攀枝花学院学生课程设计（论文）题目：汽车变速箱齿轮钢的选择及热加工工艺设计学生姓名：学号：所在院(系)：材料工程学院专业：材料科学与工程班级：指导教师：职称：副教授2015年12月21日攀枝花学院教务处制攀枝花学院本科学生课程设计任务书注：任务书由指导教师填写。

1 引言随着我国交通运输业的快速发展，汽车工业正面临着难得的发展机遇，特别是自80年代以来，国外先进车型及生产技术的引进，使我国的汽车制造水平得到了很大提高。

变速箱齿轮作为汽车的重要零部件，从材料选择到生产工艺都发生了巨大变化。

其中重型汽车齿轮由于模数差距大、承受负荷重、对材料和热处理工艺要求高，因而在国产化时需要从影响齿轮质量的几个因素认真地加以分析和探讨。

2 重型卡车变速箱齿轮的综合性能分析2.1 变速箱齿轮服役条件分析齿轮在汽车变速箱中起传递运动和动力的作用。

⑴齿轮工作时，通过齿面的接触来传递动力。

两齿轮在相对运动过程中，既有滚动，又有滑动。

因此，齿轮表面受到很大的接触疲劳应力和摩擦力的作用。

在齿根部位受到很大的弯曲应力作用；⑵高速齿轮在运转过程中的过载产生振动，承受一定的冲击力或过载；⑶在一些特殊环境下，受介质环境的影响而承受其它特殊的力的作用。

因此，齿轮的表面有高的硬度和耐磨性，高接触疲劳强度，有较高的齿根抗弯强度，高的心部抗冲击能力。

2.2 齿轮力学性能分析因齿轮形状复杂，且使用工况很复杂，所以随着齿轮加工制造技术的发展，硬齿面齿轮在国内及国际汽车行业被普遍使用。

这是由于汽车变速箱齿轮不仅要求强度高、韧性好、耐磨性高，而且要能保证在齿轮截面上获得足够的淬硬层，以保证齿轮的综合力学性能。

同时要求齿轮材料淬透性带宽较窄，在较缓慢的冷却速度下就可以获得所需组织，保证齿轮热处理后变形小。

3 重型卡车变速箱齿轮的加工工艺流程分析3.1 预备热处理通常20CrMTi选用正火或调质处理作为预备热处理，其目的是降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工；细化晶粒，均匀钢的组织及成分，改善钢的性能，为以后的热处理作准备；消除锻造应力，防止变形和开裂，保证齿形合格。

对于重要的齿轮用调质来改善钢的性能。

在切削加工时，为了不致发生“粘刀”现象和使刀具严重磨损，通过改善金相组织控制钢的硬度。

实践证明，为了防止锻造毛坯在预备热处理中产生粒状贝氏体影响钢的力学性能，工艺可采用淬火后680℃高温回火来替代原来的正火。

高温回火后得到回火索氏体组织，应力集中倾向小，硬度降低至300HB，切削性能较好。

调质钢与正火钢相比不仅强度较高，而且塑性、韧性远高于后者，同时锻造应力得到充分的消除，满足了机械加工要求，在生产中已取得了良好的经济效益。

正火是将钢加热到Ac3以上30℃~50℃，保温足够的时间后出炉在空气中冷却到室温。

对于一般的齿轮采用正火，正火可以减少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。

由于正火的冷却速度较快，获得细小的片层状渗碳体珠光体，强度、硬度都较高，力学性能较好。

然而正火工艺是空冷，对于尺寸较大零件，内外温差大冷却速度不稳定，在连续冷却时，过冷奥氏体在A1~550℃温度范围内分解为珠光体，在550℃－M s温度范围内，因转变温度较低转变为贝氏体组织，其特征是过饱和碳的铁素体中分布粒状或长条状的碳化物。

锻造毛坯正火产生的粒状贝氏体引起硬度增高，导致了齿型加工困难，使刀具早期磨损。

对于车辆齿轮或大批量的小型齿轮越来越多采用等温正火工艺。

对于模数、直径较大的质量要求高的工业齿轮通常采用调质作为预备热处理。

3.2 化学热处理3.2.1 渗碳工艺渗碳工艺可使齿轮具有很好的综合力学性能，因此在汽车齿轮的生产中应用最广泛。

目前世界上汽车齿轮生产所采用的渗碳工艺主要是气体渗碳，气体渗碳是低碳钢生产所采用的最广泛的表面硬化工艺，国外已实现通过计算机可控渗碳深度和表面硬度，从而得到最佳的渗碳层深度和最小的变形。

3.2.2 碳氮共渗工艺碳氮共渗工艺具有在给定时间内有效提高渗层深度、获得较高硬度、保证奥氏体晶粒细小、减小零件变形、提高齿轮强度和耐磨性能等优点而被频繁使用。

随着对齿轮质量要求的提高，碳氮共渗工艺由于渗层组织性能不易控制稳定，获得较深渗层所需的时间长，该工艺使用日渐减少，只有少数小模数低负荷的汽车齿轮才允许采用。

3.2.3 渗氮工艺渗氮工艺是传统热处理工艺之一，然而其能否成功地在汽车齿轮上应用一直存在疑虑和争论，主要是渗氮齿轮的承载能力问题，因而长期以来渗氮齿轮的应用受到限制。

如美国石油协会规定经渗氮的齿轮，只能承受渗碳齿轮接触疲劳极限的75％，而对齿轮的弯曲疲劳极限也要相应降低30％。

然而渗氮工艺由于温度低、畸变小以及加工工序少而使成本降低的优点，近年来在齿轮上的应用比较广泛。

4 重型卡车变速箱齿轮用钢的选择4.1 变速箱齿轮用钢的选择4.1.1 国外汽车齿轮材料的发展本世纪初，德国汽车工业采用高Ni合金钢生产高负荷齿轮。

1928年，含4.5%Ni的Cr-Ni系钢ECN45被采纳为标准钢材，著名跑车银箭用齿轮就是用ECN45钢制造的。

二战期间，为了节约Ni，导致了Cr-Mn系齿轮钢的发展，经过几十年的不断改进和完善，如今Cr-Mn 系齿轮钢已成为中、小模数齿轮用钢的主要品种。

著名的ZF公司在Cr-Mn系齿轮钢中添加微量B，形成了独具特色的ZF系列齿轮钢，目前也被汽车生产厂家广泛采用。

对于大模数重负荷齿轮而言，含2%Ni的Cr-Ni系钢18CrNi8取代了ECN45钢，迄今18CrNi8作为淬透性最好的齿轮钢仍被奔驰公司、斯太尔公司等多家汽车厂所采用。

随着世界性节能浪潮的推动及新工艺的不断采用，材料潜力逐渐被发掘出来，含1.6%Ni的Cr-Ni-Mo系钢17CrNiMo6(ZFA钢)由于良好的工艺性能正逐渐取代18CrNi8用于大模数重负荷汽车齿轮。

在美国，早期用含5%Ni的SAE25系列钢生产汽车齿轮，二战前普遍采用含2%Ni的SAE46系列和含3.5%Ni的SAE48系列。

基于同样的原因，战后美国发展了SAE40系列Mn钢及含0.55%Ni的Cr-Ni-Mo系SAE86系列齿轮钢。

目前其中、小模数汽车齿轮使用SAE86和SAE40系列钢，而大模数重负荷汽车齿轮仍使用Ni-Mo系SAE46和SAE48系列钢。

各个国家由于资源情况不同，冶金工业和汽车工业发展历史不同，因而齿轮材料的选择和加工技术也各具特点。

工业发达国家汽车齿轮材料的共同特点是多品种、系列化，对应不同模数齿轮有不同的材料。

从材料成分来看，中、小模数汽车齿轮的发展趋势是从含Ni 钢到不含Ni钢，大模数汽车齿轮则是由较少含量的Cr、Ni、Mo合金钢取代高Cr、Ni合金钢。

4.1.2 国内重型汽车齿轮钢的选择国内汽车齿轮钢基本上沿用前苏联牌号，在过去很长的时期内，一直是17CrNiMo6一统天下的局面，不仅品种单一，而且钢材成分波动大，淬透性带宽，夹杂物多，造成齿轮热处理变形大、寿命低。

随着国外先进车型的引进，各种齿轮钢的国产化使我国的齿轮钢水平上了一个新台阶。

目前，德国的Cr-Mn系钢、日本的Cr-Mo系钢和美国的SAE86系列钢已实现了国产化，基本上满足了国内中、小模数汽车齿轮钢的需求。

斯达—斯太尔系列汽车齿轮用钢采用德国标准，按齿轮模数分大、中、小三种，分别使用18CrNi8、20MnCr5、16MnCr5三种齿轮钢。

其中，中、小模数齿轮用钢20MnCr5和16MnCr5的国产化问题已经解决，钢厂供应的材料基本达到了德国标准。

但对18CrNi8而言，由于Cr、Ni含量多，淬透性极高，因而热处理工艺很难控制，同时价格也较高，直接对其国产化并不是最佳方案。

国内工程机械用的大模数重负荷齿轮一般沿用前苏联的18Cr2Ni4W A，尽管使用效果良好，但价格昂贵，不适于用作汽车齿轮材料。

从国内齿轮钢牌号来看，20CrNi3与18CrNi8有相近之处，但淬透性远不如18CrNi8，价格也较高，因此使用20CrNi3做大模数汽车齿轮只能是权宜之计。

根据国内重型汽车的使用现状分析，超载使用和路况较差这两个问题较为严重，而且短期内无法克服，这就使齿轮经常承受较大的过载冲击载荷。

过载冲击载荷介于疲劳强度和断裂应力之间，它对齿轮使用寿命有很大影响，往往造成齿轮早期失效。

我们对斯达—斯太尔车早期失效齿轮的分析结果也证实了这一观点。

因此，在选择齿轮材料时必须考虑材料的抗过载能力。

渗碳钢的抗过载能力主要决定于心部强度和其有关的韧性指标。

大量试验表明，临界过载负荷和冲击断裂应力与渗碳钢的断裂韧性有关，因此能提高材料韧性的合金元素如Ni、Mo均可以提高材料的抗过载能力。

尽管17CrNiMo6钢的常规性能较好，但当渗碳层达1mm时的无缺口冲击试样的冲击韧性比Cr-Ni 钢低近10倍。

从这一点来说，大模数重负荷汽车齿轮应当选择Cr-Ni 或Cr-Ni-Mo系钢。

国外试验证明，渗碳钢表层淬火时出现过冷奥氏体分解产物是降低齿轮疲劳抗力的根本原因，而内氧化恰恰促进了这一过程的出现。

为了减轻内氧化的影响，应适当降低钢中的Cr、Mn 含量，增加Mo含量，以改善材料表层淬透性，同时使硬度梯度分布合理。

根据上述分析，我们认为Cr-Ni-Mo系钢更适合用于大模数重负荷汽车齿轮。

参照国外牌号分析，我们认为德国的17CrNiMo6钢可以作为首选钢种。

从性能上讲，它完全能够满足使用要求，而且工艺性优于18CrNi8钢;与国内的20CrNi3相比，17CrNiMo6不仅淬透性好，而且含Ni量低，价格也相应降低，这符合汽车齿轮钢的发展方向。

国外的使用情况表明，17CrNiMo6不仅能用作汽车齿轮钢，也可以替代国内的18Cr2Ni4W A钢用于生产工程机械用大模数重负荷齿轮，因而是大有发展前途的钢种。

4.2 热加工工艺设计4.2.1 正火选择的变速箱齿轮，它的直径大约是200mm，内圈直径约为100mm，厚度约是50mm，齿轮正面的圆形面积S约为628mm2，体积V约为31400mm3材料是低碳合金钢17CrNiMo6。

它的正火温度在950℃左右。

考虑到中温炉在中温测量时比较准确，因而选用中温箱式炉。

结构图如图1所示。

标准系列中温箱式电阻炉技术数据如表1所示。

图1 中温箱式炉结构图1-炉壳；2-炉衬；3-热电偶；4-炉膛；5-炉门；6-炉门升降结构；7-电热元件；8-炉底板；表1 标准系列中温箱式电阻炉技术数据 齿轮在箱式炉中的热处理为了让齿轮在箱式炉中受热均匀，可以用耐火材料制成料架放进箱式炉中，然后将齿轮放在架子上，进行加热。

4.2.2 渗碳升温装炉。

将空炉升温至600℃，启动风扇，在800℃开始滴入渗剂，到渗碳温度930℃即可装炉工件装炉后，肯定会导致炉温下降，此时应控制炉子的升温速度，使工件各部分之间不产生明显的温差。