,冲击功A KV ≥65J 。

3 选材3.1 常用材料比较分析汽车齿轮属于中、重载荷齿轮，受力较大，且频繁受冲击，因此在耐磨性、疲劳强度、抗冲击能力等方面要求较高，为满足表面耐磨性和整体强韧性的要求，一般选用渗碳钢，目前国内离合器齿轮用材大致有20Cr、20CrMo 、20CrMnTi等。

选用热处理为：渗碳。

（1）20Cr20Cr是典型的低淬透性钢，但比相同含碳量的碳素钢的强度和淬透性都有明显提高，油淬后可得马氏体淬硬层为Φ20～23，常用于制造截面尺寸小于30㎜，形状简单，受力不大，变速档较高，负载不大的而耐磨渗碳零件。

韧性较差，渗碳时有晶粒长大倾向，降温直接淬火对冲击韧性影响较大，因而渗碳后进行二次淬火提高零件心部韧性；可切削性良好，但退火后较差；20Cr为珠光体，焊接性较好，焊后一般不需热处理。

20Cr正火后硬度为HB179～217，显微组织为均匀分布的片状珠光体和铁素体，经渗碳后淬火、回火，表面硬度达56～62HRC，心部硬度达35～45HRC。

σb ≥835MPa，σS≥540MPa,δS ≥10﹪, ψ≥40﹪, Ak≥47J。

（2）20CrMo20CrMo材料属于低碳合金结构钢，适合渗碳淬火处理；淬透性较高，无回火脆性，焊接性相当好，形成冷裂的倾向很小，可切削性及冷应变塑性良好。

一般在调质或渗碳淬火状态下使用，用于制造在非腐蚀性介质及工作温度低于250℃、含有氮氢混合物的介质中工作的高压管及各种紧固件、较高级的渗碳零件，如齿轮、轴等。

(3)20CrMnTi20CrMnTi是典型的中淬透性钢，该钢由于Cr、Mn多元复合合金化的作用，淬透性好，油淬临界直径为40mm左右。

渗碳后淬火回火具有较高耐磨性和抗弯强度以及高的强韧性，特别是良好的低温冲击韧性，钢的渗碳工艺性较好，晶粒长大倾向小，热处理工艺简单，但高温回火时有回火脆性倾向，渗碳后可直接淬火，变形比较小。

20CrMnTi的热加工和冷加工性能较好，正火后硬度为HB180～230，相对切削性能好，并可获得光洁的表面。

一般可用于制造截面在30mm以下的承受高速、中速及重载荷以及冲击和摩擦的重要渗碳零件，如齿轮、齿轮圈、离合器轴、液压马达转子等。

（4）18Cr2Ni4WA18Cr2Ni4WA属于高强度中合金渗碳钢。

18Cr2Ni4WA钢常用于合金渗碳钢,强度,韧性高,淬透性良好,也可在不渗碳而调质的情况下使用,一般用做截面较大,载荷较高且韧性良好的重要零件。

对于汽车来说，由于其使用条件复杂，采用调质钢不能保证要求，选用渗碳钢较为合适。

20CrMnTi钢采用渗碳+淬火+低温回火，齿轮表面可以获得55~63HRC的高硬度，因淬透性较高，齿心部具有较高的强度和韧性。

因而选用20CrMnTi钢。

3.2 材料成分表及临界温度3.2.1 20CrMnTi成分及含量质量分数如表1 所示。

表1 20CrMnTi钢的化学成分及含量（质量百分数）合金元素C Cr Mn Ti Si S P Ni Cu含量（wt%）0.17～0.231.00～1.300.80～1.100.04～0.100.17～0.37≤0.035≤0.035≤0.30≤0.303.2.2 合金元素的作用（1）C的作用：C的含量决定了渗碳件心部的强度和韧性，从而影响零件的整体性能。

一般渗碳钢都是低碳钢。

C%＝0.17～0.23% 是为了渗碳时保证碳元素的正常渗入。

淬火热处理后保证心部得到低碳马氏体，具有足够的强韧性，抵抗冲击载荷。

（2）Cr、Mn的作用：Cr、Mn完全固溶于奥氏体中，主要是提高钢的淬透性；固溶强化基体组织，并改善基体组织的回火稳定性。

部分Cr、Mn元素从基体组织中扩散到析出的渗碳体Fe3C中，形成合金渗碳体（Cr、Mn、Fe）3C，改善其硬度。

合金渗碳体（Cr、Mn、Fe）3C 与碳化物TiC同基体组织一起共同作用，使钢产生较高的强度、硬度与耐磨性，同时保持良好的韧性。

Cr有利于渗碳层增厚，提高钢的淬透性，提高回火稳定性，增加钢的耐磨性。

Mn 能提高钢的淬透性，增加钢的强度和硬度，有利于渗碳层增厚，细化珠光体组织以改善机械性能。

（3）Ti的作用：以碳化物TiC形式钉扎于奥氏体晶界，阻止奥氏体晶粒的长大，细化晶粒；提高钢的回火稳定性，同时还可形成合金碳化物提高渗层耐磨性。

（4） Si的作用：阻止碳化物形核长大，提高钢的淬透性，提高钢的抗回火稳定性，提高对钢的综合机械性能。

（5） S、P:都是钢中的杂质元素，S能明显降低钢的热塑性，但能改善钢的可切削性；P 能降低钢的强度和韧性。

3.2.3 20CrMnTi相变临界点表2 20CrMnTi相变临界点4 汽车齿轮热处理工艺设计4.1 工艺路线下料→锻造→正火→机加工→渗碳→预冷直接淬火→低温回火→精加工→喷丸→磨削加工4.2 正火处理工艺（1）正火目的对汽车齿轮锻造毛坯进行预先热处理,主要是为了获得适宜的锻件表面硬度并为后续热处理作好金相组织准备。

传统的预先热处理方法大多采用常规正火处理。

该工艺设备简单、能耗少、工艺要求不高,因此应用较为广泛。

而等温退火处理的齿轮虽然机加工性能大大提高,而且渗碳淬火后的变形也明显减小，但是等温退火仍需将锻坯重新自室温加热至900 ℃以上高温,这将消耗大量能源，且大批量生产依然还存在一些技术难点，因此选择正火处理。

正火能够消除锻造应力及其不良组织，改善切削加工性，因该钢是低碳合金钢，碳含量低，韧性大，切削时“粘刀”严重，为改善切削加工性能，采用高温正火。

20CrMnTi的粗大晶粒的非平衡组织在渗碳淬火加热时会发生组织遗传，重新又获得粗大晶粒。

高温正火可以消除某些钢材粗大晶粒非平衡组织的遗传性，细化晶粒，以获得珠光体+少量铁素体组织，减少了碳和其他合金元素的成分偏析，使奥氏体晶粒细化和碳化物的弥散分布，以便在随后的热处理中增加碳化物的溶解量。

并使加工硬度适中，有利于切削。

（2）正火设备选用RX3箱式电炉参数见表 3表3 RX3-60-9箱式电炉产品名称产品型号额定功率(kw)额定电压(V)额定温度(℃)相数炉膛尺寸(长x宽x高)外型尺寸(长x宽x高)重量（kg）箱式电炉RX3-60-9603809503950x450x3501920x1620x21402200（4）正火温度：930℃理论上正火温度为A c3 +（30～50）℃，但高温正火的温度A c3+（100～150）℃，由于齿轮工件表面工件尺寸截面变化大，易变形开裂，所以经过综合考虑选取T=930℃。

（5）加热方法采用等温加热的方法，是指当炉温加热到指定的温度时，再将工件装进热处理炉进行加热。

这样做的原因是避免金属组织出现不需要的相转变，加热速度快，节约时间，便于小批量生产。