1.6　汽车齿轮的热处理工艺与规范

（1）汽车齿轮的工作条件和性能要求

汽车齿轮的种类较多，其中汽车减速器行星齿轮和半轴齿轮，在服役过程中，其承担着改变速度、输出扭矩、驱动车辆行驶等作用，因此齿轮在工作时，轮齿承受着很大的弯曲应力和接触应力，周期性作用于每一个齿上，同时承受重复交变应力的作用。另外，齿轮在传递扭矩或相对滚动过程中，会发生相对的滑动而产生摩擦作用。汽车、拖拉机齿轮的工作条件与一般的机械齿轮、机床齿轮相比，其服役环境差，对于耐磨性、疲劳强度、心部强度和冲击韧性等方面要求比机床齿轮高，因此，在材料的选用上，多推荐低合金渗碳钢，例如20CrMnTi、20Cr、20Mn2B、18CrMnTi、12Cr2Ni4A、20Cr2Ni4A等，图1-104为汽车变速箱齿轮的形状。

汽车齿轮在多种应力的作用下，其失效或损坏的形式有齿根损坏（包括疲劳断裂和冲击折断）和齿面疲劳损坏（齿面的剥落、硬化层的剥落以及过度磨损和咬合），因此要求齿轮具有以下性能：①高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度；②齿面有高的硬度以及良好的耐磨性；③齿轮心部具有足够的强度和韧性；④提高精度以及低的传动噪声。

（2）汽车齿轮的机械加工工艺流程

目前齿轮的毛坯锻造已经广泛推广了精锻制造技术，其精锻工艺流程为：棒料切料→中频加热→热精锻→去飞边→余热退火→抛丸处理→切削加工→渗碳或碳氮共渗、淬火、回火→磨削加工。选用的材料为20CrMnTiH，其中余热退火是指将毛坯件冷却到600～700℃，保温一段时间后空冷，以获得珠光体+铁素体的组织，基体硬度在156～221HBW。

（3）汽车齿轮的热处理工艺

①技术要求、渗碳　（或共渗）层深1.0～1.3mm，碳化物为1～5级，马氏体、残余奥氏体为1～5级，齿轮表面与心部的硬度分别为58～63HRC和30～40HRC。

②齿轮的热处理工艺　齿轮的渗碳或碳氮共渗、淬火和回火是在密封的气体渗碳多用炉上进行，采用上述流程发现部分齿轮的淬火组织为粗大的马氏体，残余奥氏体较多，甚至出现个别马氏体组织超级缺陷，直接影响到其使用寿命。资料介绍，出现该缺陷的原因在于余热退火组织不良，导致马氏体组织粗大超级等，因此应进行再加热淬火，其目的是通过再加热调节那些影响晶粒度、残余奥氏体和碳化物等材料强度的主要因素，使齿轮获得良好的力学性能。该工艺比渗碳后降温直接淬火更能细化组织，改善心部和渗层组织。

汽车齿轮的热处理工艺与一般机床齿轮、机械齿轮的工艺相似，通常齿轮渗碳的热处理和工艺流程为：

在60～70℃清洗剂中除油→920℃渗碳、扩散→900℃预冷→缓冷至600℃以下→在850℃的保护性气氛中加热并保温120min→淬火→60～70℃的清洗剂中除油→在180～200℃回火炉内保温120min→进行30min的抛丸清理→成品检验。

而进行碳氮共渗的齿轮则是在共渗结束后直接进行淬火冷却，随后采用低温回火的热处理工艺［（180～220）℃×（2～3）h］，其热处理技术要求同渗碳工艺。

根据齿轮渗碳或碳氮共渗后一般不进行直接淬火，在生产过程中一般有以下几种冷却方式。

a.空冷　多用于气体或盐浴渗碳（或碳氮共渗），应降温出炉，增加冷却速度，减少脱碳倾向。

b.冷却井或坑中冷却　为四周盘有蛇形管通水冷却的带盖容器，向其中通入保护气或加入煤油。

c.在700℃等温盐浴中保温后空冷　多用于盐浴渗碳或碳氮共渗，可减少齿面的脱碳。

d.在罐内冷却　多用于固体渗碳。

e.在缓冷坑中冷却或油冷　对于20CrMnMo、20CrNi3钢采用此冷却方式。

采用气体渗碳的工艺参数温度为920～940℃。对于要求渗碳层浅的齿轮，渗层为0.35～0.65mm时，工艺温度为870～890℃；一般渗层为0.65～0.85mm时，工艺温度为890～910℃；当渗层为0.8～1.0mm时，工艺温度为910～930℃。不同温度下渗层深度与渗碳时间的关系见表1-81。

典型齿轮的渗碳工艺曲线见图1-105。

（4）汽车齿轮的热处理技术分析与实施要点

①首先应该明确高应力作用下的汽车齿轮选材与热处理工艺的关系，应当指出，对不同服役条件下的齿轮而言，应对材料和热处理后的性能进行具体的分析，在材料确定的前提下，选择最佳的热处理工艺，具体见表1-82。

一般而言，汽车用齿轮采用渗碳淬火强化，但淬火后带来极大变形，而感应淬火则克服了该缺点，而氮化齿轮在变形上，则具有更明显的优势。三者的材料是有一定区别的，应具体分析，淬火和回火后的齿轮表面淬硬层为中碳回火马氏体，齿面具有高的硬度、高的耐磨性、高的疲劳强度和良好的韧性等，可确保使用过程中能够承受较大的弯曲应力和冲击力的作用。可以看出汽车齿轮的服役条件大多为第一种类型，即选用低合金钢或低碳钢进行渗碳或碳氮共渗处理，以满足其工作需要。

②汽车齿轮的淬火处理有利于提高残余压应力，正确的磨削工艺并不改变残余应力的分布，但过多的摩擦热会导致次表层产生高的压应力。磨削热容易造成表面发热和冷却液的急冷而引入了新的应力，到热量过高时，造成表面过回火，使回火马氏体进一步分解，比容减小，导致表面产生拉伸残余应力，直接影响到齿轮的使用寿命，因此执行合理的磨削工艺是至关重要的。

③渗碳齿轮热处理后出现磨削开裂的原因有很多，应进行正确分析，一方面同磨削工艺不当或磨料不良、渗碳层过厚、有网状碳化物、残余奥氏体过多等有关，多半与齿轮的热处理工艺和选材不当有关，同时还与冶金、冷加工和热加工等有一定的关系。磨削裂纹的特征呈网络状、放射状和分散条状等，与磨削方向垂直，横向剖开后的裂纹分布于表层中并逐渐消失。因此应严格执行渗碳工艺和热处理技术要求，同时确保磨削参数的合理和规范。

④齿轮余热退火后获得的金相组织为片状珠光体、块状铁素体，部分晶粒局部粗大，因此其转变产物如马氏体、残余奥氏体以及非马氏体组织也将粗化。而采用渗碳后再加热淬火则可以通过再加热调节影响晶粒度、残余奥氏体和碳化物等材料强度的主要因素，与渗碳后降温直接淬火相比，细化了晶粒，改善了心部和渗层组织，故齿轮获得良好的力学性能。

⑤汽车齿轮进行气体渗碳的质量很大程度上需要热处理设备来保证，其炉内温度和碳势的进度、炉内温度和气氛的均匀性、淬火油搅拌和循环等，对渗碳和热处理后的质量有重要影响，因此应综合以上几个方面重点考虑，确保满足其要求。如有条件可尝试新的齿轮热处理工艺：直升式渗碳技术、齿轮锻坯等温退火工艺、齿轮渗碳预氧化处理工艺、低压（真空）渗碳技术、催渗渗碳技术以及齿轮淬火控制冷却技术等，这样既可保障齿轮的热处理质量，又可提高其服役寿命，将产生良好的经济效益和社会效益。

（5）汽车齿轮的热处理质量检验

对于渗碳或碳氮共渗齿轮，其质量的检验是依据其技术要求来确定的，具体如下。

①渗碳层深度1.0～1.3mm，采用金相法检查，利用显微镜检查。

②碳化物级别为1～5级，马氏体、残余奥氏体级别为1～5级，检查方法同上，应参考标准级别图来判断。

③齿轮表面与心部的硬度分别为58～63HRC和30～40HRC，采用洛式硬度计检测。

（6）汽车齿轮的热处理缺陷分析与对策

齿轮的化学热处理过程中，出现产品质量达不到技术要求的指标，其原因是多方面的。应当指出，齿轮的热处理方法有渗碳淬火、碳氮共渗淬火、感应加热淬火以及整体加热淬火，在其淬火冷却过程中，各种原因均有可能造成缺陷的产生。为此应进行具体的分析与讨论，一般汽车齿轮热处理缺陷以及产生的原因见表1-83。