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汽车变速箱齿轮热处理工艺所属学院：材料学院专业班级：金属1002姓名：陈浩学号：31007020392013年6月27日1、零件图2、零件服役条件齿轮是机械设备及汽车中的重要零件，变速箱齿轮为汽车、拖拉机等发动机的重要部件，用于改变发动机曲轴和传动轴的速度比。

故齿面在较高的载荷(冲击载荷和交变载荷等)下工作，因此磨损快。

在工作过程中，通过齿面的接触传递动力，两齿面在相对运动过程中．既有滚动也有滑动，存在较大的压应力和摩擦力．经常换挡使齿端部受到冲击。

要求变速箱齿轮具有高的抗弯强度、接触疲劳强度和良好的耐磨性，心部有足够的强度和冲击韧性。

齿轮在传递力及改变速度的运动过程中啮合齿面之间既有滚动，又有滑动r而且齿面还受到脉动或交变弯曲应力的作用. 在变速器中，齿轮可改变传动比，扩大驱动轮转矩和转速的变化范围，以适应经常变化的行驶条件，同时使发动机在有利的工况下工作。

差速器中，通过车桥齿轮增加扭矩，并调节左右轮的转速。

全部发动机的动力均通过齿轮传给车轴，推动汽车运动。

所以汽车齿轮的受力较大，受冲击频繁，其耐磨性、疲劳强度、冲击韧性等均要求比机床齿轮高。

同时由于汽车行驶状况随路况随机变化，因而汽车齿轮的工作状况非常复杂。

服役条件（1）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,磨损亦较大。

（2）在汽车运行中由于齿根受着突然变载的冲击载荷以及周期变动的弯曲载荷，会造成轮齿的脆性断裂或弯曲疲劳破坏.(3)轮齿的工作面承受着较大的压应力及摩擦力，会造成麻点、接触疲劳破坏及深层剥落，由于经常换档，齿的端部经常受到冲击，也会造成轮齿的端部破坏。

因此在耐磨性、疲劳强度、心部强度和冲击韧性等方面的要求均比机床齿轮高.3、所需性能汽车变速齿轮工作条件比机床齿轮差,特别是主传动系统中的齿轮,受力较大,受冲击较频繁,因此对材料要求较高。

由于弯曲与接触应力都很大,所以重要齿轮都需渗碳、淬火处理,以提高耐磨性和疲劳抗力。

为保证心部有足够的强度及韧性,材料的淬透性要求较高,心部硬度应在35～45HRC之间。

另外,汽车生产批量大,因此选钢材时,在满足力学性能的前提下对工艺性能必须予以足够重视。

汽车齿轮工作时，啮合齿面间既有滚动，又有滑动，轮齿根部还受到脉动或交变弯曲的作用。

在由此而引起的各种应力的作用下，齿轮经常发生失效的情况。

根据工作条件的不同，汽车齿轮的失效形式主要是齿面磨损和断齿。

图1.1是四种主要的失效形式。

a 轮齿根部弯曲疲劳断裂b 齿面严重磨损、齿厚变小c 齿面剥落d 轮齿冲击断裂美国的一个关于齿轮失效形式及原因的统计资料的结果表明，疲劳断裂占失效齿轮总数的三分之一以上，居首位；其次是表面损伤。

总的来说，断裂是齿轮失效的主要形式。

齿轮在传递动力及改变速度的运行过程中，周期的受到弯曲应力，接触应力以及摩擦力的作用。

齿面和齿根在上述应力的作用下导致齿面剥落或轮齿折断而失效。

因此，改善材料的冶金质量和通过热处理强韧化技术以提高齿轮的弯曲程度，接触疲劳强度及耐磨性，从而达到提高齿轮寿命的目的。

对齿轮材料的性能要求是：(1) 高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度(抗疲劳点蚀)，除材料本身性能外，还可依靠齿轮的表面强化处理来实现；(2) 齿面具有较高的硬度和耐磨性，以防止粘着磨损和磨粒磨损。

耐磨性的提高，主要依靠表面硬度和降低摩擦因数来实现；(3) 齿轮心部具有足够的强度和韧性，以提高齿轮的承载能力。

此外，还要求齿轮具有高的传动精度，材料具有较好的切削加工及热处理工艺性等，例如热处理变形小，或变形有一定规律等。

4、选择材料制造齿轮常用的钢有20Cr、20CrMnMo、18Cr2Ni4WA、20CrMnTi。

4.1 20Cr与15Cr钢相比，有较高的强度及淬透性，在油中临界淬透直径达4 ～22mm，在水中临界淬透直径达11～40mm，但韧性较差，此钢渗碳时仍有晶粒长大倾向，降温直接淬火对冲击韧性影响较大，所以渗碳后需二次淬火以提高零件心部韧性，无回火脆性；钢的冷应变塑性高，可在冷状态下拉丝；可切削性在高温正火或调质状态下良好，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，但厚度大于15mm的零件在焊前需预热到100～150℃，焊后也可不进行回火热处理。

4.2 20CrMnMo20CrMnMo是高强度的高级渗碳钢。

强度高于15CrMnMo，塑性及韧性稍低，淬透性及力学性能比20CrMnTi高，淬火低温回火后具有良好的综合力学性能和低温冲击韧度。

渗碳淬火后具有较高的抗弯强度和耐磨性能，但磨削时易产生裂纹。

焊接性不好，适于电阻焊接，焊前需预热，焊后需回火处理。

切削加工性和热加工性良好。

常用于制造高硬度、高强度、高韧性的较大重要渗碳件（其要求均高于15CrMnMo），如曲轴、凸轮轴、连杆、齿轮轴、齿轮、销轴，还可代替12Cr2Ni4使用。

4.3 18Cr2Ni4WA18Cr2Ni4WA属于高强度中合金渗碳钢。

要使C化物及奥氏体含量不超标可采用渗碳后高温回火900~920℃渗碳，600~650回火，深冷处理，油淬后的硬度也就是48左右，想要达到HRC58-63，必须要进行表面渗碳。

18Cr2Ni4WA钢常用合金渗碳钢,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,缺口敏感性低的重要零件。

4.4 20CrMnTi20CrMnTi是渗碳钢，渗碳钢通常为含碳量为0.17%-0.24%的低碳钢。

是中淬透性渗碳钢中Cr Mn Ti 钢，其淬透性较高，在保证淬透情况下，具有较高的强度和韧性，特别是具有较高的低温冲击韧性。

20CrMnTi表面渗碳硬化处理用钢。

良好的加工性，加工变形微小，抗疲劳性能相当好。

特性及适用范围：是性能良好的渗碳钢，淬透性较高，经渗碳淬火后具有硬而耐磨的表面与坚韧的心部，具有较高的低温冲击韧性，焊接性中等，正火后可切削性良好。

用于制造截面＜30mm的承受高速、中等或重载荷、冲击及摩擦的重要零件，如齿轮、齿圈、齿轮轴十字头等。

是18CrMnTi的代用钢，广泛用作渗碳零件，在汽车.拖拉机工业用于截面在30mm以下，承受高速.中或重负荷以及受冲击.摩擦的重要渗碳零件，如齿轮.轴.齿圈.齿轮轴.滑动轴承的主轴.十字头.爪形离合器.蜗杆等。

20CrMnTi钢始锻温度1200℃，终锻温度900℃，锻造后直尺寸100mm以下堆积冷却，直径尺寸100mm以上缓慢冷却。

化学成份表2 20CrMnTi钢的临界点（℃）⑴ 20CrMnTi钢中加入Cr、Mn元素，主要是提高钢的淬透性。

⑵ 20CrMnTi钢中加入Ti元素主要是为了细化晶粒。

⑶ 20CrMnTi钢淬火加热时，Cr、Mn、Si元素完全固溶于奥氏体中，提高钢的淬透性。

Ti元素以碳化TiC形式钉扎于奥氏体晶界，阻止奥氏体晶粒的长大。

⑷ 20CrMnTi钢淬火后，Cr、Mn、Si元素固溶强化基体组织，并改善基体组织的回火稳定性。

⑸ 20CrMnTi钢低温回火时，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。

⑹ 20CrMnTi钢渗碳或碳氮共渗后碳层均匀，加工和热处理工艺性能优良，不易出现过热，渗碳后可直接淬火，淬火变形小。

⑺ 20CrMnTi钢正火后切削加工性能优良，相对加工性能为75%，表面粗糙度低。

⑻由于Cr、Mn元素的加入，20CrMnTi钢易出现回火脆性，故回火温度须严格控制，一般控制在180~200℃范围内。

Ti是强化铁素体的元素，它对钢的机械性能的影响取决于Ti在钢中存在的形态，也取决于Ti、c含量的比率。

20CrMnTi钢中含有微量的钛(0 06 ～ 0．12％)，其淬火温度一般在86O～900℃，避免了碳化钛过多地溶于奥氏体，与不舍Ti的钢相比，其强度将有所提高，同时不影响钢的担性和韧性。

由于具有细化晶粒的作用，Ti虽然在一定程度上提高钢的强度，但对钢的韧性，特别是低温冲击韧性，不一定有所改善，因为固溶于铁素体中的的脆化作用，会抵消因晶粒细化时对冲击韧性所起的有利作用。

Ti可减低20CrMnTi钢在200～400℃回火脆性，例如加Ti的钢比不加Ti的钢，回火脆性有明显改善，而且以加入Ti+B的钢效果最为显著。

对于汽车来说，由于其使用条件复杂，采用调质钢高频淬火不能保证要求，所以选用渗碳钢来作重要齿轮较为合适。

影响汽车渗碳齿轮失效和齿轮疲劳强度的因素主要有心部硬度、有效层深度、渗层和心部的金相组织、表面硬度和表层残余应力分布等。

根据汽车齿轮渗碳要求，选用低碳合金钢作为汽车齿轮材料最为理想。

实践证明,20CrMnTi钢具有较高的力学性能,在渗碳、淬火、低温回火后,表面硬度可达58～62HRC,心部硬度30～45HRC,正火态切削加工工艺性和热处理工艺性均较好。

为提高齿轮的耐用性,渗碳、淬火、回火后,还可采用喷丸处理,增大表面压应力。

5、热处理工艺传统的齿轮材料的工艺路线：下料→锻造→正火→切削加工→渗碳、淬火及低温回火→喷丸→磨削加工。

虽然传统工艺已经比较完善，但部分中间过程已不再适合现代化的大批量生产要求。

当前的技术要求齿坯在热处理后能获得均匀的组织和硬度，以保证获得良好的切削加工性能及稳定的淬火变形规律。

因此有必要对传统工艺进行改进，以获得质量良好的产品。

5.1 正火将工件加热至Ac3以上30~50℃，保温一段时间后，从炉中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风冷却的金属热处理工艺。

其目的是在于细化晶粒，消除组织缺陷，以获得珠光体+少量铁素体组织。

正火与退火的不同点是正火冷却速度比退火冷却速度稍快，因而正火组织要比退火组织更细一些，其机械性能也有所提高。

另外，正火炉外冷却不占用设备，生产率较高，因此生产中尽可能采用正火来代替退火。

5.1.1正火的目的（1）细化晶粒，消除组织缺陷。

以获得珠光体+少量铁素体组织，并使加工硬度适中，有利于切削（2）去除材料的内应力。

（3）降低材料的硬度。

这样是为了接下来的加工做准备。

和退火差不多的作用，只是为了提高效率，降低成本。

5.1.2正火设备选用RX3箱式电炉参数见表3表3 RX3-30-9箱式电炉5.1.3正火温度20CrMnTi钢Ac3约为825℃，为促使奥氏体均匀化，增大过冷奥氏体的稳定性，选择的加热温度在930℃～950℃。

5.1.4 加热方法采用到温加热的方法，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。