工件材料热处理综合实验方案

汽车变速箱齿轮固体渗碳工艺设计的实验方案 (2)
1 变速箱齿轮的材料选择 (2)
1.1 汽车变速齿轮的服役条件 (2)
1.2 汽车变速齿轮常见的失效形式 (2)
1.3 汽车变速齿轮的性能要求 (2)
1.4 汽车变速齿轮的材料的选择 (3)
2 渗碳工艺的确定 (4)
2.2 渗碳温度 (4)
2.3 渗碳保温时间 (5)
2.4 渗碳过程 (5)
2.5 渗碳后的淬火、回火处理 (6)
3 渗碳热处理后的检测 (6)
汽车变速箱齿轮固体渗碳工艺设计的实验方案
1 变速箱齿轮的材料选择
1.1 汽车变速齿轮的服役条件
齿轮是机械工业中应用最广泛的重要零件之一。

其主要作用是传递动力,改变运动速度和方向。

其服役条件如下:
1）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；
2）在运转过程中的过载产生振动，承受一定的冲击力或过载;
3）变速齿轮在换档时，端部受冲击，承受一定冲击力;
4）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。

1.2 汽车变速齿轮常见的失效形式
根据其服役条件，常见的失效形式为：
1）疲劳断裂：齿轮在交变应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时，就造成断裂失效；
2）表面损伤
a 点蚀：是闭式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，在齿轮运转时粘结而后又被撕裂，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。

另外，齿轮除上述失效形式外，还有在换档时，齿端相互撞击，而造成的齿端磨损，或因换档过猛或过载造成断裂以及齿面塑性变形，崩角等失效形式。

1.3 汽车变速齿轮的性能要求
根据变速齿轮服役条件及失效形式，对齿轮的性能作如下要求：
1 ) 有较高的弯曲疲劳强度；
2 ) 表面有高的硬度和耐磨性；
3 ) 具有高接触疲劳抗力；
4 ) 足够的塑性和韧性；
5 ) 高的淬透性；
6）齿面硬度HRC 56~62。

1.4 汽车变速齿轮的材料的选择
汽车变速齿轮属于重载荷齿轮，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，如20Cr、20CrMnTi选用热处理为：渗碳。

2.4.1 汽车变速齿轮备选材料分析
对于20Cr
1)成分
钢种C％Si％Mn％Cr％P％S％20Cr 0.17～0.24 0.20～0.40 0.50～0.80 0.70～1.00 ≤0.040≤0.040
临界点：Ac1＝760℃Ac3＝830℃
2) 性能特点
20Cr 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。

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

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

对于20CrMnTi钢
1）成分
钢种C％Si％Mn％Cr％Ti％S、P％20CrMnTi 0.17～0.24 0.20～0.40 0.80～1.10 1.10～1.30 0.06～0.12 ≤0.040
临界点：Ac1＝750℃Ac3＝835℃
2）主要性能
20CrMnTi 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，钢在加热时过热敏感性小,渗碳速度快,过渡层均匀,渗碳后可以降温直接淬火,淬火变形小。

钢的渗碳工艺性较好，晶粒长大倾向小，热处理工艺简单。

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。

由以上分析可得：汽车变速箱齿轮从服役条件、失效形式、性能综合考虑，故选用20CrMnTi 作为汽车变速齿轮的材料。

其含碳量及合金元素的作用如下：C＝0.17～0.24 是为了保证心部得到低碳马氏体，具有足够的强韧性；
Cr、Mn、Si 的作用：增加钢的淬透性；
Ti 的作用：细化晶粒，防止渗碳温度下奥氏体晶粒粗化，以便实现渗碳预冷直淬工艺，同时还可形成合金碳化物渗层耐磨性。

试验设备为固体渗碳炉、回火炉等。

2 渗碳工艺的确定
2.1 齿轮的生产工艺流程:
锻造-正火-粗制齿-渗碳-半精制齿-淬回火-精制齿。

正火工艺曲线
2.2 渗碳温度
渗碳温度对渗碳过程及结果有如下几方面的影响:
1) 影响渗碳速度,提高温度可显著加速扩散过程,加速渗碳速度,缩短渗碳时间;
2) 影响渗碳层的碳浓度,表层含碳量并非越高越好,一般控制在0. 8% ~1. 1%之间比较理想;
3) 温度过高,容易引起钢的晶粒长大,降低韧性,零件翘曲变形的可能性增加;
4) 如果采用渗碳后直接淬火工艺,渗碳温度的升高容易导致渗层中残余奥氏体量增加及渗碳温度冷到淬火温度的时间相应延长;综合考虑了以上各种影响后,多数选择900~950℃渗碳,以920~930℃用得最多。

临界温度和渗碳淬火温度
钢种Ac1/℃Ac3/℃Ar3/℃Ar1/℃Ms/℃渗碳/℃淬火/℃
20CrMnTi 740 825 775 680 374 920~940 830~870 2.3 渗碳保温时间
渗碳温度与保温时间对渗碳层深度的影响
渗碳层深(mm)
保温时间
（h）
880 900 920 940 960 980 渗碳温度
（℃）
0.4 3.5 3.0 2.75 2.5 2.0 1.5
0.8 6.5 6.0 5.0 4.5 4.0 1.5
1.2 9.0 8.0 6.5 5.5 5.0 4.0
1.6 1
2.0 10.0 8.0 7.0 6.0 5.0
2.0 14.5 12.0 9.5 8.5 7.0 6.0
根据上表及渗碳温度（920~940℃）,取渗碳层深0.8mm，得保温时间为5小时。

保温5小时
后开始炉冷,炉冷至860℃后出炉随箱空冷。

2.4 渗碳过程
1）渗碳前的准备工作
将齿轮清理干净,用120#汽油清洗油污并擦净,有氧化皮的用细砂布打去。

作为渗碳剂的
木炭要打碎成约40 mm×40 mm的小块,粉末筛去。

钢板焊接渗碳筒,焊好的箱体内部清洁氧
化皮,密封好,在渗碳箱一端端板上部的两侧,距侧边和顶边各150 mm处多钻一个<12 mm的
孔以便放、取试样。

2）渗碳箱不宜过大，其外形尺寸应尽可能适合工件的要求，箱子与炉底板架空，使受热均匀。

零件装箱时，在渗碳箱底部先铺上一层渗碳剂(厚30—40mm)，随后即往箱内放工件，
工件间距须保持10—15mm，工件和箱壁的距离则为20—25mm。

装好一层工件后，铺上
一层渗碳剂并细心捣实，然后放上第二层工件，上下两层工件之间渗碳剂厚度为
15—25mm.。

在装工件的同时，应装上试棒，试棒放置位置应尽可能的反映工件的实际渗
碳情况。

在箱内放入最后一层工件后，上面放的渗碳剂厚度不得小于30—40mm。

装箱好后，用耐火粘土(加上3—5%)食盐加水调好进行封盖，以防止在渗碳过程中渗碳气的逸出。

2.5 渗碳后的淬火、回火处理
淬火回火工艺曲线
渗碳淬火后进行低温回火，再进行200 ℃±10 ℃的低温回火，120 ～150 min 后出炉在空气中冷却。

3 渗碳热处理后的检测
(1) 金相组织
(2) 表面硬度
(3) 渗碳层深
(4) 心部硬度
(5) 抗拉强度。