1.6　汽車齒輪的熱處理工藝與規范

（1）汽車齒輪的工作條件和性能要求

汽車齒輪的種類較多，其中汽車減速器行星齒輪和半軸齒輪，在服役過程中，其承擔著改變速度、輸出扭矩、驅動車輛行駛等作用，因此齒輪在工作時，輪齒承受著很大的彎曲應力和接觸應力，周期性作用于每一個齒上，同時承受重復交變應力的作用。另外，齒輪在傳遞扭矩或相對滾動過程中，會發生相對的滑動而產生摩擦作用。汽車、拖拉機齒輪的工作條件與一般的機械齒輪、機床齒輪相比，其服役環境差，對于耐磨性、疲勞強度、心部強度和沖擊韌性等方面要求比機床齒輪高，因此，在材料的選用上，多推薦低合金滲碳鋼，例如20CrMnTi、20Cr、20Mn2B、18CrMnTi、12Cr2Ni4A、20Cr2Ni4A等，圖1-104為汽車變速箱齒輪的形狀。

汽車齒輪在多種應力的作用下，其失效或損壞的形式有齒根損壞（包括疲勞斷裂和沖擊折斷）和齒面疲勞損壞（齒面的剝落、硬化層的剝落以及過度磨損和咬合），因此要求齒輪具有以下性能：①高的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度；②齒面有高的硬度以及良好的耐磨性；③齒輪心部具有足夠的強度和韌性；④提高精度以及低的傳動噪聲。

（2）汽車齒輪的機械加工工藝流程

目前齒輪的毛坯鍛造已經廣泛推廣了精鍛制造技術，其精鍛工藝流程為：棒料切料→中頻加熱→熱精鍛→去飛邊→余熱退火→拋丸處理→切削加工→滲碳或碳氮共滲、淬火、回火→磨削加工。選用的材料為20CrMnTiH，其中余熱退火是指將毛坯件冷卻到600～700℃，保溫一段時間后空冷，以獲得珠光體+鐵素體的組織，基體硬度在156～221HBW。

（3）汽車齒輪的熱處理工藝

①技術要求、滲碳　（或共滲）層深1.0～1.3mm，碳化物為1～5級，馬氏體、殘余奧氏體為1～5級，齒輪表面與心部的硬度分別為58～63HRC和30～40HRC。

②齒輪的熱處理工藝　齒輪的滲碳或碳氮共滲、淬火和回火是在密封的氣體滲碳多用爐上進行，采用上述流程發現部分齒輪的淬火組織為粗大的馬氏體，殘余奧氏體較多，甚至出現個別馬氏體組織超級缺陷，直接影響到其使用壽命。資料介紹，出現該缺陷的原因在于余熱退火組織不良，導致馬氏體組織粗大超級等，因此應進行再加熱淬火，其目的是通過再加熱調節那些影響晶粒度、殘余奧氏體和碳化物等材料強度的主要因素，使齒輪獲得良好的力學性能。該工藝比滲碳后降溫直接淬火更能細化組織，改善心部和滲層組織。

汽車齒輪的熱處理工藝與一般機床齒輪、機械齒輪的工藝相似，通常齒輪滲碳的熱處理和工藝流程為：

在60～70℃清洗劑中除油→920℃滲碳、擴散→900℃預冷→緩冷至600℃以下→在850℃的保護性氣氛中加熱并保溫120min→淬火→60～70℃的清洗劑中除油→在180～200℃回火爐內保溫120min→進行30min的拋丸清理→成品檢驗。

而進行碳氮共滲的齒輪則是在共滲結束后直接進行淬火冷卻，隨后采用低溫回火的熱處理工藝［（180～220）℃×（2～3）h］，其熱處理技術要求同滲碳工藝。

根據齒輪滲碳或碳氮共滲后一般不進行直接淬火，在生產過程中一般有以下幾種冷卻方式。

a.空冷　多用于氣體或鹽浴滲碳（或碳氮共滲），應降溫出爐，增加冷卻速度，減少脫碳傾向。

b.冷卻井或坑中冷卻　為四周盤有蛇形管通水冷卻的帶蓋容器，向其中通入保護氣或加入煤油。

c.在700℃等溫鹽浴中保溫后空冷　多用于鹽浴滲碳或碳氮共滲，可減少齒面的脫碳。

d.在罐內冷卻　多用于固體滲碳。

e.在緩冷坑中冷卻或油冷　對于20CrMnMo、20CrNi3鋼采用此冷卻方式。

采用氣體滲碳的工藝參數溫度為920～940℃。對于要求滲碳層淺的齒輪，滲層為0.35～0.65mm時，工藝溫度為870～890℃；一般滲層為0.65～0.85mm時，工藝溫度為890～910℃；當滲層為0.8～1.0mm時，工藝溫度為910～930℃。不同溫度下滲層深度與滲碳時間的關系見表1-81。

典型齒輪的滲碳工藝曲線見圖1-105。

（4）汽車齒輪的熱處理技術分析與實施要點

①首先應該明確高應力作用下的汽車齒輪選材與熱處理工藝的關系，應當指出，對不同服役條件下的齒輪而言，應對材料和熱處理后的性能進行具體的分析，在材料確定的前提下，選擇最佳的熱處理工藝，具體見表1-82。

一般而言，汽車用齒輪采用滲碳淬火強化，但淬火后帶來極大變形，而感應淬火則克服了該缺點，而氮化齒輪在變形上，則具有更明顯的優勢。三者的材料是有一定區別的，應具體分析，淬火和回火后的齒輪表面淬硬層為中碳回火馬氏體，齒面具有高的硬度、高的耐磨性、高的疲勞強度和良好的韌性等，可確保使用過程中能夠承受較大的彎曲應力和沖擊力的作用。可以看出汽車齒輪的服役條件大多為第一種類型，即選用低合金鋼或低碳鋼進行滲碳或碳氮共滲處理，以滿足其工作需要。

②汽車齒輪的淬火處理有利于提高殘余壓應力，正確的磨削工藝并不改變殘余應力的分布，但過多的摩擦熱會導致次表層產生高的壓應力。磨削熱容易造成表面發熱和冷卻液的急冷而引入了新的應力，到熱量過高時，造成表面過回火，使回火馬氏體進一步分解，比容減小，導致表面產生拉伸殘余應力，直接影響到齒輪的使用壽命，因此執行合理的磨削工藝是至關重要的。

③滲碳齒輪熱處理后出現磨削開裂的原因有很多，應進行正確分析，一方面同磨削工藝不當或磨料不良、滲碳層過厚、有網狀碳化物、殘余奧氏體過多等有關，多半與齒輪的熱處理工藝和選材不當有關，同時還與冶金、冷加工和熱加工等有一定的關系。磨削裂紋的特征呈網絡狀、放射狀和分散條狀等，與磨削方向垂直，橫向剖開后的裂紋分布于表層中并逐漸消失。因此應嚴格執行滲碳工藝和熱處理技術要求，同時確保磨削參數的合理和規范。

④齒輪余熱退火后獲得的金相組織為片狀珠光體、塊狀鐵素體，部分晶粒局部粗大，因此其轉變產物如馬氏體、殘余奧氏體以及非馬氏體組織也將粗化。而采用滲碳后再加熱淬火則可以通過再加熱調節影響晶粒度、殘余奧氏體和碳化物等材料強度的主要因素，與滲碳后降溫直接淬火相比，細化了晶粒，改善了心部和滲層組織，故齒輪獲得良好的力學性能。

⑤汽車齒輪進行氣體滲碳的質量很大程度上需要熱處理設備來保證，其爐內溫度和碳勢的進度、爐內溫度和氣氛的均勻性、淬火油攪拌和循環等，對滲碳和熱處理后的質量有重要影響，因此應綜合以上幾個方面重點考慮，確保滿足其要求。如有條件可嘗試新的齒輪熱處理工藝：直升式滲碳技術、齒輪鍛坯等溫退火工藝、齒輪滲碳預氧化處理工藝、低壓（真空）滲碳技術、催滲滲碳技術以及齒輪淬火控制冷卻技術等，這樣既可保障齒輪的熱處理質量，又可提高其服役壽命，將產生良好的經濟效益和社會效益。

（5）汽車齒輪的熱處理質量檢驗

對于滲碳或碳氮共滲齒輪，其質量的檢驗是依據其技術要求來確定的，具體如下。

①滲碳層深度1.0～1.3mm，采用金相法檢查，利用顯微鏡檢查。

②碳化物級別為1～5級，馬氏體、殘余奧氏體級別為1～5級，檢查方法同上，應參考標準級別圖來判斷。

③齒輪表面與心部的硬度分別為58～63HRC和30～40HRC，采用洛式硬度計檢測。

（6）汽車齒輪的熱處理缺陷分析與對策

齒輪的化學熱處理過程中，出現產品質量達不到技術要求的指標，其原因是多方面的。應當指出，齒輪的熱處理方法有滲碳淬火、碳氮共滲淬火、感應加熱淬火以及整體加熱淬火，在其淬火冷卻過程中，各種原因均有可能造成缺陷的產生。為此應進行具體的分析與討論，一般汽車齒輪熱處理缺陷以及產生的原因見表1-83。