材料表面工程综合课程设计务
设计题目
汽车变速箱中间轴三档齿轮求渗碳层含碳量08~105渗碳层厚度08~12mm金相组织：齿角处碳化物6级马氏体6级心部铁素体6级硬度：表面HRC58~62心部HRC31~45
求：选择适宜制作齿轮材料制定保证达技术求热处理工艺制度试验结果分析整理数根相关技术标准进行金相检验
课程设计目
次课程设计安排旨提升学生动手力加强家专业理知识理解实际运通团队成员间密切配合加强团员合作协调力通次课程历练加强家学力家做毕业设计做铺垫
摘
文通汽车变速箱中间轴三档齿轮服役条件失效形式分析零件进行适热处理根汽车常材料特点选择20CrMnTi20CrMnTi性良渗碳钢淬透性较高渗碳淬火具硬耐磨表面坚韧心部具较高低温击韧性焊接性中等正火切削性良缩写工件硬度工件进行适热处理渗碳淬火工艺程中 防止齿轮变形 严格控制渗碳齿轮表面碳浓度渗层深度会渗层组织膨胀系数产生影响 渗碳表面形成良碳化物分布 增加齿形齿花键孔变形必须控制渗碳时碳势防止表面碳浓度高碳量均匀工件获表硬韧性求工件渗碳必须进行适热处理齿轮材料20CrMnTi钢质细晶粒钢特钢中含强碳化物形成元素Ti强烈阻止奥氏体晶粒长长时间渗碳奥氏体晶粒明显长预冷直接淬火法淬火钢组织马氏体少量残余奥氏体稳定组织稳定组织转变趋势时淬火时产生应力减消淬火应力 稳定组织尺寸获需力学性需适回火回火进行清洗取出进行质量检测否满足求
目录
1齿轮服役条件 4
2齿轮失效形式 4
3零件技术求选材 4
31汽车变速箱齿轮常材料 4
32化学成分合金元素作 7
33材料相变点 8
4课程设计容步骤 9
41工艺程 9
42热处理工艺概述 9
43 预先热处理工艺 9
44汽车齿轮热处理工艺进展 10
45热处理工艺制定 10
46渗碳 12
47淬火 14
48回火 15
49喷丸处理 16
410质量检查 16
411结 16
参考文献 17
1齿轮服役条件
变速器齿轮常高转速高负荷转速负荷断交变情况工作齿轮正常磨损外会润滑油品质润滑条件良驾驶操作维修时齿轮装配相互啃合位置等原均会造成齿轮击轮齿啃合起步抖动等会加速齿轮磨损损伤外齿轮部位零件磨损(齿轮孔中花键槽轴承花键轴等磨损)变形(变速器壳体轴承座承孔磨损变形花键轴变曲等)离合器传动轴装配制造某缺陷(渗碳层均匀齿轮翘曲等)会加速齿轮磨损
齿轮身结构尺寸材料强度承受外载荷求材料具较高强度韧性耐磨性齿轮形状复杂齿轮精度求高求材料工艺性
2齿轮失效形式
断齿磨损点蚀胶合等
①磨损：齿轮传动程中齿廓间相滑动会引起磨损磨损类型正常磨损磨粒磨损腐蚀磨损等非正常磨损齿廓学特征改变侧隙增引起传动稳严重时会造成断齿
②点蚀：齿轮传动程中轮齿点进入啮合脱离啮合接触应力呈脉动循环变化接触应力重复次数超某限度时齿面出现细疲劳裂纹裂纹扩展金属剥落形成点蚀点蚀首先出现齿面节线附
③ 胶合：高速重载荷条件工作齿轮齿面间压力出现齿面接触区局部粘连现象齿面相滑动时较软齿面滑动方撕成沟纹出现胶合擦伤胶合初型
3零件技术求选材
31汽车变速箱齿轮常材料
齿轮钢品种繁世界固根性求国资源条件钢铁工业汽车_I：业发展情况建立齿轮钢系列德国采Mn—Cr系列钢(16Mn～Cr520MnCr525MnCr527MnCr5) 日应Cr系钢(SCr415HSCr420HIICr—MO系钢(SCM 415HSCM 420H)美国采Cr．_Ni—Me系钢(SAE86158620)法固采Cr—Ni系钢(19CN5)Cr—MO系钢(20CD427CD430CD4)国年量20CrMnTi齿轮钢品种单改革开放汽车工业固家引进条生产线相应引进许齿轮钢号 逐步升发Cr系Mn—Cr系Cr—Mo系Cr—Ni—MoCr—Mn—B系齿轮钢
国现执行GBPT3077—1999合金结构钢技术条件中部分钢种齿轮钢中20CrMnTi40(20)Cr20CrMo导品种20CrMnTi 该钢现应存许异议该钢中钦仔基{奉晶粒细化作常伴污染虞钦含 超陔钢液态溶解度时会析出颗粒棱角TiN质点该质点rF常热处理条件难溶奥氏体中成疲劳裂纹源危害氧化物火杂严重冶炼时广：生TiN变形火杂物基体硬影I~JJ]IEE精度时会形成疲劳源影响齿轮疲劳寿 命属淘汰钢种钦含量高时液态钢会析出TiN 奥氏体中固溶度会高温固态析出颗粒然较粗南京汽车制造厂齿轮台架试验中次发生齿轮孔边缘产生疲劳裂纹导致齿轮失效实例分析TiN火杂物积聚致发达国家汽车齿轮钢中早已禁止加钛国钛新型汽车齿轮钢开发研制业已引起高度重视通两种措施减少TiN形成机会量降低Ti含量通精炼喂Ti线：艺代原直接加块状合金提高Ti收率Ti成分控制窄范围二保证连铸钢液脱氧良连铸程采全程保护浇
注量避免气接触减少钢液吸氮
汽车齿轮钢良强韧性耐磨性承受击弯曲接触应力求变形精度高齿轮生产加工工艺般淬火回火热处理外采渗碳淬火氮化处理高频淬火等种表面硬化处 齿轮制造齿轮钢技术求：(I)足够心部淬透性良深层淬透性确保齿轮渗碳淬火时渗层心部出现冷奥氏体分解产物(2)齿轮渗碳淬火变形免减少磨削加工降低运行噪音(3)良成形性(4)良F f热处理性
钢淬透性足指奥氏体化钢淬火时获马氏体力钢进行淬火希获马氏体组织定尺寸化学成分钢什某种介质中淬火 获全部马氏体组织取决
钢淬透性
汽集团公司年开发9t16t30t系列载重卡车投放市场变速箱齿轮桥丰动齿轮均出现齿现象综合分析认齿轮渗碳效硬化层浅 tt部硬度低造成齿轮失效原作20CrMnTi材料讲淬透性范围较宽淬透性处限时模数侨齿轮法保证淬透性公司设计部门鉴口等发达国家验决定系列车型侨齿轮变速箱齿轮材料改22CrMo20CrMO相日材料SCM822HSCMg20H年国齿轮钢生产情况中20CrMnTi钢期然产品占齿轮钢总产量半新引进牌号Cr—Mo系Mn—Cr系cr～Ni—Mo系Cr—Mn—B系齿轮钢产量逐渐升激光焊接齿轮材料低碳钢低碳合金钢宜含碳量般0．3％着国轿车：[业发展20CrMo成首钢厂冶钢厂等试验研制新材料性优20CrMnTi现已齿轮行业广泛
表1 汽车拖拉机齿轮常钢种热处理技术求
序号
齿轮类型
常钢种
热处理工艺
工艺
技术求
1
汽车变速箱差速箱齿轮
20CrMnTi
20CrMo等
渗碳
层深Mn<3时06~10mm35时11~15mm
齿面硬度：5864HRC
心部硬度：Mn5时32~45HRC
Mn>5时29~45HRC
40Cr
碳氮渗
层深：>02mm
表面硬度：51~61HRC
2
汽车驱动桥动动圆柱齿轮
20CrMnTi
20CrMo
渗碳
渗碳层深度图样求硬度求序号1中渗碳工艺
3
汽车驱动桥差速器行星半轴齿轮
20CrMnTi
20CrMo
渗碳
序号1中渗碳工艺
4
汽车发动机凸轮轴齿轮
HT180
HT200
170~229HB
5
汽车曲轴正时齿轮
35404540Cr
正火
149~179HB
调制
207~241HB
6
汽车起动电动机齿轮
15Cr20Cr20CrMo
渗碳
层深：07~11mm
表层硬度：58~63HRC
心部硬度：33~43HRC
课程设计20CrMnTi钢作齿轮材料
20CrMnTi性良渗碳钢淬透性较高渗碳淬火具硬耐磨表面坚韧心部具较高低温击韧性焊接性中等正火切削性良制造截面<30mm承受高速中等重载荷击摩擦重零件齿轮齿圈齿轮轴十字头等18CrMnTi代钢广泛作渗碳零件汽车拖拉机工业截面30mm承受高速中重负荷受击摩擦重渗碳零件齿轮轴齿圈齿轮轴滑动轴承轴十字头爪形离合器蜗杆等
32化学成分合金元素作
20CrMnTi渗碳钢渗碳钢通常含碳量017024低碳钢汽车制造传动齿轮中淬透性渗碳钢中Cr Mn Ti 钢淬透性较高保证淬透情况具较高强度韧性特具较高低温击韧性20CrMnTi表面渗碳硬化处理钢良加工性加工变形微抗疲劳性相途：齿轮轴类活塞类零配件汽车飞机种特殊零件部位
表2 20CrMnTi钢化学成分含量（质量百分数）
化学成分
C
Si
Mn
Cr
S
P
Ni
Cu
Ti
质量分数（）
017～023
017～037
080～110
100～130
≤0035
≤0035
≤0030
≤0030
004～010
合金元素作
硅：形成碳化物全部溶基体中合金元素硅提高钢强度耐回火性耐疲劳性
铬：热作模具钢中普遍采合金元素提高淬透性耐回火性改善钢击韧度利提高耐磨性高温强度热态强度抗氧化力耐蚀性
铬部分溶入基体中期固溶强化作部分碳结合形成铬碳化物铬碳化物般开始溶入奥氏体温度高铬质量分数Wcr＜6提高钢耐回火性利未构成二次硬化Wcr＞6钢淬火550℃回火会出现两次硬化现象
锰：商业钢含定量锰消硫害影响改善钢热加工性锰具固溶强化作溶入奥氏体中强烈提高钢淬透性时强烈降Ms点Ar1Ar3Ac1Ac3降低增加热敏感性外容易引起回火脆性
碳： 碳含量低025％碳素钢强度低硬度低软称软钢包括部分普通碳素结构钢部分优质碳素结构钢天热处理工程结构件参碳热处理求耐磨机械零件
低碳钢退火组织铁素体少量珠光体强廖硬度较低塑性韧性较冷成形性良采卷边折弯压等方法进行冷成形种钢翅具良焊接性碳含量低低碳钢硬度低切削加工性佳淬火处理改善切削加工性
钛：强碳化物形成元素钢中生成MC型碳化物提高钢耐磨性细化晶粒定处
硫：强碳化物形成元素钢中生成MC型碳化物提高钢耐磨性细化晶粒定处
麟：P钢中害杂质元素降低钢强度韧性
锰：作提高钢淬透性增加钢强度硬度脱氧脱硫功效（形成MnS）防止热脆改善渗碳层利渗碳层增厚增加奥氏体冷时冷度细化珠光体组织改善机械性
镍：降低相变驱动力C曲线右移CrNi符合效果更提高钢淬透性
铜：铜元素较稳定易氧化含铜元素起耐腐蚀作
33材料相变点
表3 20CrMnTi相变界点
牌 号
界温度℃
锻造加工温度℃
正 火
Ac1
Ac3
Ms
加热
始锻
温度
℃
冷
℃
硬度
HBW
Ar1
Ar3
Mf
终锻
20CrMnTi
715
843
360
1200~
1240
1160~
1200
950~
970
空冷
156~
207
625
795
>850
淬 火
回 火
温度
℃
淬火介质
硬度
HRC
温度回火硬度值HRC
150℃
200℃
300℃
400℃
500℃
550℃
600℃
650℃
860
油
42~46
43
41
40
39
35
30
25
17
4课程设计容步骤
41工艺程
锻造→正火→齿形加工→渗碳→淬火→低温回火→喷丸→校正花键孔→磨齿
42热处理工艺概述
汽车齿轮通常采低碳合金渗碳钢制造齿轮毛坯般需锻坯→预先热处理→切削加工→渗碳淬火→精加工等道冷热加工工序获较高表面硬度良心部韧性成品齿轮具耐磨耐疲劳耐腐蚀等优良性目前国汽车齿轮锻造毛坯预先热处理采正火等温退火呈现采等温退火取代正火处理趋势常热处理工艺渗碳碳氮渗渗氮感应淬火
43 预先热处理工艺
汽车齿轮锻造毛坯进行预先热处理获适宜锻件表面硬度第二热处理作金相组织准备传统预先热处理方法采常规正火处理该工艺设备简单耗少工艺求高应较广泛着汽车齿轮质量求提高特引进车型钢材料样化普通正火时钢组织转变定温度范围进行组织均匀批量正火冷时锻坯成堆空气中冷吹风冷冷速度易受堆中位置周围环境影响 造成批零件硬度波动较 (156～207HB) 时会增渗碳淬火时变形量淬透性较高钢甚会产生贝氏体组织国逐步采等温退火工艺进行预先热处理 通常等温温度560～650 ℃范围保证现代化批量生产时齿坯预先热处理获均匀组织硬度(160～180HB) 减少齿轮渗碳淬火变形降低运行时噪音具重意义国外汽车齿轮锻坯普遍采等温退火处理材料规定等温退火工艺德国众公司奔驰公司意利菲亚特公司等国外生产实践表明等温退火处理齿轮仅机加工性提高渗碳淬火变形明显减然 采等温退火需锻坯重新室温加热900 ℃高温消耗量源汽车齿轮锻造终锻温度般900 ℃时工件处奥氏体状态迅速均匀冷Ar1 珠光体相变区进行等温转变获常规等温退火相似显微组织硬度节约源提高劳动生产率改善锻坯质量年汽车工业利锻造余热进行等温退火已研究应进行批量生产然存技术难点
44汽车齿轮热处理工艺进展
汽车齿轮热处理工艺发展产品质量实行更加严格控制外更加重视节环保美国2020 年热处理技术发展路线图齿轮处理提出求时信息时代齿轮热处理工艺会更加充分利计算机技术热处理生产理工艺程控制工艺设计质量预测分析实现高度数字化智化汽车齿轮热处理工艺发展趋势总体着高品质低耗环保智化方发展[ 50 51 ] 高品质 进行齿轮热处理变形控制技术研究开发新型汽车齿轮钢材料精密齿轮表现 (1) 材料均匀性求材料具良成分组织均匀性 (2) 温度场流体场断改善温度场种流体场渗碳渗氮碳氮渗气流场淬火液态流体场改善低耗 (1) 齿轮热处理先进设备研制发展开发更炉衬耐热保温节材料降低炉壁温升减炉壁热损耗 (2) 开发汽车齿轮成形新工艺净成形技术 (3) 废热综合利锻造余热利环保 研究开发齿轮热处理新工艺低压真空渗碳双频感应淬火离子渗氮等技术发展智化 智化齿轮热处理控制技术发展必然趋势计算机—传感器—智库构建成智热处理核心表现 (1) 根零件材料技术求等系统动生成工艺 (2) 生产程完全闭环动控制 (3) 零件热处理质量预测预判 (4) 系统障动诊断处置 (5) 线适应应急应变力开发离子渗氮碳氮渗氮势传感器低压渗碳碳势传感器
45热处理工艺制定
正火
温度：930℃
时间：保温3时
组织：片状珠光体+铁素体
硬度：齿轮表面硬度156～207HBW
设备：中温箱式炉
选择变速箱齿轮直径约200mm圈直径约100mm厚度约50mm齿轮正面圆形面积S约628mm2体积V约31400mm3材料低碳合金钢20CrMnTi正火温度950℃左右考虑中温炉中温测量时较准确选中温箱式炉结构图图1示标准系列中温箱式电阻炉技术数表4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4标准系列中温箱式电阻炉技术数
型 号
功率
kw
电压
v
相数
高工作温度℃
炉膛尺寸（长×宽×高）mm
炉温850℃时指标
空炉损耗功率kw
空炉升温时间h
装载量
kg
RX
(RX3□9Q)
RX3159
15
380
1
950
600×300×250
5
25
80
RX3309
30
380
3
950
950×450×350
7
25
200
正火工艺曲线图2示
46渗碳
渗碳剂选择：甲醇煤油
滴注式气体渗碳渗碳剂般甲醇（形成载气）煤油丙酮醋酸乙酯（形成富化气）等作渗碳剂机溶剂求单位液体加热分解产生气体体积碳氧碳量（产生1mol活性碳需机液体质量）气氛中COH2含量稳定价格低廉货源充足安全性表4列出种常作渗碳剂种机溶剂碳量碳氧
表5常机液体渗碳特性
名称
分子式
碳量g
碳氧
途
甲醇
CH3OH
—
1
稀释剂
乙醇
C2H5OH
46
2
渗碳剂
丙酮
CH3COCH3
29
3
强渗碳剂
乙酸乙酯
CH3COOC2H5
44
2
渗碳剂
煤油
航空煤油灯煤油成分：C9～C14C11～C17烷烃
—
强渗碳剂
渗碳淬火工艺程中 防止齿轮变形 严格控制渗碳齿轮表面碳浓度渗层深度会渗层组织膨胀系数产生影响 渗碳表面形成良碳化物分布 增加齿形齿花键孔变形必须控制渗碳时碳势防止表面碳浓度高碳量均匀渗碳层深度越厚畸变加表面含碳量影响渗碳淬火齿轮淬透性 材料淬透性组织性畸变直接影响应渗碳层深度表面含碳量控制合理适宜范围齿轮渗碳方法较常气体渗碳目前应电解质气相离子(ECA)催渗技术控制渗碳变形取较效果现控井式炉中气体渗碳例优化工艺 滴入煤油苯甲醇等渗碳剂 加热温度般采930℃改900℃介质高温
分解产生活性碳原子化学分解式：
2CO→[C]+CO2
CH4→2H2+[C]
活性碳原子溶入钢表面奥氏体中 部扩散形成定深度渗碳层般渗碳层深度取决保温时间 时渗入02mm～025mm速度估算渗碳时控制渗碳时间活性碳浓度表面含碳量控制080 ～10 范围表面心部逐渐减心部保持原低碳钢含碳量渗碳温度越高时间越长 奥氏体晶粒越 齿轮畸变越加热温度控制900℃左右目控制奥氏体晶粒长获细奥氏体晶粒淬火获细马氏体组织渗碳改变工件表面含碳量 渗碳齿轮表面具高硬度高耐磨性心部良韧性渗碳必须进行热处理常淬火低温回火
渗碳工艺曲线图3示
渗碳层组织 齿轮渗碳冷般认工件渗碳层表层应细针状隐晶马氏体+细颗粒状弥散均匀分布碳化物+少量残余奥氏体工件心部应细晶粒低碳马氏体组织允许块铁素体存时工件畸变量表层心部间组织高碳马氏体+残余奥氏体
渗碳层性 渗碳层性取决表面含碳量分布梯度淬火渗层组织般希渗层碳分布梯度缓残余奥氏体较软塑性较高助微区域塑性变形弛豫局部应力延缓裂纹扩展渗碳层中25～30残余奥氏体反利提高接触疲劳强度表面粒状碳化物增提高表面耐磨性接触疲劳强度碳化物数量特呈粗网状条块状时击韧度疲劳强度等性变坏应加限制
47淬火
钢加热温度般根FeFe3C相图选择亚析钢淬火加热温度选择Ac330℃～50℃析钢淬火加热温度选择Ac130℃～50℃根渗碳齿轮表层含碳量分布状况实践验900℃预冷820℃左右进行油冷[3]效果加热温度高保温时间长会引起奥氏体晶粒粗引起热晶界氧化部分熔化烧现象热时奥氏体晶粒粗仅降低齿轮力学性 容易引起齿轮变形开裂烧工件报废加热温度低保温时间足会引起硬度足选择900℃温度渗碳预冷8 2 0℃ 左右油冷淬火淬火冷速度太快奥氏体马氏体组织转变剧烈体积收缩引起应力容易造成齿轮变形开裂20CrMnTi合金钢淬透性较选择油冷减冷速度防止淬火造成齿轮变形开裂时获马氏体组织达较高硬度
工件获表硬韧性求工件渗碳必须进行适热处理齿轮材料20CrMnTi钢质细晶粒钢特钢中含强碳化物形成元素Ti强烈阻止奥氏体晶粒长长时间渗碳奥氏体晶粒明显长预冷直接淬火法正常加热冷情况 工件加热860℃保温段时间奥氏体化油冷室温马氏体残余奥氏体具较高硬度
保温时间确定 淬火加热时间包括升温保温时间两段时间升温时间包括相变重结晶时间保温时间实际考虑碳化物溶解奥氏体成分均匀化需时间
具体生产条件淬火加热时间常验公式计算通实验终确定常验公式：
τ a•K•D
式中：τ加热时间mina加热系数minmmK装炉修正系数D工件效厚度mm
48回火
淬火钢组织马氏体少量残余奥氏体稳定组织稳定组织转变趋势时淬火时产生应力减消淬火应力 稳定组织尺寸获需力学性实践证明重载齿轮选择200℃进行4时低温回火[3]工艺较低温回火时马氏体中饱碳原子碳化物形式逐步析出 马氏体晶格畸变程度减弱应力降低时回火组织马氏体碳化物组成 称回火马氏体然马氏体分解αFe中碳饱程度降低钢硬度相应降析出碳化物基体起强化作 部分残余奥氏体分解回火马氏体 钢保持高硬度耐磨性定韧性
齿轮淬火具较高强度硬度淬火组织韧性差孪晶马氏体较淬火应力微裂纹回火应该时点180℃回火孪晶马氏体中饱固溶碳原子沉淀析出弥散分布ε碳化物提高钢韧性保持钢硬度强度耐磨性180℃回火时部分裂纹已焊合减轻工件脆裂倾低温回火隐晶回火马氏体分布均匀细碳化物颗粒硬度达55HRC
淬火回火工艺曲线图4示
49喷丸处理
喷丸处理仅清洁工序齿轮性较影响喷丸时间足够长情况喷丸齿面抗麻点剥落性会利影响喷丸时间较短齿面光洁度差反寿命降低喷丸齿轮弯曲疲劳性利应注意丸粒直射齿根
410质量检查
齿轮精加工检查齿轮外观表面渗层深度硬度金相组织等否达设计求
a外观：表面损伤烧伤严重腐蚀等缺陷测量工具测量显微镜表面否裂纹
b渗层深度：08～12mm磁粉检测
c硬度：心部31～45HRC齿面58～62HRC洛氏硬度计硬度
d金相组织：回火马氏体+残余铁素体金相显微镜金相组织
411结
综述文通汽车变速箱中间轴三档齿轮服役条件失效形式分析进行系列工艺流程研究制定性检测分析达工件强化目通工艺处理材料硬度耐磨性韧性极提高
文参考量文献文文指导老师提供文献编作者表示衷感谢
参考文献
[1] 王章忠 材料科学基础 20083第版 机械工业出版社
[2] 戴起勋 金属组织控制原理 20091第版 化学工业出版社
[3] 夏立芳 金属热处理工艺学 20085第四版 哈尔滨工业学出版社
[4] 戴起勋 金属材料学 20058第版 化学工业出版社
[5] 鸿年马建 现代热处理手册 20101第版 化学工业出版社
[6] 杨满 实热处理技术手册 20106第版 机械工业出版社
[7] 王忠诚齐宝森李杨 典型零件热处理技术 20107第版 化学工业出版社
[8] 王兴 金属热处理原理工业 20099第版 哈尔滨工业学出版社
[9] 董世柱徐维良 结构钢热处理 20093第版 辽宁科技技术出版社
[10] 王忠诚 钢套热处理基础 20081第版 化学工业出版社
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设计题目
汽车变速箱中间轴三档齿轮求渗碳层含碳量08~105渗碳层厚度08~12mm金相组织：齿角处碳化物6级马氏体6级心部铁素体6级硬度：表面HRC58~62心部HRC31~45
求：选择适宜制作齿轮材料制定保证达技术求热处理工艺制度试验结果分析整理数根相关技术标准进行金相检验
课程设计目
次课程设计安排旨提升学生动手力加强家专业理知识理解实际运通团队成员间密切配合加强团员合作协调力通次课程历练加强家学力家做毕业设计做铺垫
摘
文通汽车变速箱中间轴三档齿轮服役条件失效形式分析零件进行适热处理根汽车常材料特点选择20CrMnTi20CrMnTi性良渗碳钢淬透性较高渗碳淬火具硬耐磨表面坚韧心部具较高低温击韧性焊接性中等正火切削性良缩写工件硬度工件进行适热处理渗碳淬火工艺程中 防止齿轮变形 严格控制渗碳齿轮表面碳浓度渗层深度会渗层组织膨胀系数产生影响 渗碳表面形成良碳化物分布 增加齿形齿花键孔变形必须控制渗碳时碳势防止表面碳浓度高碳量均匀工件获表硬韧性求工件渗碳必须进行适热处理齿轮材料20CrMnTi钢质细晶粒钢特钢中含强碳化物形成元素Ti强烈阻止奥氏体晶粒长长时间渗碳奥氏体晶粒明显长预冷直接淬火法淬火钢组织马氏体少量残余奥氏体稳定组织稳定组织转变趋势时淬火时产生应力减消淬火应力 稳定组织尺寸获需力学性需适回火回火进行清洗取出进行质量检测否满足求
目录
1齿轮服役条件 4
2齿轮失效形式 4
3零件技术求选材 4
31汽车变速箱齿轮常材料 4
32化学成分合金元素作 7
33材料相变点 8
4课程设计容步骤 9
41工艺程 9
42热处理工艺概述 9
43 预先热处理工艺 9
44汽车齿轮热处理工艺进展 10
45热处理工艺制定 10
46渗碳 12
47淬火 14
48回火 15
49喷丸处理 16
410质量检查 16
411结 16
参考文献 17
1齿轮服役条件
变速器齿轮常高转速高负荷转速负荷断交变情况工作齿轮正常磨损外会润滑油品质润滑条件良驾驶操作维修时齿轮装配相互啃合位置等原均会造成齿轮击轮齿啃合起步抖动等会加速齿轮磨损损伤外齿轮部位零件磨损(齿轮孔中花键槽轴承花键轴等磨损)变形(变速器壳体轴承座承孔磨损变形花键轴变曲等)离合器传动轴装配制造某缺陷(渗碳层均匀齿轮翘曲等)会加速齿轮磨损
齿轮身结构尺寸材料强度承受外载荷求材料具较高强度韧性耐磨性齿轮形状复杂齿轮精度求高求材料工艺性
2齿轮失效形式
断齿磨损点蚀胶合等
①磨损：齿轮传动程中齿廓间相滑动会引起磨损磨损类型正常磨损磨粒磨损腐蚀磨损等非正常磨损齿廓学特征改变侧隙增引起传动稳严重时会造成断齿
②点蚀：齿轮传动程中轮齿点进入啮合脱离啮合接触应力呈脉动循环变化接触应力重复次数超某限度时齿面出现细疲劳裂纹裂纹扩展金属剥落形成点蚀点蚀首先出现齿面节线附
③ 胶合：高速重载荷条件工作齿轮齿面间压力出现齿面接触区局部粘连现象齿面相滑动时较软齿面滑动方撕成沟纹出现胶合擦伤胶合初型
3零件技术求选材
31汽车变速箱齿轮常材料
齿轮钢品种繁世界固根性求国资源条件钢铁工业汽车_I：业发展情况建立齿轮钢系列德国采Mn—Cr系列钢(16Mn～Cr520MnCr525MnCr527MnCr5) 日应Cr系钢(SCr415HSCr420HIICr—MO系钢(SCM 415HSCM 420H)美国采Cr．_Ni—Me系钢(SAE86158620)法固采Cr—Ni系钢(19CN5)Cr—MO系钢(20CD427CD430CD4)国年量20CrMnTi齿轮钢品种单改革开放汽车工业固家引进条生产线相应引进许齿轮钢号 逐步升发Cr系Mn—Cr系Cr—Mo系Cr—Ni—MoCr—Mn—B系齿轮钢
国现执行GBPT3077—1999合金结构钢技术条件中部分钢种齿轮钢中20CrMnTi40(20)Cr20CrMo导品种20CrMnTi 该钢现应存许异议该钢中钦仔基{奉晶粒细化作常伴污染虞钦含 超陔钢液态溶解度时会析出颗粒棱角TiN质点该质点rF常热处理条件难溶奥氏体中成疲劳裂纹源危害氧化物火杂严重冶炼时广：生TiN变形火杂物基体硬影I~JJ]IEE精度时会形成疲劳源影响齿轮疲劳寿 命属淘汰钢种钦含量高时液态钢会析出TiN 奥氏体中固溶度会高温固态析出颗粒然较粗南京汽车制造厂齿轮台架试验中次发生齿轮孔边缘产生疲劳裂纹导致齿轮失效实例分析TiN火杂物积聚致发达国家汽车齿轮钢中早已禁止加钛国钛新型汽车齿轮钢开发研制业已引起高度重视通两种措施减少TiN形成机会量降低Ti含量通精炼喂Ti线：艺代原直接加块状合金提高Ti收率Ti成分控制窄范围二保证连铸钢液脱氧良连铸程采全程保护浇
注量避免气接触减少钢液吸氮
汽车齿轮钢良强韧性耐磨性承受击弯曲接触应力求变形精度高齿轮生产加工工艺般淬火回火热处理外采渗碳淬火氮化处理高频淬火等种表面硬化处 齿轮制造齿轮钢技术求：(I)足够心部淬透性良深层淬透性确保齿轮渗碳淬火时渗层心部出现冷奥氏体分解产物(2)齿轮渗碳淬火变形免减少磨削加工降低运行噪音(3)良成形性(4)良F f热处理性
钢淬透性足指奥氏体化钢淬火时获马氏体力钢进行淬火希获马氏体组织定尺寸化学成分钢什某种介质中淬火 获全部马氏体组织取决
钢淬透性
汽集团公司年开发9t16t30t系列载重卡车投放市场变速箱齿轮桥丰动齿轮均出现齿现象综合分析认齿轮渗碳效硬化层浅 tt部硬度低造成齿轮失效原作20CrMnTi材料讲淬透性范围较宽淬透性处限时模数侨齿轮法保证淬透性公司设计部门鉴口等发达国家验决定系列车型侨齿轮变速箱齿轮材料改22CrMo20CrMO相日材料SCM822HSCMg20H年国齿轮钢生产情况中20CrMnTi钢期然产品占齿轮钢总产量半新引进牌号Cr—Mo系Mn—Cr系cr～Ni—Mo系Cr—Mn—B系齿轮钢产量逐渐升激光焊接齿轮材料低碳钢低碳合金钢宜含碳量般0．3％着国轿车：[业发展20CrMo成首钢厂冶钢厂等试验研制新材料性优20CrMnTi现已齿轮行业广泛
表1 汽车拖拉机齿轮常钢种热处理技术求
序号
齿轮类型
常钢种
热处理工艺
工艺
技术求
1
汽车变速箱差速箱齿轮
20CrMnTi
20CrMo等
渗碳
层深Mn<3时06~10mm3
齿面硬度：5864HRC
心部硬度：Mn5时32~45HRC
Mn>5时29~45HRC
40Cr
碳氮渗
层深：>02mm
表面硬度：51~61HRC
2
汽车驱动桥动动圆柱齿轮
20CrMnTi
20CrMo
渗碳
渗碳层深度图样求硬度求序号1中渗碳工艺
3
汽车驱动桥差速器行星半轴齿轮
20CrMnTi
20CrMo
渗碳
序号1中渗碳工艺
4
汽车发动机凸轮轴齿轮
HT180
HT200
170~229HB
5
汽车曲轴正时齿轮
35404540Cr
正火
149~179HB
调制
207~241HB
6
汽车起动电动机齿轮
15Cr20Cr20CrMo
渗碳
层深：07~11mm
表层硬度：58~63HRC
心部硬度：33~43HRC
课程设计20CrMnTi钢作齿轮材料
20CrMnTi性良渗碳钢淬透性较高渗碳淬火具硬耐磨表面坚韧心部具较高低温击韧性焊接性中等正火切削性良制造截面<30mm承受高速中等重载荷击摩擦重零件齿轮齿圈齿轮轴十字头等18CrMnTi代钢广泛作渗碳零件汽车拖拉机工业截面30mm承受高速中重负荷受击摩擦重渗碳零件齿轮轴齿圈齿轮轴滑动轴承轴十字头爪形离合器蜗杆等
32化学成分合金元素作
20CrMnTi渗碳钢渗碳钢通常含碳量017024低碳钢汽车制造传动齿轮中淬透性渗碳钢中Cr Mn Ti 钢淬透性较高保证淬透情况具较高强度韧性特具较高低温击韧性20CrMnTi表面渗碳硬化处理钢良加工性加工变形微抗疲劳性相途：齿轮轴类活塞类零配件汽车飞机种特殊零件部位
表2 20CrMnTi钢化学成分含量（质量百分数）
化学成分
C
Si
Mn
Cr
S
P
Ni
Cu
Ti
质量分数（）
017～023
017～037
080～110
100～130
≤0035
≤0035
≤0030
≤0030
004～010
合金元素作
硅：形成碳化物全部溶基体中合金元素硅提高钢强度耐回火性耐疲劳性
铬：热作模具钢中普遍采合金元素提高淬透性耐回火性改善钢击韧度利提高耐磨性高温强度热态强度抗氧化力耐蚀性
铬部分溶入基体中期固溶强化作部分碳结合形成铬碳化物铬碳化物般开始溶入奥氏体温度高铬质量分数Wcr＜6提高钢耐回火性利未构成二次硬化Wcr＞6钢淬火550℃回火会出现两次硬化现象
锰：商业钢含定量锰消硫害影响改善钢热加工性锰具固溶强化作溶入奥氏体中强烈提高钢淬透性时强烈降Ms点Ar1Ar3Ac1Ac3降低增加热敏感性外容易引起回火脆性
碳： 碳含量低025％碳素钢强度低硬度低软称软钢包括部分普通碳素结构钢部分优质碳素结构钢天热处理工程结构件参碳热处理求耐磨机械零件
低碳钢退火组织铁素体少量珠光体强廖硬度较低塑性韧性较冷成形性良采卷边折弯压等方法进行冷成形种钢翅具良焊接性碳含量低低碳钢硬度低切削加工性佳淬火处理改善切削加工性
钛：强碳化物形成元素钢中生成MC型碳化物提高钢耐磨性细化晶粒定处
硫：强碳化物形成元素钢中生成MC型碳化物提高钢耐磨性细化晶粒定处
麟：P钢中害杂质元素降低钢强度韧性
锰：作提高钢淬透性增加钢强度硬度脱氧脱硫功效（形成MnS）防止热脆改善渗碳层利渗碳层增厚增加奥氏体冷时冷度细化珠光体组织改善机械性
镍：降低相变驱动力C曲线右移CrNi符合效果更提高钢淬透性
铜：铜元素较稳定易氧化含铜元素起耐腐蚀作
33材料相变点
表3 20CrMnTi相变界点
牌 号
界温度℃
锻造加工温度℃
正 火
Ac1
Ac3
Ms
加热
始锻
温度
℃
冷
℃
硬度
HBW
Ar1
Ar3
Mf
终锻
20CrMnTi
715
843
360
1200~
1240
1160~
1200
950~
970
空冷
156~
207
625
795
>850
淬 火
回 火
温度
℃
淬火介质
硬度
HRC
温度回火硬度值HRC
150℃
200℃
300℃
400℃
500℃
550℃
600℃
650℃
860
油
42~46
43
41
40
39
35
30
25
17
4课程设计容步骤
41工艺程
锻造→正火→齿形加工→渗碳→淬火→低温回火→喷丸→校正花键孔→磨齿
42热处理工艺概述
汽车齿轮通常采低碳合金渗碳钢制造齿轮毛坯般需锻坯→预先热处理→切削加工→渗碳淬火→精加工等道冷热加工工序获较高表面硬度良心部韧性成品齿轮具耐磨耐疲劳耐腐蚀等优良性目前国汽车齿轮锻造毛坯预先热处理采正火等温退火呈现采等温退火取代正火处理趋势常热处理工艺渗碳碳氮渗渗氮感应淬火
43 预先热处理工艺
汽车齿轮锻造毛坯进行预先热处理获适宜锻件表面硬度第二热处理作金相组织准备传统预先热处理方法采常规正火处理该工艺设备简单耗少工艺求高应较广泛着汽车齿轮质量求提高特引进车型钢材料样化普通正火时钢组织转变定温度范围进行组织均匀批量正火冷时锻坯成堆空气中冷吹风冷冷速度易受堆中位置周围环境影响 造成批零件硬度波动较 (156～207HB) 时会增渗碳淬火时变形量淬透性较高钢甚会产生贝氏体组织国逐步采等温退火工艺进行预先热处理 通常等温温度560～650 ℃范围保证现代化批量生产时齿坯预先热处理获均匀组织硬度(160～180HB) 减少齿轮渗碳淬火变形降低运行时噪音具重意义国外汽车齿轮锻坯普遍采等温退火处理材料规定等温退火工艺德国众公司奔驰公司意利菲亚特公司等国外生产实践表明等温退火处理齿轮仅机加工性提高渗碳淬火变形明显减然 采等温退火需锻坯重新室温加热900 ℃高温消耗量源汽车齿轮锻造终锻温度般900 ℃时工件处奥氏体状态迅速均匀冷Ar1 珠光体相变区进行等温转变获常规等温退火相似显微组织硬度节约源提高劳动生产率改善锻坯质量年汽车工业利锻造余热进行等温退火已研究应进行批量生产然存技术难点
44汽车齿轮热处理工艺进展
汽车齿轮热处理工艺发展产品质量实行更加严格控制外更加重视节环保美国2020 年热处理技术发展路线图齿轮处理提出求时信息时代齿轮热处理工艺会更加充分利计算机技术热处理生产理工艺程控制工艺设计质量预测分析实现高度数字化智化汽车齿轮热处理工艺发展趋势总体着高品质低耗环保智化方发展[ 50 51 ] 高品质 进行齿轮热处理变形控制技术研究开发新型汽车齿轮钢材料精密齿轮表现 (1) 材料均匀性求材料具良成分组织均匀性 (2) 温度场流体场断改善温度场种流体场渗碳渗氮碳氮渗气流场淬火液态流体场改善低耗 (1) 齿轮热处理先进设备研制发展开发更炉衬耐热保温节材料降低炉壁温升减炉壁热损耗 (2) 开发汽车齿轮成形新工艺净成形技术 (3) 废热综合利锻造余热利环保 研究开发齿轮热处理新工艺低压真空渗碳双频感应淬火离子渗氮等技术发展智化 智化齿轮热处理控制技术发展必然趋势计算机—传感器—智库构建成智热处理核心表现 (1) 根零件材料技术求等系统动生成工艺 (2) 生产程完全闭环动控制 (3) 零件热处理质量预测预判 (4) 系统障动诊断处置 (5) 线适应应急应变力开发离子渗氮碳氮渗氮势传感器低压渗碳碳势传感器
45热处理工艺制定
正火
温度：930℃
时间：保温3时
组织：片状珠光体+铁素体
硬度：齿轮表面硬度156～207HBW
设备：中温箱式炉
选择变速箱齿轮直径约200mm圈直径约100mm厚度约50mm齿轮正面圆形面积S约628mm2体积V约31400mm3材料低碳合金钢20CrMnTi正火温度950℃左右考虑中温炉中温测量时较准确选中温箱式炉结构图图1示标准系列中温箱式电阻炉技术数表4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4标准系列中温箱式电阻炉技术数
型 号
功率
kw
电压
v
相数
高工作温度℃
炉膛尺寸（长×宽×高）mm
炉温850℃时指标
空炉损耗功率kw
空炉升温时间h
装载量
kg
RX
(RX3□9Q)
RX3159
15
380
1
950
600×300×250
5
25
80
RX3309
30
380
3
950
950×450×350
7
25
200
正火工艺曲线图2示
46渗碳
渗碳剂选择：甲醇煤油
滴注式气体渗碳渗碳剂般甲醇（形成载气）煤油丙酮醋酸乙酯（形成富化气）等作渗碳剂机溶剂求单位液体加热分解产生气体体积碳氧碳量（产生1mol活性碳需机液体质量）气氛中COH2含量稳定价格低廉货源充足安全性表4列出种常作渗碳剂种机溶剂碳量碳氧
表5常机液体渗碳特性
名称
分子式
碳量g
碳氧
途
甲醇
CH3OH
—
1
稀释剂
乙醇
C2H5OH
46
2
渗碳剂
丙酮
CH3COCH3
29
3
强渗碳剂
乙酸乙酯
CH3COOC2H5
44
2
渗碳剂
煤油
航空煤油灯煤油成分：C9～C14C11～C17烷烃
—
强渗碳剂
渗碳淬火工艺程中 防止齿轮变形 严格控制渗碳齿轮表面碳浓度渗层深度会渗层组织膨胀系数产生影响 渗碳表面形成良碳化物分布 增加齿形齿花键孔变形必须控制渗碳时碳势防止表面碳浓度高碳量均匀渗碳层深度越厚畸变加表面含碳量影响渗碳淬火齿轮淬透性 材料淬透性组织性畸变直接影响应渗碳层深度表面含碳量控制合理适宜范围齿轮渗碳方法较常气体渗碳目前应电解质气相离子(ECA)催渗技术控制渗碳变形取较效果现控井式炉中气体渗碳例优化工艺 滴入煤油苯甲醇等渗碳剂 加热温度般采930℃改900℃介质高温
分解产生活性碳原子化学分解式：
2CO→[C]+CO2
CH4→2H2+[C]
活性碳原子溶入钢表面奥氏体中 部扩散形成定深度渗碳层般渗碳层深度取决保温时间 时渗入02mm～025mm速度估算渗碳时控制渗碳时间活性碳浓度表面含碳量控制080 ～10 范围表面心部逐渐减心部保持原低碳钢含碳量渗碳温度越高时间越长 奥氏体晶粒越 齿轮畸变越加热温度控制900℃左右目控制奥氏体晶粒长获细奥氏体晶粒淬火获细马氏体组织渗碳改变工件表面含碳量 渗碳齿轮表面具高硬度高耐磨性心部良韧性渗碳必须进行热处理常淬火低温回火
渗碳工艺曲线图3示
渗碳层组织 齿轮渗碳冷般认工件渗碳层表层应细针状隐晶马氏体+细颗粒状弥散均匀分布碳化物+少量残余奥氏体工件心部应细晶粒低碳马氏体组织允许块铁素体存时工件畸变量表层心部间组织高碳马氏体+残余奥氏体
渗碳层性 渗碳层性取决表面含碳量分布梯度淬火渗层组织般希渗层碳分布梯度缓残余奥氏体较软塑性较高助微区域塑性变形弛豫局部应力延缓裂纹扩展渗碳层中25～30残余奥氏体反利提高接触疲劳强度表面粒状碳化物增提高表面耐磨性接触疲劳强度碳化物数量特呈粗网状条块状时击韧度疲劳强度等性变坏应加限制
47淬火
钢加热温度般根FeFe3C相图选择亚析钢淬火加热温度选择Ac330℃～50℃析钢淬火加热温度选择Ac130℃～50℃根渗碳齿轮表层含碳量分布状况实践验900℃预冷820℃左右进行油冷[3]效果加热温度高保温时间长会引起奥氏体晶粒粗引起热晶界氧化部分熔化烧现象热时奥氏体晶粒粗仅降低齿轮力学性 容易引起齿轮变形开裂烧工件报废加热温度低保温时间足会引起硬度足选择900℃温度渗碳预冷8 2 0℃ 左右油冷淬火淬火冷速度太快奥氏体马氏体组织转变剧烈体积收缩引起应力容易造成齿轮变形开裂20CrMnTi合金钢淬透性较选择油冷减冷速度防止淬火造成齿轮变形开裂时获马氏体组织达较高硬度
工件获表硬韧性求工件渗碳必须进行适热处理齿轮材料20CrMnTi钢质细晶粒钢特钢中含强碳化物形成元素Ti强烈阻止奥氏体晶粒长长时间渗碳奥氏体晶粒明显长预冷直接淬火法正常加热冷情况 工件加热860℃保温段时间奥氏体化油冷室温马氏体残余奥氏体具较高硬度
保温时间确定 淬火加热时间包括升温保温时间两段时间升温时间包括相变重结晶时间保温时间实际考虑碳化物溶解奥氏体成分均匀化需时间
具体生产条件淬火加热时间常验公式计算通实验终确定常验公式：
τ a•K•D
式中：τ加热时间mina加热系数minmmK装炉修正系数D工件效厚度mm
48回火
淬火钢组织马氏体少量残余奥氏体稳定组织稳定组织转变趋势时淬火时产生应力减消淬火应力 稳定组织尺寸获需力学性实践证明重载齿轮选择200℃进行4时低温回火[3]工艺较低温回火时马氏体中饱碳原子碳化物形式逐步析出 马氏体晶格畸变程度减弱应力降低时回火组织马氏体碳化物组成 称回火马氏体然马氏体分解αFe中碳饱程度降低钢硬度相应降析出碳化物基体起强化作 部分残余奥氏体分解回火马氏体 钢保持高硬度耐磨性定韧性
齿轮淬火具较高强度硬度淬火组织韧性差孪晶马氏体较淬火应力微裂纹回火应该时点180℃回火孪晶马氏体中饱固溶碳原子沉淀析出弥散分布ε碳化物提高钢韧性保持钢硬度强度耐磨性180℃回火时部分裂纹已焊合减轻工件脆裂倾低温回火隐晶回火马氏体分布均匀细碳化物颗粒硬度达55HRC
淬火回火工艺曲线图4示
49喷丸处理
喷丸处理仅清洁工序齿轮性较影响喷丸时间足够长情况喷丸齿面抗麻点剥落性会利影响喷丸时间较短齿面光洁度差反寿命降低喷丸齿轮弯曲疲劳性利应注意丸粒直射齿根
410质量检查
齿轮精加工检查齿轮外观表面渗层深度硬度金相组织等否达设计求
a外观：表面损伤烧伤严重腐蚀等缺陷测量工具测量显微镜表面否裂纹
b渗层深度：08～12mm磁粉检测
c硬度：心部31～45HRC齿面58～62HRC洛氏硬度计硬度
d金相组织：回火马氏体+残余铁素体金相显微镜金相组织
411结
综述文通汽车变速箱中间轴三档齿轮服役条件失效形式分析进行系列工艺流程研究制定性检测分析达工件强化目通工艺处理材料硬度耐磨性韧性极提高
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参考文献
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