攀枝花学院
学生课程设计（论文）
题 目： 汽车变速箱齿轮钢的选择及
学生姓名： 学 号： 所在院(系) ： 材料工程学院 专 业： 材料科学与工程 班 级： 指 导 教 师： 职称： 副教授
2015年12月21日 攀枝花学院教务处制
攀枝花学院本科学生课程设计任务书
1 引言
齿轮钢主要应用于汽车、工程机械及机械制造业的传动部件。高质量的齿轮钢不但要有良好的强韧性、耐磨性，能很好地承受冲击、弯曲和接触应力，而且还要求变形小、精度高和噪声低。对于重载条件下的齿轮，一般选用硬齿面齿轮，齿轮钢选用低碳合金渗碳钢或碳氮共渗钢。齿轮钢品种繁多，世界各国都根据使用性能要求及本国的资源条件，建立各自的齿轮用钢系列。如在美国，大模数重型汽车变速箱齿轮中，一般为含Ni 较高的Ni-Cr-Mo 钢，如SAE4320H 、SAE4620H 钢[1]。铬系、铬钼系合金渗碳结构钢为日本汽车工业广泛使用的钢种。近年来，为了适应大模数重型汽车变速箱强韧性高的要求，又发展出SNCM220、SNCM420等Ni 含量较高的渗碳钢。在德国，著名的变速箱制造公司—ZF 公司在Cr-Mn 系渗碳钢中添加强烈提高淬透性的微量硼，创建了ZF 系列齿轮渗碳钢，如ZFA 钢，适用于大模数重型汽车变速箱齿轮。前苏联的变速箱齿轮中多使用Cr-Mn-Ti 系列、Cr-Mn-Mo 系列渗碳钢，在大模数变速箱齿轮中也多使用Ni-Mo-Cr 系列钢种，以适应重型汽车良好综合机械性能的要求[2-3]。在我国，载货汽车变速箱使用的齿轮材料，多年来主要沿用前苏联用钢系列18XTr ，如20CrMnTi 钢。这是我国50年代引进的齿轮钢种。该钢种为本质细晶粒钢，渗碳淬火工艺性能好，全国许多钢厂均能生产，价格较为便宜，市场使用量大。但化学成分波动较大，淬透性范围较宽，在齿轮加工生产过程中易出现心部硬度控制难，热处理变形规律不易掌握。
2 变速箱齿轮性能要求分析
2.1 变速箱齿轮服役条件
齿轮工作时，通过齿面的接触来传递动力，其主要承受载荷在齿轮齿顶上，齿轮的齿根部受到弯曲应力的作用，其大小在500～600MPa ，其周期性变化的应力使牙齿疲劳断裂或脆性折断；而齿面在工作中受到较大脉冲式的接触应力及摩擦力作用（接触应力是由两个齿面的相互接触而产生的）的作用，最高应力达1500～2000MPa ，而渗碳淬火硬度达到60HRC 的许用接触应力和弯曲应力分别达1600MPa 和500MPa 。在传递动力的过程中既有滚动又有滑动，加上外来硬质点的磨损，因而会造成接触疲劳麻点及深层的块状剥落。另外，在换挡过程中齿轮端部受到大的冲击力，使齿端损坏。在卡车行驶过程中，还要受到变动的载荷扭矩和冲击作用。归纳起来，总共有三种应力的作用，即弯曲应力、摩擦应力和接触应力[4]。
2.2 齿轮的失效形式
齿轮的主要失效形式为断齿、齿面磨损、疲劳断裂及齿面蚀坑等，一般表现为以下方面：
（1）断齿：在工作过程中发生的脆性断裂，大多数情况下是由弯曲疲劳造成的。而过载断裂主要是冲击载荷过大造成的；
（2）齿轮齿面磨损：齿面磨损是齿面相互摩擦的结果，是齿轮的主要失效形式，齿轮的磨损种类主要有氧化磨损、冷咬合磨损、热咬合磨损、磨粒磨损；
（3）弯曲疲劳断裂：主要从根部发生，是齿轮咬合在根部受到最大振幅的脉动或交变的弯曲应力的作用，造成齿部的断裂；
（4）齿面磨损断裂：齿轮在工作过程中，由于齿面上的接触应力超过了材料本身的疲劳极限强度，则会产生接触疲劳断裂；
（5）齿面接触疲劳破坏：在交变接触应力的作用下，齿面产生微裂纹，微裂纹的产生造成点状剥落，这也是齿轮失效的主要形式[5]。
2.3 对重载齿轮的性能要求
根据重载卡车变速箱齿轮的工作条件，应满足以下几个基本要求： （1）齿轮表面层要有足够的硬度和耐磨性，一般渗碳或碳氮共渗层深为（0.2～0.3）m （m 为齿轮的模数），有效硬化层硬度为300～450HV ，齿面硬度为56～63HRC [4]；
（2）对于承受交变载荷和冲击的齿轮，齿轮基体要有足够的弯曲强度和韧性，一般心部硬度为30～45HRC ；
（3）良好的工艺性能，易于切屑加工且热处理性能好[6]；
（4）高的原材料质量，原材料材质要纯净，断面经侵蚀后，不得有肉眼可见的空隙、气泡、裂纹、非金属杂质及白点等缺陷；
（5）齿轮钢材价格低廉、来源充足。
3 变速箱齿轮加工工艺流程
重型卡车变速箱齿轮加工工艺流程如图1：
图1 齿轮加工工艺流程图
通常制作齿轮的毛坯材料要经过锻造，以消除钢中的碳化物偏析，有利于得到合格的金相组织和性能，确保齿轮在复杂载荷条件下所需的强度和冲击韧性。
齿轮的预备热处理是指对成行的齿坯进行最常用的热处理，一般为正火或退火处理。正火或退火一般是安排在铸造或锻造之后，即精加工前进行，目的是获得良好的切削加工性、消除齿轮钢件锻造时产生的残余应力、细化晶粒和改善组织等，减小淬火时变形和开裂的倾向。
去应力退火是为了消除在锻造过程中产生的内应力。除此之外，还可以提高工件尺寸稳定性，防止工件的变形和开裂。
对齿轮进行精加工后，尺寸达到了齿轮工件的要求。还需要对其进行最终热处理。最终热处理的作用是通过渗碳、淬火、回火一系列工序使齿轮钢件基体获得所需的强度与韧性，并在保持工件心部良好韧性的同时，提高其表面的硬度、耐磨性和疲劳强度。其中，对齿轮表面进行渗氮还可以改善齿轮间抗咬合性及抗擦伤性[7]。
4 钢的选择及热加工工艺
重型汽车要适应各类复杂多变的路况，其变速箱齿轮必然受冲击频繁，其强度、耐磨性、疲劳强度、冲击韧性等机械性能指标均要求比普通汽车齿轮要高。因此重型汽车齿轮通常是采用合金渗碳钢来制造，热处理也以渗碳淬火为主[8]。
4.1 钢的选择
4.1.1 选择原则
确定齿轮用钢，主要根据齿轮的传动方式（开式或闭式）、载荷性质的大小（齿面接触应力与冲击载荷等）、传动速度和精度要求等工作条件而定。同时还要考虑，依据齿轮模数和截面尺寸提出的钢材淬透性的问题。选用钢材时，必须要注意以下两点：
（1）加工和热处理要求，其中包括钢的机械加工性能、铸造性能、锻造性能和热处理性能，其中最为重要的是考虑钢材的淬透性；
（2）使用性能要求，包括疲劳强度、热处理规范及其他性能指标。
4.1.2 选择钢种
长久以来，国内汽车齿轮钢一直沿用苏联的牌号，20CrMnTi 钢占据着汽车变速器齿轮钢使用的主导地位。不仅品牌单一，而且钢材成分波动大，淬透性带宽，夹杂物多，造成齿轮热处理变形大，寿命低。Ti 的存在虽然可以降低MnS 的有害作用，但在炼钢过程中易于与N 结合形成TiN ，在齿轮发生应变时，容易在TiN 与基体的界面处产生位错塞积，形成大的应力集中[9]。因此，本设计考虑用20CrMnMo 钢（见表1）作为重载汽车的变速箱齿轮。
表1 20CrMnMo 钢的化学成分
含量（%）
C 0.17～0.23
Si 0.17～0.37
Mn 0.90～1.20
S
P
Cr 1.10～1.40
Ni
Cu
Mo 0.02～0.03
允许残允许残余含量余含量≤0.0035 ≤0.0035
允许残允许残余含量余含量≤0.0030 ≤0.0030
为了使渗碳层充分硬化、淬火后心部硬度足够支撑表层承受的载荷，渗碳钢中除C 元素之外，加入一些能改善和提高钢的某些性能或特性的合金元素。如：铬、钼、锰等。
铬（Cr ）是最常用的一种合金元素。它能提高钢的淬透性并有二次硬化作用，当其含量超过12%时，钢可以具有良好的高温性能及高温强度。铬在渗碳结构钢
中主要作用是提高淬透性，使钢在淬火回火后具有良好的综合力学性能。在渗碳钢中，铬可以形成含铬碳化物，从而提高齿轮表面耐磨性。
钼（Mo ）在渗碳钢中能提高淬透性和热强性，防止回火脆性，增加回火抗力，同时还能在渗碳层中降低碳化物在晶界上形成连续网状的倾向，减少渗碳层中残余奥氏体，相对增加了表面层的耐磨性。
锰（Mn ）是良好的脱硫剂和脱氧剂。如果钢中含有一定量锰，形成MnS ，能消除或减弱由于硫形成FeS ，所引起的钢的热脆性，可以改善钢的热加工性能。锰和铁可以形成固溶体，强化铁素体和奥氏体，对细化晶粒也起一定作用。锰可以强烈提高钢的淬透性。由于锰的资源丰富，所以获得了广泛的应用。但是，锰有增加钢晶粒粗化的倾向，若冶炼、浇铸和锻轧时冷却不当，容易使钢产生白点
[9]
。
综合以上因素以及原料成本问题，所以本设计选择用20CrMnMo 钢作为重
型卡车变速箱的齿轮钢。
4.2 钢的热处理工艺
对于渗碳齿轮而言，通常最终的热处理工序[4]为如图2：
图2 齿轮最终热处理工序
在以上工序中，渗碳与淬火是最为关键的一步。是得到符合重载卡车变速箱齿轮所需力学性能的关键工艺。淬火使齿轮钢件基体获得所需的强度与韧性，渗碳可以使钢在保证工件心部良好韧性的同时，提高其表面的硬度、耐磨性和疲劳强度。其中，对齿轮表面进行渗氮还可以改善齿轮抗咬合性及抗擦伤性
需要注意的是，相对于低碳非合金钢件，合金渗碳钢渗碳后一般是直接淬火，这样可以有两个优点：
（1）渗碳后的预冷过程中，渗碳层中析出部分二次渗碳体，降低了渗碳层的碳浓度，可以减少淬火后的残留奥氏体数量，同时减轻淬火形变的程度[9]；
（2）因为渗碳的温度高于对20CrMnMo 钢淬火加热的温度，渗碳后直接淬火可以减小生产的能耗。不仅降低了成本，还符合国家可持续发展战略。
在进行渗碳淬火后，渗碳钢通常还要进行低温回火，以获得以回火马氏体为
主的组织，淬火内应力得到部分消除，淬火时产生的微裂纹也大部分得到愈合。因此，低温回火可以在很少降低硬度的同时使钢的韧性明显提高 [7]。使其能够满足重载卡车变速箱齿轮钢基体的力学要求。在此工艺中，要注意在应考虑钢的淬透性、变形与开裂的倾向等，在确保淬透、有效控制变形与避免开裂的条件下，来选择最佳的淬火冷却介质与淬火方式。
4.2.1 预备热处理工艺
4.2.1.1 正火温度选择
齿轮毛坯在1200℃加热后进行锻造，然后进行预备热处理。这一过程可以消除因铸造产生的缺陷，改善零件的切削加工性能，同时为后续渗碳淬火提供良好的组织，也能稳定淬火变形规律。因此渗碳淬火齿轮的加工效率、内在品质高低及最终热处理变形大小，很大程度上决定于毛坯预备热处理质量好坏[10]。对于渗碳钢，一般选用正火或回火作为预热处理工艺，常见的齿轮毛坯预热处理工艺[4]如表2所示：
表2 典型齿轮毛坯的预处理工艺
材料牌号 20Cr 20CrMo 20CrMnTi 20SiMnVb 20CrMnMo 20CrNi3 20Cr4Ni2Mo 20Cr2Ni4A 18Cr2Ni4WA
正火工艺规范
正火900～960℃空冷或风冷
硬度（HBW ） 156～179
显微组织 均匀分布的片状P+F
正火920～1000℃（常用920～970℃） 156～207 171～229
粒状或细片状P+少量F
正火880～940℃或回火650～700℃
207～209
4.2.1.2 正火冷却方式
选择正火的冷却方式为等温正火。等温正火主要是通过采用控制冷却速度的方法，在适当的时间内将奥氏体冷却到某一合适温度，然后在该温度下进行等温一段时间，使各毛坯及同一毛坯的各部位温差缩小，并在保温过程中基本达到同时向理想组织的转变（见图3）。因为奥氏体组织转变过程是在恒温下进行的，克服了普通正火过程中毛坯冷却速度不易控制以及零件截面小、装炉量大，齿坯冷却过程不匀的现象，最终获得组织均匀的正火齿坯[11]。
图3 等温正火转变原理
制定的正火工艺曲线如图4所示：
图4 齿轮正火工艺曲线
4.2.2 齿轮的渗碳淬火工艺
4.2.2.1 渗碳工艺
齿轮的渗碳淬火工艺是齿轮加工过程中关键的一个环节。齿轮最终获得高的
表面硬度、耐磨性，高的接触疲劳强度、弯曲疲劳强度要靠渗碳淬火来实现。在表面渗碳过程中应着重控制以下三点：
（1）有效硬化层深度：有效硬化层深度是国际上通用的衡量渗碳淬火深度的指标。齿轮渗碳淬火有效硬化层深度一般为齿轮模数的15～20%。
（2）表面碳浓度：表面碳浓度是影响齿轮强度性能的一个重要指标。表面含碳量大于0.9%的齿轮，表面点蚀疲劳抗力较高，而含碳量低于0.9%时，可以改善齿轮的弯曲疲劳强度和抗冲击能力。表面碳含量达到1.2%时，可以显著提高齿轮表面耐磨性。当然，表面含碳量的增加会使表面碳化物形态发生变化[11]。
（3）渗碳层金相组织：渗碳层金相组织也是影响齿轮强度及性能的关键指标。属于硬脆相的碳化物，其存在的形态和数量多少、分布形式，影响齿轮强度及韧性指标。一般以细针状马氏体为主。
在齿轮渗碳工艺中，有效硬化层深度与渗碳时间与渗碳温度有关（见表3）。
表3 在不同温度下渗碳层深度和渗碳时间的关系
渗碳剂选用气体渗碳剂，包括煤油与甲醇，工艺曲线如5所示： 4.2.2.2 淬火介质、淬火冷却规范对齿轮变形的影响
淬火介质的质量、使用温度对变形有较大影响。淬火介质的质量影响零件淬火的稳定性，合理的介质使用温度能减小热应力，从而达到减小变形的目的。介质搅拌方式、介质搅拌速度同样影响零件变形，在满足零件淬火性能的前提下，采用温和的搅拌方式、较低的搅拌速度、较高的油温是减小零件变形的合理措施，以达到稳定零件变形的目的[12]。
ⅠⅡ‒强渗阶段，用强碳势，使用煤油120～180滴； Ⅲ‒扩散阶段，碳势降到与表面相同，使用煤油40～50滴； Ⅳ‒降温预冷阶段，使温度降到淬火温度，使用煤油20～30滴。 Ⅴ‒淬火阶段
图5 20CrMnMo 钢的渗碳工艺曲线
4.2.3 齿轮低温回火工艺
经以上热处理工序处理过的齿轮钢件再经过最后一步的低温回火后获得以回火马氏体为主的组织，淬火内应力得到部分消除，淬火时产生的微裂纹也大部分得到愈合。因此，低温回火可以在很少降低硬度的同时使钢的韧性明显提高。最终回火的温度为200℃。
4.3 热处理工艺曲线
综上所诉，对于重载卡车使用的20CrMnMo 钢的热处理工艺曲线如图6所示：
温度/℃
图6 20CrMnMo 钢的热处理工艺曲线
5 结语
一直以来，国内外用作汽车齿轮使用的工程结构钢牌号种类繁多。根据我国现在的实际情况，应该找到一种更具有高性能、低成本的重载卡车齿轮钢。20CrMnMo 钢作为国外汽车长期使用的汽车齿轮钢，经过适当的热处理工艺后基本上能满足重载卡车变速箱齿轮服役条件的要求。
参 考 文 献
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