《齿轮选材及热处理加工工艺报告》
汽车齿轮选材及热处理加工工艺。
前言：齿轮是传动系统中的重要部件，在传动系统中起着传递动力及改变速度和方向的作用。由于齿轮的工作条件一般来讲比较复杂，在工作过程中要求既要具有优良的耐磨性又要具备高的抵抗接触疲劳和抗弯曲疲劳性能，所以齿轮在选材及热处理工艺上要求比较严格。
齿轮质量在很大程度上取决于齿轮材料及其热处理工艺，热处理是齿轮质量控制过程中的一个关键工序，齿轮的许多重要特性都要通过热处理来实现，因此热处理的质量直接影响齿轮的使用寿命。
关键词：断裂热处理感应淬火渗碳碳氮共渗淬透性渗碳钢硬度韧度耐磨性。
一． 齿轮失效的主要形式及分析：
1. 齿轮折断：短期过载或者严重超载，或者由于沿接触线有严重的载荷集中现象，这些都能使齿轮发生折断，其断面呈现粗晶粒组织，经常发生在高硬度的钢制齿轮或者铸铁齿轮身上。
另外，当齿轮的根部危险截面处的交变应力超过材料的疲劳极限的时候，也会发生轮齿断裂的现象。而且，设计不当，装配不合理，热处理过程使齿轮的接触不好，也会引发相似的问题。（下图左显示齿轮折断的情况）
2. 齿轮轮齿磨损：一般定义为轮齿接触表面材料的损耗。
一般灰尘，脏物进入啮合区，在滑动速度的作用下，齿面会出现严重的磨损，齿厚磨损过多会造成折断，尤其是在低速，重载荷，高温，供油不足，表面粗糙的情况下，更易发生磨损现象。另外，由于过载或者超速运行，齿轮会由于摩擦而引起局部温度过高，这样会使轮齿烧伤，加速表面的疲劳失效。（下图右显示齿轮磨损的情况）
二．针对齿轮失效的形式及其产生的原因分析可得：影响齿轮失效和齿轮疲劳强度的因素主要有心部硬度、有效层深、渗层和心部的金相组织、表面硬度和表层残余应力分布，因此选用低碳合金钢作为齿轮材料最为理想。一般齿轮的性能要求有以下几点：
高的弯曲疲劳强度，防止轮齿疲劳断裂；足够高的齿心强度和韧性，防止轮齿过载断裂；足够高的齿面接触疲劳强度和高的硬度及耐磨性，防止齿面损伤；较好的工艺性能，如切削加工性好，热处理变形小，有一定的淬透性。下面以汽车齿轮为例，具体地分析，在前期齿轮选材及其后期热处理加工工艺方面，应当注意的问题，以期达到更好的加工效果。
1. 选材：国内根据gb/t 5216标准，汽车较高质量的齿轮用钢一般包括20cr,20mnmobh,20mnmovbh,20crmnmoh,22crmoh钢。
下面是不同的齿轮用钢的具体成分组成，如下所示；
不同牌号的钢材有不同性能，以下**为一汽及东风集团生产汽车齿轮用钢的相关信息：
国外如日本根据jis g4052-1979标准，齿轮用钢牌号一般有以几种：scr415h,scm822h，scm822h,snc415h。
不同工作要求的齿轮选材也不尽相同，如低速载重齿轮（大型轧钢机减速器齿轮，机座齿轮，大型锥齿轮）要求传递功率大，载荷高，因此必须采用耐冲击，淬透性高的材料，如20crnimo,17cr2ni2mo,20cr2mn2mo钢等才能够满足要求；再如高速运转的齿轮（燃气轮机，高速鼓风机，工业汽轮机）要求具备高的安全可靠性，运行速度高，因此必须选用12crni3,20crnih3等材料才能够满足要求，如下表所示，具体地列出在不同的使用条件下，渗氮齿轮钢材的选择，以便达到预定的工艺要求，如下：
另外，不同部位的齿轮设计要求及工艺要求也有很大的差异，下表列出汽车不同部位的齿轮常用钢材：
2. 热处理工艺：
汽车齿轮的加工工艺如下：
下料→锻造→正火→机加工→渗碳。淬火→低温回火→喷丸→磨加工→成品。
齿轮制造毛坯一般均经正火处理，目的是调整钢件的显微组织和硬度，改善其切削加工性能，并为渗碳淬火作好组织准备，以减少淬火变形。正火时，钢的组织转变是在连续冷却过程中即一定的温度范围内进行的，所得到的组织不均匀，而且批量正火时，锻坯往往成堆在空气中冷却或吹风冷却，其冷却速度易受其在堆中的位置及周围环境的影响，造成同批零件的硬度波动较大，同时又会增大渗碳淬火时的变形量m1。当材料中的c、mn、mo、cr等元素含量较高时，正火后的金相组织常有粒状贝氏体组织出现，使得零件正火后的硬度高，造成一批不良品。
为了降低硬度，常采用高温回火，这样虽然保证了锻件硬度，但因组织中的贝氏体不能完全消除，且贝氏体组织回火转变产物的弥散度较高，零件切削性能不好，达到产品需要的硬度而需进行二次加热回火，明显加大了热处理的工艺成本，保温时间长、能耗高。下面就加工工艺中的渗碳和碳氮共渗环节进行分析：
1）齿轮要求优良的耐磨性又要具备高的抵抗接触疲劳和抗弯曲疲劳性能，表面还要有足够高的硬度，而渗碳使零件获得高的表面硬度、耐磨性及高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度。 所以渗碳为汽车齿轮齿形钢件表面强化的必要手段。主要的手段是气体渗碳工艺，可以控制渗碳层层深和表面硬度，而且还可控制表面含碳量、组织中的碳化物及残留奥氏体的形态分夼、以及表面硬度梯度等，从而可以得到最佳的渗碳层质量和最小的变形，提高了产品的质量。
目前国际最先进的工艺是使用高压气淬的真空与等离子渗碳工艺，从而使汽车齿轮加工行业获得了很大的成功。以下是高压气淬的真空，等离子渗碳工艺与传统的气体渗碳工艺的差别：
真空渗碳一般用于形状简单的零件，而离子渗碳用于有需要渗碳的内孔或盲孔的形状复杂的零件。低压渗碳最引人注目的一项主要优点是使用无氧介质使得渗碳的零件不会发生内氧化。
一般来讲，汽车齿轮渗碳层深度为（0.2-0.3）m,其中m为齿轮的模数，单位为mm。下面具体介绍渗碳及碳氮共渗齿轮的相关信息：
齿轮用钢在渗碳或者碳氮共渗后冷却方式的选择：一般可以选择直接空冷，多用于气体渗碳后采用，此种方法简单易行，但齿轮表面会形成一定的贫碳层，影响齿轮的使用性能，可以在适当降温后出炉并单独摆开，增快冷却，减少脱碳；另外，在冷却井中冷却也是常用的方法之一，冷却井为四周盘有蛇形管道通水冷却的带盖容器，齿轮自井式渗碳炉中移出冷却，向其中通入保护气或滴入煤油保护齿面，这种冷却方式比较完善。
齿轮在渗碳过程中常见的缺陷及其处理方法：（1）毛坯硬度偏高：因为在正火的温度偏低或者保温的时间不足使得组织中残留少量的硬度较高的魏氏组织，正火温度超过钢材晶粒显著长大的温度，因此在加工的过程中应该合理的检查控温仪表，校准温度，控制正火冷却速度；另外，渗层不均也是经常出现的问题，原因是炉内的温度不均，炉气循环不佳，渗碳时在齿面结焦等等，可以在齿轮料盘上加上导流罩，严格的控制渗碳剂中的不饱和碳氢化合物的含量。
齿轮模数与渗氮层深度的关系如下：
渗氮齿轮的制造工艺路线：（1）一般精度要求的齿轮：锻造→调质（正火）→滚齿→剃齿→渗氮；（2）精度要求高的齿轮：
锻造→正火或退火→粗车→调质→半精滚齿→去应力处理→精滚齿→剃齿→渗氮；
齿轮在渗氮过程后常见的缺陷，产生的原因及处理的方法：心部硬度偏低，是因为预备热处理时淬火的温度偏低，出现游离的铁素体，调质回火的温度偏高，也有可能是调质淬火的冷却速度不够，可以充分的保温，调质回火温度不宜超过渗氮温度过多；表面的脆性高，产生剥落，因为表面的含氮量过高，预备热处理的时候存在过热现象，可以通过后期采取退氮的方法，细化原始晶粒，或者在预备热处理的时候保护加热。
结语：齿轮选材与热处理加工工艺是一个大课题，为了能够在现实的生产过程中达到更好的性能要求，应当从齿轮的加工，如正火，调质，淬火，渗氮处理，喷丸等工艺上去花心思，只有这样才能是加工出来的齿轮满足要求。
参考文献：1.金荣植主编《齿轮热处理与实用技术500问》
2.宋涛顾军主编《热处理技术》
3.王忠诚齐宝森主编《典型零件热处理工艺》
4. 刘云旭主编《cr-mn合金渗碳钢锻件正火处理后的显微组织和性能》
5.郑建军主编《显微组织对20crni2mo钢机械性能的影响》
6.朱培瑜主编《常见零件热处理变形和控制》
7.李华泉主编《热处理实用技术》
8.沈庆同主编《感应热处理问答》
9. 郑明新主编《工程材料》
10.陈善述主编《汽车渗碳齿轮的疲劳强度与工艺最佳选择》
11.沈莲主编《机械工程材料》
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