汽车齿轮热处理工艺

汽车、拖拉机的变速箱齿轮多半用低碳渗碳钢制造,而机床变速箱多半用中碳(合金)

2011-4-10 21:07

提问者：991495331|浏览次数：289次

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2011-4-11 11:10

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合金渗碳钢

1. 用途主要用于制造汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机上的凸轮轴、活塞销等机器零件。这类零件在工作中遭受强烈的摩擦磨损，同时又承受较大的交变载荷，特别是冲击载荷。

2. 性能要求

(1) 表面渗碳层硬度高，以保证优异的耐磨性和接触疲劳抗力，同时具有适当的塑性和韧性。

(2) 心部具有高的韧性和足够高的强度。心部韧性不足时，在冲击载荷或过载作用下容易断裂；强度不足时，则较脆的渗碳层易碎裂、剥落。

(3) 有良好的热处理工艺性能在高的渗碳温度（900℃～950℃）下，奥氏体晶粒不易长大，并有良好的淬透性。

3. 成分特点

(1) 低碳：碳含量一般为0.10%～0.25%，使零件心部有足够的塑性和韧性。

(2) 加入提高淬透性的合金元素：常加入Cr、Ni、Mn、B等。

(3) 加入阻碍奥氏体晶粒长大的元素：主要加入少量强碳化物形成元素Ti、V、W、Mo等，形成稳定的合金碳化物。

4.钢种及牌号

20Cr低淬透性合金渗碳钢。这类钢的淬透性低，心部强度较低。

20CrMnTi中淬透性合金渗碳钢。这类钢淬透性较高、过热敏感性较小，渗碳过渡层比较均匀，具有良好的机械性能和工艺性能。

18Cr2Ni4WA和20Cr2Ni4A高淬透性合金渗碳钢。这类钢含有较多的Cr、Ni 等元素，淬透性很高，且具有很好的韧性和低温冲击韧性。

5. 热处理和组织性能

合金渗碳钢的热处理工艺一般都是渗碳后直接淬火，再低温回火。热处理后，表面渗碳层的组织为合金渗碳体+回火马氏体+少量残余奥氏体组织，硬度为

60HRC～62HRC。心部组织与钢的淬透性及零件截面尺寸有关，完全淬透时为低碳回火马氏体，硬度为40HRC～48HRC；多数情况下是屈氏体、回火马氏体和少量铁素体，硬度为25HRC～40HRC。心部韧性一般都高于700KJ/m2。

1 汽车齿轮热处理工艺概述

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 ] 。

1. 1 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(156～207HB) ,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[ 5 ] 。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560～650 ℃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(160～180HB) ,这对于减少齿轮的渗碳淬火变形,降低运行时的噪音具有重要意义[ 6 ] 。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[ 7 ]，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[ 8 ] 。

3 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。

2.2 渗碳工艺

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。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[5]。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[6]。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℃[3]。这些介质在高温下

分解,产生活性碳原子,主要化学分解式如下：

2CO→[C]+CO2

CH4→2H2+[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0.2mm～0.25mm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[4],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处理。常用的是淬火后低温回火。

3 淬火低温回火

3.1 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30℃～50℃,过共析钢淬火加热温度选择Ac1以上30℃～50℃。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 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。

3.2 低温回火

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α-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。