汽车变速箱齿轮课程设计

J I A N G S U U N I V E R S I T Y

金属材料综合课程设计------汽车变速箱齿轮热处理工艺设计

1.零件图

图1 变速箱齿轮示意图

2. 零件的服役条件、性能要求及技术指标

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。是主要零件。其服役条件如下：

⑴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；

⑵高速齿轮在运转过程中的过载产生振动，承受一定的冲击力或过载；

⑶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。

因此，齿轮的表面有高的硬度和耐磨性，高接触疲劳强度，有较高的齿根抗弯强度，高的心部抗冲击能力。

高速高载齿轮技术要求如下：

齿表硬度：50～56 HRC

渗碳层深度为： 1.0～1.2 mm

3. 材料选择

高速、高载、承受较大冲击载荷的齿轮，一般采用低碳合金渗碳钢或碳氮共渗钢，工作时表面承受很大的接触疲劳应力和摩擦力的作用，高速转动承受一定的冲击力或过载。

3.1材料比较及选择

齿轮常用材料有20CrMnTi,20CrMo,20Cr,40Cr

1)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<30mm的承受高速、中等或重载荷、冲击及摩擦的重要零件，如齿轮、齿圈、齿轮轴十字头等。是18CrMnTi 的代用钢，广泛用作渗碳零件，在汽车.拖拉机工业用于截面在30mm 以下，承受高速.中或重负荷以及受冲击.摩擦的重要渗碳零件，如齿轮.轴.齿圈.齿轮轴.滑动轴承的主轴.十字头.爪形离合器.蜗杆等。

2)20CrMo

淬透性较高，无回火脆性，焊接性相当好，形成冷裂的倾向很小，可切削性及冷应变塑性良好。一般在调质或渗碳淬火状态下使用，用于制造在非腐蚀性介质及工作温度低于 250℃、含有氮氢混合物的介质中工作的高压管及各种紧固件、较高级的渗碳零件，如齿轮、轴等。

3)20Cr

有较高的强度及淬透性，在油中临界淬透直径达4 ～22mm，在水中临界淬透直径达11～40mm，但韧性较差，此钢渗碳时仍有晶粒长大倾向，降温直接淬火对冲击韧性影响较大，所以渗碳后需二次淬火以提高零件心部韧性，无回火脆性；钢的冷应变塑性高，可在冷状态下拉丝；可切削性在高温正火或调质状态下良好，但退火后较差；20Cr为珠光体，焊接性较好，焊后一般不需热处理，但厚度大于15mm 的零件在焊前需预热到100～150℃，焊后也可不进行回火热处理。

4) 40Cr

中碳调质钢，冷镦模具钢。该钢价格适中，加工容易，经适当的热处理以后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性。正火可促进组织球化，改进硬度小于160HBS毛坯的切削性能。在温度550~570℃进行回火，

该钢具有最佳的综合力学性能。这种钢经调质后用于制造承受中等负荷及中等速度工作的机械零件；经淬火及中温回火后用于制造承受高负荷、冲击及中等速度工作的零件；经淬火及低温回火后用于制造承受重负荷、低冲击及具有耐磨性、截面上实体厚度在25mm以下的零件；经调质并高频表面淬火后用于制造具有高的表面硬度及耐磨性而无很大冲击的零件。此外，这种钢又适于制造进行碳氮共渗处理的各种传动零件。

通过使用性能，工艺性能及经济性的比较选用20CrMnTi钢，由于钢中含有Cr能够提高淬透性，Cr还是碳化物形成元素，提高回火稳定性；Mn能增加钢的强度和硬度，还有脱硫的功效，也能提高钢的淬透性；Ti是强碳化物形成元素，在钢中生成MC型碳化物，对提高钢的耐磨性和细化晶粒有一定的好处。20CrMnTi钢采用渗碳+淬火+低温回火，齿轮表面可以获得55~63HRC的高硬度，因淬透性较高，齿心部具有较高的强度和韧性。因而选用20CrMnTi钢。

20CrMnTi的含碳量为0.20％属于低碳钢,渗碳时保证了碳元素的正常渗入。淬火热处理后心部获得低碳马氏体, 以

保证心部具有足够的塑性和韧性,抵抗冲击载荷。钢中合金元素为Cr<1.5％、Mn<1.5％、Ti<1.5％。Cr、Mn合金元素能提高钢铁索体的强度,同时提高钢的淬透性。Ti元素能阻止钢的奥氏体晶粒的长大, 提高钢的回火稳定性。20CrMnTi齿轮根据使用性能要求表面耐磨,心部又要求有良好的强韧性,所以要对20CrMnTi钢进行表

面渗碳处理,渗碳淬火后表面得到高碳马氏体, 具有较高的硬度和耐磨性。

3.2 材料成分及合金元素的作用

20CrMnTi钢的具体化学成分及含量参照表1。

表1 20CrMnTi钢的化学成分及含量（质量百分数）

化学元素作用

⑴ C：保证形成碳化物所需要的碳和保证淬火马氏体能够获得的硬度，

⑵ Cr：能够提高钢的淬透性并有二次硬化作用，还是碳化物形成元素，提高回火稳定性，增加钢的耐磨性。

⑶ Mn：主要作用是提高钢的淬透性，增加钢的强度和硬度，有脱氧及脱硫的功效（形成MnS），防止热脆。还可以改善渗碳层，有利于渗碳层增厚，增加奥氏体冷却时的过冷度，细化珠光体组织以改善机械性能。

⑷ Ti：是强碳化物形成元素，在钢中生成MC型碳化物，对提高钢的耐磨性和细化晶粒有一定的好处。

⑸ Si：硅能阻止碳化物形核长大，使“C”曲线右移，提高钢的淬透性，还能提高钢的抗回火性，提高对钢的综合机械性能。

⑹ S：S是钢中的杂质元素，能明显降低钢的热塑性，但是S能改善钢的可切削性能。

⑺ P：P是钢中的有害杂质元素，能降低钢的强度和韧性。

⑻ Ni：降低相变驱动力，使“C”曲线右移，Cr-Ni符合效果更好，提高钢的淬透性。

⑼Cu：铜元素比较稳定，不易被氧化，所以含有的铜元素能起到

耐腐蚀作用。

3.3 材料的相变点

表2 20CrMnTi相变临界点

4. 加工路线及工艺

工艺路线：