汽车变速箱中间轴三档齿轮讲解

1、材料表面工程综合课程设计任务设计题目 汽车变速箱中间轴三档齿轮，要求渗碳层含碳量0.81.05%，渗碳层厚度0.81.2mm。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HRC5862，心部HRC3145。要求：选择适宜于制作齿轮的材料和制定能保证达到此技术要求的热处理工艺制度，试验结果，分析、整理数据。并根据相关技术标准进行金相检验。课程设计目的 本次课程设计的安排旨在提升学生的动手能力，加强大家对专业理论知识的理解和实际运用，通过团队成员之间的密切配合，加强团员的合作协调能力。通过本次课程的历练，加强大家的自学能力，为大家做毕业设计做很好的铺垫。摘要 本论文通过对汽车

2、变速箱中间轴三档齿轮服役条件和失效形式分析对零件进行适当热处理。根据汽车常用材料的特点，我选择20CrMnTi。20CrMnTi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。为得到缩写工件硬度，要对工件进行适当热处理。在渗碳淬火工艺过程中, 要防止齿轮变形, 要严格控制渗碳齿轮的表面碳浓度和渗层深度。因它们会对渗层组织的膨胀系数产生影响, 渗碳后若表面形成不良碳化物分布, 将增加齿形、齿向及花键孔的变形,因此必须控制渗碳时的碳势,以防止表面碳浓度过高和碳量不均匀。为了使工件获得表硬内韧的性能要求，工件渗碳后必

3、须进行适当的热处理，由于齿轮的材料是20CrMnTi钢，是本质细晶粒钢，特别是钢中含有的强碳化物形成元素Ti，强烈阻止奥氏体晶粒的长大，经过长时间渗碳后奥氏体晶粒并不明显长大，故可以用预冷直接淬火法。淬火后的钢组织是马氏体及少量残余奥氏体,它们都是不稳定的组织,有向稳定组织转变的趋势,同时淬火时产生内应力。为了减小或消除淬火内应力, 稳定组织和尺寸,获得所需的力学性能，需要适当回火。回火之后进行清洗。取出进行质量检测。看看是否满足要求。目录1齿轮的服役条件42齿轮失效的主要形式43.零件的技术要求及选材43.1汽车变速箱齿轮常用材料43.2化学成分及合金元素的作用73.3材料相变点84课程设计

4、的内容及步骤94.1工艺过程94.2热处理工艺概述94.3 预先热处理工艺94.4汽车齿轮热处理工艺进展104.5热处理工艺制定104.6渗碳124.7淬火144.8回火154.9喷丸处理164.10质量检查164.11结论16参考文献171齿轮的服役条件 变速器齿轮经常在高转速、高负荷、转速和负荷不断交变的情况下工作。齿轮除了由于正常磨损外，还会由于润滑油品质、润滑条件不良、驾驶操作不当、维修时齿轮装配相互啃合位置不当等原因，均会造成齿轮冲击，轮齿啃合得不好以及起步抖动等，都会加速齿轮的磨损和损伤。另外，齿轮其他部位或其他零件的磨损(如齿轮孔中花键槽、轴承、花键轴等磨损)、变形(如变速器壳体

5、轴承座承孔磨损或变形、花键轴变曲等)，离合器或传动轴的装配不当，制造上的某些缺陷(如渗碳层不均匀、齿轮翘曲等)，也会加速齿轮的磨损。 齿轮是依靠本身的结构尺寸和材料强度来承受外载荷的，这就要求材料具有较高强度韧性和耐磨性；由于齿轮形状复杂，齿轮精度要求高，还要求材料工艺性好。2齿轮失效的主要形式有断齿、磨损、点蚀、胶合等。磨损：齿轮传动过程中，齿廓间的相对滑动会引起磨损。磨损的类型有正常磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损等，非正常磨损后的齿廓几何学特征改变，侧隙增大，引起传动不平稳，严重时会造成断齿。点蚀：齿轮传动过程中，轮齿上的任一点从进入啮合到脱离啮合，接触应力呈脉动循环变化，在接触应力和重复次数超

6、过某一限度时，齿面出现细小的疲劳裂纹，裂纹扩展使金属剥落形成点蚀。点蚀首先出现在齿面节线附近。 胶合：在高速重载荷条件下工作的齿轮，齿面间压力大，出现齿面接触区局部粘连现象，齿面相对滑动时，较软的齿面沿滑动方向被撕成沟纹，出现胶合。擦伤是胶合的初型。3.零件的技术要求及选材3.1汽车变速箱齿轮常用材料 齿轮钢品种繁多，世界各固都根据使用性能要求和本国的资源条件，以及钢铁工业和汽车_I：业的发展情况不同，建立了各自的齿轮用钢系列。如德国采用MnCr系列钢(16MnCr5，20MnCr5，25MnCr5，27MnCr5)； 日本应用Cr系钢(SCr415H，SCr420H，IICrMO系钢(SCM

7、 415H，SCM 420H)；美国采用Cr_NiMe系钢(SAE8615，8620)；法固采用CrNi系钢(19CN5)，CrMO系钢(20CD4，27CD4，30CD4)；我国多年来大量使用的是20CrMnTi齿轮钢，品种单一，改革开放后汽车工业从不同固家引进了多条生产线，相应地引进了许多齿轮钢号， 逐步升发使用Cr系、MnCr系、CrMo系、CrNiMo，CrMnB系齿轮钢。 在我国现执行的GBPT30771999合金结构钢技术条件中有部分钢种用于齿轮用钢，其中以20CrMnTi，40(20)Cr和20CrMo为主导品种，20CrMnTi用 最大。该钢现在在应用上存在许多异议，该钢中钦的

8、仔在虽有使基奉晶粒细化的作用，却常伴有“污染”之虞，即当钦含 超过其在陔钢液态溶解度时会析出大颗粒多棱角的TiN质点，该质点在rF常的热处理条件下难以溶于奥氏体中，而成为疲劳裂纹源，其危害比氧化物火杂还严重。在冶炼时所广：生的“TiN”不变形火杂物比基体硬，影,IJJIEE精度，在使用时会形成疲劳源影响齿轮的疲劳寿 命，故属淘汰钢种。当钦含量不高时，虽液态钢不会析出TiN，却由于 在奥氏体中的固溶度很小，会在高温的固态下析出，其颗粒仍然比较粗大。南京汽车制造厂在齿轮的台架试验中就曾多次发生由于齿轮内孔边缘产生疲劳裂纹而导致齿轮失效的实例，经分析为TiN火杂物积聚所致。为此，发达国家在汽车齿轮钢

9、中早已禁止加钛；我国对无钛新型汽车齿轮钢的开发研制业已引起高度重视。主要通过两种措施减少TiN的形成机会。一是尽量降低Ti含量，并通过精炼喂Ti线：艺替代原来直接加块状合金，提高Ti收得率，把Ti成分控制在很窄范围内。二是保证连铸钢液脱氧良好，连铸过程采用全过程保护浇注，尽量避免与大气接触以减少钢液吸氮。 汽车齿轮用钢不但要有良好的强韧性、耐磨性，能很好地承受冲击、弯曲和接触应力，而还要求变形小、精度高。齿轮的生产和加工工艺，除了一般的淬火、回火热处理外，还采用渗碳淬火、氮化处理、高频淬火等多种表面硬化处 。齿轮制造对齿轮钢的技术要求主要有：(I)足够的心部淬透性和良好的深层淬透性，确保齿轮渗

10、碳淬火时渗层和心部不出现过冷奥氏体分解产物；(2)齿轮渗碳淬火后变形小，免去或减少磨削加工，降低运行噪音；(3)良好的成形性；(4)良好的F f热处理性。 钢的淬透性足指奥氏体化后的钢在淬火时获得马氏体的能力。对钢进行淬火希望获得马氏体组织，但一定尺寸和化学成分的钢什在某种介质中淬火能 获得全部马氏体组织取决于钢的淬透性。 一汽集团公司近几年来开发的9t、16t、30t系列载重卡车投放市场以来，变速箱齿轮及后桥丰、从动齿轮均出现过打齿现象。综合分析认为，齿轮的渗碳有效硬化层浅、 tt部硬度低是造成齿轮失效的主要原因。而作为20CrMnTi材料来讲，其淬透性范围比较宽，当其淬透性处于下限时，对于

11、模数大的后侨齿轮就无法保证其淬透性。公司设计部门借鉴口本等发达国家的经验，决定将此系列车型后侨齿轮、变速箱齿轮材料改为22CrMo，20CrMO，即相当于日本材料SCM822H，SCMg20H。据近年来我国齿轮钢的生产情况，其中20CrMnTi钢近期仍然是主要产品，占齿轮钢总产量的一半，新引进牌号CrMo系、MnCr系、crNiMo系、CrMnB系齿轮钢产量也逐渐上升。用于激光焊接的齿轮材料，以低碳钢和低碳合金钢为宜，含碳量一般小于03，随着我国轿车：业的发展，20CrMo成为首都钢厂、大冶钢厂等共同试验研制的新材料，其性能优于20CrMnTi，现已在齿轮行业广泛使用。表1 汽车、拖拉机齿轮常

12、用钢种及热处理技术要求 序号齿轮类型常用钢种热处理工艺工艺技术要求1汽车变速箱和差速箱齿轮20CrMnTi20CrMo等渗碳层深；Mn3时，0.61.0mm；3Mn5时，1.11.5mm齿面硬度：5864HRC心部硬度：Mn5时，3245HRC Mn5时，2945HRC40Cr碳氮共渗层深：0.2mm表面硬度：5161HRC2汽车驱动桥主动及从动圆柱齿轮20CrMnTi20CrMo渗碳渗碳层深度按图样要求，硬度要求同序号1中的渗碳工艺3汽车驱动桥差速器行星及半轴齿轮20CrMnTi20CrMo渗碳同序号1中渗碳工艺4汽车发动机凸轮轴齿轮HT180HT200170229HB5汽车曲轴正时齿轮35

13、、40、45、40Cr正火149179HB调制207241HB6汽车起动电动机齿轮15Cr，20Cr，20CrMo渗碳层深：0.71.1mm表层硬度：5863HRC心部硬度：3343HRC 在课程设计我用20CrMnTi钢作为齿轮材料 20CrMnTi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850淬 火回 火温度/淬火介质硬度HRC不同温度回火后的硬度值HRC150200300400500550600650860油424643414039353025174课程设计的内容及步骤4.1工艺过程

14、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4.2热处理工艺概述汽车齿轮通常采用低碳合金渗碳钢制造,齿轮毛坯一般需经过锻坯预先热处理切削加工渗碳淬火精加工等多道冷热加工工序,以获得较高的表面硬度和良好的心部韧性,使成品齿轮具有耐磨、耐疲劳、耐腐蚀等优良性能。目前,国内汽车齿轮锻造毛坯预先热处理主要采用正火和等温退火,并呈现采用等温退火取代正火处理的趋势,而常用的热处理工艺主要有渗碳、碳氮共渗、渗氮以及感应淬火。4.3 预先热处理工艺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第二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

15、耗少、工艺要求不高,因此应用较为广泛。随着对汽车齿轮质量要求的提高,特别是引进车型用钢材料的多样化,由于普通正火时钢的组织转变是在一定温度范围内进行,因此得到的组织不均匀;而且批量正火冷却时,锻坯往往成堆在空气中冷却或吹风冷却,其冷却速度易受其在堆中的位置及周围环境的影响, 造成同批零件的硬度波动较大 (156207HB) ,同时又会增大渗碳淬火时的变形量,而对于淬透性较高的钢,甚至会产生贝氏体组织。因此,国内逐步采用等温退火工艺进行预先热处理, 通常等温温度在560650 范围内,以保证现代化大批量生产时,齿坯在预先热处理后能获得均匀的组织和硬度(160180HB) ,这对于减少齿轮的渗碳淬

16、火变形,降低运行时的噪音具有重要意义。在国外,汽车齿轮锻坯普遍采用等温退火处理,而且对不同的材料规定了不同的等温退火工艺,如德国大众公司、奔驰公司、意大利菲亚特公司等。国外生产实践表明，经等温退火处理的齿轮不仅机加工性能大大提高,而且渗碳淬火后的变形也明显减小。当然, 采用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。由于汽车齿轮锻造的终锻温度一般在900 以上,此时工件仍处于奥氏体状态,如迅速将其均匀冷却到Ar1 以下珠光体相变区进行等温转变,可获得与常规等温退火相似的显微组织和硬度,从而大大节约能源和提高劳动生产率并改善锻坯质量。近年来,在汽车工业,利用锻造余热进行

17、等温退火已有研究和应用,但要进行大批量生产依然还存在一些技术难点。4.4汽车齿轮热处理工艺进展汽车齿轮热处理工艺的发展除了对产品质量实行更加严格的控制之外,也更加重视节能与环保,美国2020 年热处理技术发展路线图对齿轮处理也提出了这一要求。同时,在信息时代,齿轮热处理工艺会更加充分利用计算机技术,使热处理生产管理、工艺过程控制、工艺设计与质量预测分析实现高度数字化、智能化。汽车齿轮热处理工艺发展趋势,总体将朝着高品质、低能耗、环保、智能化方向发展 50 ,51 。高品质进行齿轮热处理变形与控制技术研究,开发新型汽车齿轮用钢材料及精密齿轮。主要表现在: (1) 材料的均匀性,即要求材料具有良好

18、的成分和组织的均匀性; (2) 温度场和流体场,即不断改善温度场和各种流体场,如渗碳、渗氮、碳氮共渗的气流场和淬火的液态流体场的改善。低能耗(1) 齿轮热处理先进设备的研制和发展,如开发更好的炉衬耐热和保温节能材料,尽可能降低炉壁温升,减小炉壁热损耗; (2) 开发汽车齿轮成形新工艺,如净成形技术; (3) 废热综合利用,如锻造余热的利用。环保研究开发齿轮热处理新工艺,如低压真空渗碳、双频感应淬火、离子渗氮等技术的发展。智能化智能化是齿轮热处理控制技术发展的必然趋势,计算机传感器智能库将构建成智能热处理的核心。主要表现在: (1) 根据零件的材料、技术要求等,系统自动生成工艺; (2) 生产过

19、程的完全闭环自动控制; (3) 零件热处理质量的预测、预判; (4) 系统故障自动诊断与处置; (5) 在线的自适应及应急应变能力,如开发离子渗氮、碳氮共渗所用的氮势传感器和低压渗碳的碳势传感器。4.5热处理工艺制定 正火温度：930时间：保温3个小时组织：片状珠光体+铁素体硬度：齿轮的表面硬度为156207HBW设备：中温箱式炉我选择的变速箱齿轮，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20CrMnTi。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。

20、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4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4标准系列中温箱式电阻炉技术数据型 号功率/kw电压/v相数最高工作温度/炉膛尺寸（长宽高）/mm炉温850时的指标空炉损耗功率/kw空炉升温时间/h最大装载量/kgRX(RX3-9Q)RX3-15-915380195060030025052.580RX3-30-930380395095045035072.5200正火工艺曲线如图2所示4.6渗碳渗碳剂的选择：甲醇、煤油 滴注式气体渗碳的渗碳剂一般为甲醇（形成载气），煤油、丙酮、醋酸乙

21、酯（形成富化气）等，作为渗碳剂的有机溶剂，要求其单位液体加热分解后能产生的气体体积大，碳氧比大，碳当量（产生1mol活性碳所需的有机液体的质量）小，气氛中的CO和H2的含量稳定，价格低廉、货源充足、安全性好。表4列出了几种常用作渗碳剂的几种有机溶剂的碳当量、碳氧比。表5常用的有机液体的渗碳特性名称分子式碳当量/g碳氧比用途甲醇CH3OH1稀释剂乙醇C2H5OH462渗碳剂丙酮CH3COCH3293强渗碳剂乙酸乙酯CH3COOC2H5442渗碳剂煤油航空煤油、灯用煤油主要成分：C9C14和C11C17的烷烃强渗碳剂渗碳淬火工艺过程中, 要防止齿轮变形, 要严格控制渗碳齿轮的表面碳浓度和渗层深度。

22、因它们会对渗层组织的膨胀系数产生影响, 渗碳后若表面形成不良碳化物分布, 将增加齿形、齿向及花键孔的变形,因此必须控制渗碳时的碳势,以防止表面碳浓度过高和碳量不均匀。渗碳层深度越厚,也将使畸变加大。表面含碳量影响渗碳淬火齿轮的淬透性, 而材料的淬透性对组织、性能、畸变有直接的影响。因此应使渗碳层深度及其表面含碳量控制在合理适宜的范围内。齿轮渗碳的方法较多,常用气体渗碳,目前应用电解质气相离子(ECA)催渗技术控制渗碳变形也取得较好效果。现以可控井式炉中气体渗碳为例优化工艺, 滴入煤油、苯、甲醇等渗碳剂, 加热温度从一般采用的930改为900。这些介质在高温下分解,产生活性碳原子,主要化学分解式

23、如下：2COC+CO2CH42H2+C活性碳原子溶入钢表面奥氏体中, 并向内部扩散,最后形成一定深度的渗碳层。一般渗碳层深度取决于保温时间, 可按每小时渗入0.2mm0.25mm的速度估算。渗碳时要控制渗碳的时间、活性碳的浓度,使表面的含碳量控制在0.80 %1.0 %范围内,并从表面到心部逐渐减小,心部仍保持原来低碳钢的含碳量。渗碳的温度越高,时间越长, 奥氏体晶粒越大, 齿轮的畸变越大,把加热温度控制900左右,目的是控制奥氏体晶粒长大,获得细小的奥氏体晶粒,淬火后获得细小的马氏体组织。由于渗碳只改变工件表面的含碳量, 要使渗碳齿轮表面具有高的硬度、高的耐磨性和心部良好韧性渗碳后必须进行热

24、处理。常用的是淬火后低温回火。渗碳工艺曲线如图3所示渗碳层组织 齿轮渗碳冷却后，一般认为工件渗碳层表层应有细针状或隐晶马氏体+细颗粒状弥散均匀分布的碳化物+少量残余奥氏体；工件心部应为细晶粒低碳马氏体组织，不允许有大块的铁素体存在，此时工件畸变量最小；表层与心部之间的组织为高碳马氏体+残余奥氏体。渗碳层性能 渗碳层的性能取决于表面含碳量及其分布梯度和淬火后的渗层组织，一般希望渗层碳分布梯度平缓。但由于残余奥氏体较软，塑性较高，借助微区域的塑性变形，可以弛豫局部应力，延缓裂纹的扩展，渗碳层中有25%30%的残余奥氏体，反而有利于提高接触疲劳强度。表面粒状碳化物增多，将提高表面耐磨性及接触疲劳强度

25、，碳化物数量过多，特别是呈粗大网状或条块状时，将使冲击韧度，疲劳强度等性能变坏，应加以限制。 4.7淬火钢的加热温度一般可根据Fe-Fe3C相图选择,亚共析钢淬火加热温度选择Ac3以上3050,过共析钢淬火加热温度选择Ac1以上3050。根据渗碳后齿轮的表层含碳量的分布状况及实践经验从900预冷到820左右进行油冷3可以得到好的效果。加热温度过高或保温时间过长,会引起奥氏体的晶粒粗大引起过热或晶界氧化并部分熔化的过烧现象。过热时奥氏体的晶粒粗大不仅降低齿轮力学性能, 也容易引起齿轮的变形和开裂。过烧后的工件只能报废。加热温度过低、保温时间不足会引起硬度不足。故可选择900温度渗碳,预冷8 2

26、0 左右油冷淬火。淬火冷却速度太快,奥氏体向马氏体组织转变剧烈、体积收缩,引起很大的内应力,容易造成齿轮的变形和开裂,由于20CrMnTi是合金钢,淬透性较好,故选择油冷减小冷却速度,防止淬火造成齿轮变形或开裂。同时也能获得马氏体组织,达到较高的硬度。为了使工件获得表硬内韧的性能要求，工件渗碳后必须进行适当的热处理，由于齿轮的材料是20CrMnTi钢，是本质细晶粒钢，特别是钢中含有的强碳化物形成元素Ti，强烈阻止奥氏体晶粒的长大，经过长时间渗碳后奥氏体晶粒并不明显长大，故可以用预冷直接淬火法。正常加热冷却情况下， 工件加热到860后，保温一段时间，使之奥氏体化后用油冷却至室温，得到马氏体和残余

27、奥氏体，具有较高的硬度。保温时间的确定 淬火加热时间包括升温和保温时间两段时间，升温时间包括相变重结晶时间，保温时间实际上只考虑碳化物溶解和奥氏体成分均匀化所需要的时间。 在具体的生产条件下，淬火加热时间常用经验公式计算，通过实验最终确定。常用的经验公式为： = aKD 式中：，加热时间，min；a，加热系数，min/mm；K，装炉修正系数；D，工件有效厚度，mm。4.8回火 淬火后的钢组织是马氏体及少量残余奥氏体,它们都是不稳定的组织,有向稳定组织转变的趋势,同时淬火时产生内应力。为了减小或消除淬火内应力, 稳定组织和尺寸,获得所需的力学性能,实践证明重载齿轮选择在200进行4小时低温回火3工艺较好。低温回火时马氏体中过饱和碳原子以碳化物的形式逐步析出, 马氏体晶格畸变程度减弱,内应力有所降低。此时的回火组织由马氏体和碳化物组成, 称为回火马氏体。虽然马氏体的分解使-Fe中碳的过饱和程度降低,钢的硬度相应下降,但析出的碳化物又对基体起强化作用, 部分的残余奥氏体分解为回火马氏体, 所以钢仍保持很高的硬度和耐磨性和一定的韧性。 齿轮淬火后具有较高的强度和硬度，其淬火组织主要是韧性很差的孪晶马氏体，有较大的淬火内应力和一些微裂纹，所以回火应该及时点。在180回火能使孪晶马氏体中过饱和的固溶碳原子沉淀析出弥散分布的碳化物，既可以提高钢的韧性，又保持