汽车变速箱齿轮的选材及热处理工艺
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内容提要:本文以汽车变速箱齿轮为例，详细论述了其材料选择的具体思路及其热处理工艺的制定、分析和工序的安排，论证了汽车变速箱齿轮材料的选择及热处理工艺对产品的质量和使用寿命的影响。关键词:变速箱齿轮材料热处理工艺分析在汽车制造过程中，除了一些
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件外，其他零部件都涉及材料的选择及热处理工艺的制定、分析和工序的安排。合理选择零件的材料及正确安排零件的热处理工艺将直接关系到产品的质量和使用寿命。本文以汽车变速箱齿轮为例，论述了其选材及热处理工艺的制定过程与思路，与大家探讨。一、变速箱齿轮的材料选择:1、选材的原则:零件材料的选择应根据零件的使用性能要求及加工工艺性能、经济成本要求进行选择:1)、使用性能要求:使用性能是指零件在正常使用状态下，材料应具备的性能，是保证零件工作安全可靠、经久耐用的必要条件。零件在选材时，首先要根据零件的工作条件和失效形式，正确判断所要求的使用性能，再根据主要的使用性能指标来选择合适的材料。变速箱齿轮位于汽车传动部分，用于传递扭矩与动力、调整速度的作用。其工作条件、失效形式及要求的力学性能如下
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:零件名称工作条件常见失效形式要求的力学性能变速箱齿轮A、由于传递扭矩，齿根要承受较大的弯曲应力和交变应力;B、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;C、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。A、当齿轮所受弯曲应力过大时，可能发生齿根折断;B、轮齿在交变应力的作用下，长时间工作可能发生疲劳断裂;C、齿面在强磨擦作用下可能发生磨损和点蚀现象。D、齿轮心部韧性过低时，在冲击作用下可能发生断裂。A、表面高硬度、高耐磨性:齿面硬度58-64HRC，心部硬度30-45HRC;B、齿面高的接触疲劳强度;C、齿根高的弯曲强度(σb>1000Mpa);D、心部较高强度、高韧性(ak>60J/cm2)。通过对变速箱齿轮的工作条件、失效形式的全面分析，并根据零件的几何尺寸、使用寿命要求，就能确定出零件应具有的主要力学性能指标。2)、加工工艺性能要求:变速箱齿轮常用的加工工艺路线为:下料?锻造?正火?粗、半精切削加工?渗碳?淬火、低温回火?喷丸处理?加工花键?磨端面?磨齿?最终检验根据以上工艺要求，变速箱齿轮的工艺性能要求如下:加工工艺类别目的性能要求材料要求锻造制成毛坯一定的高温塑性金相组织为固溶体的合金正火消除锻造应力，细化晶粒零件形状简单，尺寸较小。切削加工加工成半成品既有较高的强度、硬度，又有一定的塑性、韧性中、低碳的结构钢渗碳增加表面C%C%<0。25%的低碳合金钢淬火提高表面硬度和耐磨性提高淬透性，控制与减少变形、开裂倾向添加一定的合金元素如:Cr、Mn、Ti的合金结构钢等3)、选材时还应充分考虑经济性:在保证使用性能的前提下，应尽可能选用价格低、货源足、加工方便、总成本低的材料。2、材料的选择:根据以上使用性能和加工工艺、加工成本的综合要求，可基本确定为低C%合金结构钢:即我们常用的合金渗碳钢。从目前我国汽车制造厂常用的金属材料来看，汽车变速箱齿轮多采用20CrMnTi。二、热处理工序位置及热处理工艺选择:热处理是机械制造过程中的重要工序。变速箱齿轮的热处理工序位置及热处理工艺选择、安排是否得当，对于零件的质量及切削加工性能起着至关重要的作用。根据热处理的目的及工序位置不同，热处理分为预备热处理和最终热处理。1.预备热处理的工序位置及热处理工艺选择:为消除经过锻造的变速箱齿轮毛坯的内应力、细化晶粒、均匀组织，并改善切削加工性能，为淬火作好组织准备，一般在锻造之后、切削加工之前，可采用退火或正火作为预备热处理。由于变速箱齿轮尺寸较小，且厚度较均匀，在正火、退火均可使用的前提下，为提高工作效率，宜选用正火作为预备热处理。2.最终热处理的工序位置:最终热处理包括各种淬火、回火、表面热处理等。零件最终热处理之后，即可获得所需的力学性能:因零件硬度较高，除磨削加工之外不宜进行其他形式的切削加工，故最终热处理均安排在半精加工之后，磨削加工之前。3.最终热处理工艺方法选择:根据变速箱齿轮的工作条件及失效形式，对变速箱齿轮的技术条件要求如下:齿轮根部σb>1000Mpa，ak>60J/cm2;齿面硬度58~64HRC，心部硬度30~42HRC。根据以上技术条件，变速箱齿轮材料:20CrMnTi采用的最终热处理工艺为:先渗碳，使表面碳含量增加，心部仍维持低的含碳量，保持心部较高的强度和冲击韧性;渗碳之后进行淬火和低温回火，使轮齿表面硬度达到高硬度要求，心部仍维持较低的硬度。三、热处理工艺特性对齿轮质量和寿命的影响:正确分析和理解热处理性能指标，对保证零件的质量，满足使用性能的要求，延长零件的使用寿命，具有重大意义。主要的热处理工艺性能指标及要求如下:1、淬透性:淬透性的波动范围直接影响到齿轮的产品质量。淬透性过低，则制成的齿轮渗碳淬火后，心部硬度低于技术条件规定的数值，疲劳试验时，齿轮的疲劳寿命降低;若淬透性过高，则齿轮渗碳淬火后，内孔收缩量过大而影响齿轮装配。由于淬透性对轮齿心部的硬度和畸变有重大影响，GB5216-85规定:用于制造齿轮的20CrMnTi的淬透性指标为:距水冷端9咖处的硬度为30~42HRC。2、变形开裂倾向:齿轮在淬火时因加热或冷却速度太快，加热或冷却不均匀都可能造成工件变形甚至开裂。因此，设计齿轮时，在结构上应尽量避免尖角或厚薄断面的突然变化;淬火时，尽量选择冷却速度较慢的专用淬火油进行淬火。通过以上手段来减少变形开裂倾向。3、淬硬性:淬硬性指钢在正常淬火条件下，以超过临界冷却速度所形成的马氏体组织能够达到的最高硬度。淬硬性主要取决于钢中的含碳量。含碳量越高，淬火后硬度越高。变速箱齿轮通过渗碳使齿轮表面达到高含碳量，淬火后使齿轮表面达到:齿面硬度58~64HRC，才能满足齿轮表面高硬度、高耐磨的特性，保证齿轮齿面有足够的使用寿命，不发生齿面点蚀和磨损。影响热处理性能的因素还有钢的回火稳定性、过热敏感性、回火脆性和尺寸稳定性等，只有正确处理以上各种因素对热处理的影响，才能保证变速箱齿轮的正常使用，进一步提高变速箱齿轮的质量和寿命。
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