20CrMnTi汽车变速箱齿轮的热处理工艺

20CrMnTi汽车变速箱齿轮的热处理工艺

一、学习目标

知识目标：

·熟悉感应加热表面淬火原理、特点及应用；

·了解火焰表面淬火原理、特点及应用；

·了解化学热处理过程；

·掌握渗碳、渗氮和碳氮共渗原理、特点、常用方法及应用。

能力目标：

·能根据零件的化学成分、性能要求和技术条件，合理选择表面淬火和化学热处理方法。

二、任务引入

变速箱齿轮位于汽车传动部分，用于传递扭矩与动力、调整速度。由于传递扭矩，齿根要承受较大的弯曲应力和交变应力；由于变速箱齿轮转速变化范围广，齿轮表面承受较大的接触应力，并在高速下承受强烈的磨擦力；由于工作时不断换档，轮齿之间经常要承受换档造成的冲击与碰撞。这就要求齿轮表面有高硬度和高耐磨性；齿面有高的接触疲劳强度；心部有较高的强度和高韧性。

图2-25所示20CrMnTi汽车变速箱齿轮的热处理技术要求如下：

1.渗碳层表面含碳量为0.80~1.05％；

2.渗碳层深度为0.80~1.3mm；

3.淬火回火后齿面硬度为58~62HRC，心部硬度为33~48HRC。

图2-25 汽车变速箱齿轮简图

三、相关知识

在机械设备中，有许多零件（如齿轮、曲轴、活塞销等）是在冲击载荷及表面摩擦条件下工作的，这类零件表面需具有高硬度和高耐磨性，而心部需要足够的塑性和韧性。为满足这类零件的性能要求，须进行表面热处理。常用的表面热处理方法有表面淬火及化学热处理两种。

（一）钢的表面淬火

表面淬火是通过快速加热，使钢件表层奥氏体化，然后迅速冷却，使表层形成一定深度的淬硬组织——马氏体，而心部仍保持原来塑性、韧度较好的组织的热处理工艺。在钢的表面淬火法中，感应加热淬火应用最广。

1.感应加热表面淬火

感应加热表面淬火时，将工件放在铜管制成的感应器内，即图2-26所示装置中，感应器中通入一定频率的交流电，以产生交变磁场，于是工件内部就会产生频率相同、方向相反的感应电流（涡流）。由于涡流的趋肤效应，使涡流在工件截面上的分布是不均匀的，表面电流密度大，心部电流密度小。感应器中的电流频率越高，涡流越集中于工件表面。由于工件表面涡流产生的热量，使工件表面迅速加热到淬火温度（心部温度仍接近室温），随即喷水快速冷却（合金钢浸油冷却），从而达到了表面淬火的目的。

图2-26 感应加热淬火示意图

1-感应加热圈；2-进水；3-出水；4-淬火喷水套；5、7-水；6-加热淬硬层；8-间隙（1.5~3mm）；9-工件感应加热淬火表面淬硬层的厚度取决于交流电的频率，一般频率高加热深度浅，淬硬层深度也就浅。频率f与加热深度δ的关系采用下面近似经验公式表示：

δ（20℃冷态）

=

/

20

f

δ（800℃热态）

=

/

f

500

式中：f的单位是Hz；δ的单位是mm。

为了得到不同的淬硬层深度，可采用不同频率的电流进行加热，电流频率与淬硬层深度的关系见表2-3。

表2-3 感应加热淬火的频率选择

淬硬层深度

应用举例加热方法频率范围

／mm

高频感应加热200~300kHz 1~2 在摩擦条件下工作的零件，如小齿轮、小轴等

承受扭矩、压力载荷的零件,如曲轴、大齿轮、中频感应加热1~10kHz 2~10

主轴等

工频感应加热50Hz 10~15 承受扭矩、压力载荷的大型零件，如冷轧辊等

2.火焰加热表面淬火

应用氧－乙炔或氧－煤气的混合气体燃烧的火焰对零件表面进行快速加热并随之快速冷却的工艺称为火焰加热表面淬火。如图2-27所示。

火焰表面淬火的淬硬层深度一般为2~6mm。这种方法的特点是：加热温度及淬硬层深度不易控制，淬火质量不稳定，常造成表层过热，甚至局部熔化。但不需要特殊设备，故适用于单件或小批量生产。

图2-27火焰淬火示意图

1-喷水管；2-淬硬层；3-工件；4-烧嘴

（二）钢的化学热处理

将工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种化学元素的原子渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺，叫做化学热处理。常用的化学热处理有渗碳、渗氮、碳氮共渗和渗金属等。

1.渗碳

渗碳是指将工件置于渗碳介质中加热保温，使碳原子渗入表层的化学热处理工艺。渗碳适用于承受冲击载荷和强烈摩擦的低碳钢或低碳合金钢工件，如汽车和拖拉机的齿轮、凸轮、活塞销等零件。其目的是在保持零件心部高韧性的条件下，得到具有高硬度的表面层，以提高零件的耐磨性和疲劳强度。渗碳层深度一般为0.5~2.0mm，含碳量从表面到心部逐渐减少，表面w c=0.8%~1.1%，心部仍保持原来低碳钢的含碳量。渗碳后必需经淬火和回火处理后，才能达到表面高硬度、心部高韧性的要求。

根据渗碳剂不同，渗碳可分为气体渗碳、固体渗碳及盐浴渗碳三种，目前常用的是前两种，应用最广泛的是气体渗碳。

（1）气体渗碳

气体渗碳是将工件置于密封的加热炉(如井式渗碳炉)中,通入渗碳气体（如煤气、天然气等）或滴入易于分解和气化的液体（如煤油、丙酮、甲醇等），并加热到渗碳温度（900℃~950℃），使工件在高温渗碳气氛中进行渗碳的一种热处理工艺方法，图2-28为气体渗碳示意图。

图2-28 气体渗碳示意图

1-风扇电动机；2-废气火焰；3-炉盖；4-电阻丝；5-耐热罐；6-工件；7-炉体

气体渗碳过程中渗碳剂在高温下分解，产生活性碳原子，其反应式如下：

2CO→〔C〕+ CO2

CH4→2H2 +〔C〕

CO+H2→H2O+〔C〕

随后活性碳原子被工件表面吸收而溶于高温奥氏体中，并向内部扩散形成一定深度的渗碳层。

气体渗碳的渗碳层质量好，渗碳过程容易控制，生产率高，劳动条件较好，易于实现机械化和自动化。但设备成本较高，维护调试要求较高，因此不适宜单件和小批量生产。

（2）固体渗碳

固体渗碳是将工件置于四周填满固体渗碳剂的密封箱中，然后放入加热炉内，加热到900℃~950℃，保温一定时间后出炉空冷的热处理工艺（图2-29）。

固体渗碳剂主要由供碳剂(木炭)和催渗剂(碳酸盐如碳酸钡)组成。其活性碳原子是依靠木炭的不完全燃烧所产生的一氧化碳在工件表面分解获得的。因此，固体渗碳实际也是在气体中进行的，故渗碳的基本原理和过程与气体渗碳相似。

图2-29 固体渗碳装置

1-泥封；2-盖；3-试棒；4-零件；5-渗碳剂；6-渗碳箱

2.渗氮

渗氮又称氮化，将工件置于含氮介质中加热至500℃~560℃时，介质中分解出的活性氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。其目的是将氮原子渗入工件表面，形成以氮化物为主的渗氮层（渗氮层深度一般为0.6 ~0.7mm），以提高工件表层的硬度、耐磨、耐蚀和耐疲劳