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钢齿轮的热处理工艺设计论文
20CrMo钢齿轮的热处理工艺设计
【摘要】齿轮是机械设备中的关键零件，齿轮质量的优劣直接关系到整个设备的使用寿命。
而齿轮质量的好坏在很大程度上取决于齿轮材料及其热处理工艺。
因此，国内外与齿轮制造相关的厂家都极为重视齿轮材料及其热处理技术的研究开发，并先后开发一系列新型齿轮材料及先进的热处理工艺。
20CrMo钢是制造齿轮的主要材料，于是研究一套以20CrMo为原料的齿轮热处理工艺便是研究任务的重中之重。
【关键词】齿轮齿轮钢发展热处理特性缺陷工艺
1概述
1.1齿轮的材料选择
齿轮是现代机械中应用最广泛的一种机械传动零件，合理地选择和使用金属材料尤为重要。
大致上讲，应主要满足齿轮材料所需的机械性能、工艺性能和经济性要求三个方面：
1.1.1满足齿轮材料的机械性能
材料的机械性能包括强度、硬度、塑性及韧性等，反映材料在使用过程中所表现出来的特性。
齿轮在啮合时齿面接触处有接触应力，齿根部有最大弯曲应力，可能产生齿面或齿体强度失效。
齿面各点都有相对滑动，会产生磨损。
齿轮主要的失效形式有齿面点蚀、齿面胶合、齿面塑性变形和轮齿折断等。
因此要求齿轮材料有高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，齿面要有足够的硬度和耐磨性，芯部要有一定的强度和韧性。
1.1.2满足齿轮材料的工艺性能
材料的工艺性能是指材料本身能够适应各种加工工艺要求的能力。
齿轮的制造要经过锻造、切削加工和热处理等几种加工，因此选材时要对材料的工艺性能加以注意。
一般来说，碳钢的锻造、切削加工等工艺性能较好，其机械性能可以满足一般工作条件的要求。
但强度不够高，淬透性较差。
而合金钢淬透性好、强度高，但锻造、切削加工性能较差。
我们可以通过改变工艺规程、热处理方法等途经来改善材料的工艺性能。
1.1.3满足齿轮材料的经济性要求
所谓经济性是指最小的耗费取得最大的经济效益。
在满足使用性能的前提下，选用齿轮材料还应注意尽量降低零件的总成本。
我们可以从以下几方面考虑：
从材料本身价格来考虑。
碳钢和铸铁的价格是比较低廉的，因此在满足零件机械性能的前提下选用碳钢和铸铁，不仅具有较好的加工工艺性能，而且可降低成本。
从金属资源和供应情况来看，应尽可能减少材料的进口量及价格昂贵材料的使用量。
从齿轮生产过程的耗费来考虑：
采用不同的热处理方法相对加工费用也不一样；通过改进热处理工艺也可以降低成本；所选钢种应尽量少而集中，以便采购和管理；我们还可以通过改进工艺来提高经济效益。
1.2齿轮钢
齿轮是汽车制造业中的关键零部件之一。
汽车齿轮用钢应具有高强度、耐疲劳、耐磨损和良好的尺寸精度。
齿轮钢的强度特性包括轮齿的弯曲强度、齿面强度、冲击强度和耐磨性能等。
高质量齿轮钢要求淬透性带宽度窄、纯净度高、晶粒细小均匀和较高的抗弯曲冲击力。
窄淬透性带宽度的齿轮钢热处理后的弯曲变形量小从而齿轮的修磨量小、啮合精度高。
冶炼时化学成分的控制是保证窄淬透性带的关键。
钢中的氧含量是影响齿轮疲劳寿命的重要因素，在冶炼过程中应采取降低氧含量的工艺技术。
在生产和加工过程中应控制晶粒度，防止出现混晶，从而稳定齿轮性能。
然而车辆经常换挡，使齿轮端部受到多次撞击，加之车辆使用时因路况、环境、车速等的不同，齿轮有时在过载和强烈冲击条件下工作，使齿轮出现多种不同的失效形式。
因而车辆齿轮在要求的尺寸表面精度、正常的承载和良好的润滑条件下，影响其失效的主要因素除了制造齿轮所用材料的化学成分和冶金质量之外，还与齿轮热处理缺陷有关。
据此可以加强齿轮材料热处理技术的研发和应用，从而在车辆行业等方面逐步实现强韧性、轻量化、高效化的目标。
齿轮钢使用覆盖面较广，除轿车、货车、农用车和摩托车等车辆齿轮制造使用外，工程机械齿轮使用量也较大。
目前我国齿轮钢的年需求量在5O万t以上，从国内市场供需情况看，国产齿轮钢在数量上基本能满足国内汽车及工程机械齿轮的需求。
我国汽车用齿轮钢的钢种及系列是与汽车产品技术引进分不开的。
如引进德系品牌的桑塔纳、奥迪、捷达轿车技术时，齿轮钢也同时采用了大众企标的Mn—Cr系列齿轮钢。
在引进日系汽车品牌的同时，其相关的零部件用材也基本采用了JIS标准和对应牌号。
1.3国内外汽车齿轮钢的发展现状
我国汽车用齿轮钢的钢种及系列是与汽车产品技术引进分不开的。
如引进德系品牌的桑塔纳、奥迪、捷达轿车技术时，齿轮钢也同时采用了大众企标的
Mn—Cr系列齿轮钢，在引进日系汽车品牌的同时，其相关的零部件用材也基本采用了JIS标准和对应牌号。
当前国内齿轮钢的主体钢种仍是20CrMnTiH。
配合国内汽车工业引进而试制的新产品有Cr系、Cr—Mo系、Ca—Mn系、Ca一Mn一B系、Cr一Ni—Mo系、Cr—Mn—Ni系等20多个钢种。
其产量基本能满足国产化的要求并对齿轮钢的结构调整起了先导作用。
引进钢号的新产品试制也基本上是按国外企业标准订货而后组织生产，与老产品相比，标准要求高得多，主要表现在以下方面：
a．淬透性，奥迪、桑塔纳、切诺基、捷达轿车及153中型载货车用齿轮钢要求单点控制，带宽≤7HRC；标致、富康轿车及斯太尔重型车要求全带（多点）控制，带宽≤4—7HRC。
b．纯净度，氧含量≤0.02,B系夹杂《2级。
c．S及Al含量，硫含量处于0.0150％—0.035％之间或0.025％—0.040％之间；铝含量处于0.015％—0.040％之间。
国外汽车齿轮钢是在通用的渗碳结构钢基础上开发的，有Cr系、Cr—Mn系、Cr—Mn—B系、Cr—Mo系、Cr—Ni—Mo系、Q—Mn—Ni系多种系列。
在德国渗碳钢标准Dl72l0中合金钢有8个钢号，有Cr系、Cr—Mn系、Cr—Mo系、Q—Ni—Mo系。
其中用得最多的是Q钢和Cr—Mn钢。
我国从德国引进的奥迪、桑塔纳和捷达轿车用的齿轮钢为Cr钢和Q—Mn钢。
它们除符合DIN17210标准的一般要求外，还要符合德国大众公司的标准要求。
德国大众公司用的齿轮钢有如下特点：
a．根据齿轮的工况和尺寸大小选择不同的钢号，例如奥迪轿车变速箱的主动齿轮、从动齿轮就分别选用上述标准中的4221、4l29和4l25钢号。
b．钢材的淬透性范围窄。
一般为8—7HRc。
而且要求同一批投料要在4HRC以内。
主要是为了控制齿轮热处理后的变形。
这比DIN17210中规定的要严得多，也比国内齿轮钢的淬透性带窄得多。
c．含硫量控制在0．02O％—0．035％。
这是为了改善钢材的切削性能，而不像国内标准那样仅规定上限，如S≤O.035％，这意味着越低越好。
d．含硅量要求严，Si（％）≤O．12。
这是为了改善渗碳层组织和性能比DIN17210（0．15％—0．35％）和国内规定（O，l7％—0．37％）都要严格。
e．通过控制钢中含铝量（0．02％—0．055％）来控制钢材晶粒度。
国产20Mn是通过加钛来细化晶粒，但加工易形成TiN夹杂物丽降低齿轮的接触疲劳寿命。
用铝控制晶粒度可以避免这种缺点。
f．对钢的纯净度有较高的要求。
这是为了提高齿轮的疲劳寿命。
采用K法来评定钢中夹杂物。
为了保证钢的纯净度，要控制钢中含氧量，通常要求小于0.000015。
日本工业标准JISG4052保证淬透性的结构钢中含碳量低的Mn钢、Cr钢、
Cr—Mo钢、Cr—Ni钢和Cr—Ni—Mo钢都可作渗碳齿轮钢使用，但是用得最普通的还是Cr钢（SCr420H）和Cr—Mo钢（SCM420H）。
这些钢号在成分范厨、性能要求及纯净度方面比我国的合金结构钢标准的同类钢号都有更为严格的要求。
1.4汽车齿轮钢的质量要求
汽车齿轮材科与其他许多工程材料一样，要求经济耐用、工艺性能和使用性能良好。
除了强度、韧性等共性要求，齿轮材料还有其特性要求。
在长期的生产实践中总结出最基本的三项要求是特定的淬透性及窄的淬透性带宽，高的纯净度和细的晶粒度。
1.4.1淬透性
根据齿轮的工况条件和有效截面来选择与之相匹配的淬透性的材料，不仅对满足使用性能是重要的，而且对于减小热处理变形也是十分必要的。
淬透性和淬透性带宽的控制，主要决定于化学成分和化学成分的均匀性。
淬透性确定后，淬透性带宽的大小很大程度上影响热处理变形。
为此近年来齿轮行业对钢厂提出了越来越严的要求。
但是，为了减少热处理变形，齿轮制造厂本身也加强了内部技术管理，针对不同有效截面的齿轮进行了合理选择。
例如，选择不同的合金系列或者同一合金系列改变碳含量来保证不同有效截面齿轮对淬透性微量的不同要求。
国外对常用_的代表性钢种都建立以碳为核心的系列，例如美国的“86'’系列，从8615开始到8630，仅仅改变碳含量就分成7个钢号。
德国的锰铬系列就有16MnCr5、20MnCr5、25MnCr5、27MnCr5等。
法国有l6CD4、20CD4、25CD4、28CD4等。
相比之下，我国年用量达数十万吨的20CrMnTi，却没有自己的系列，这是值得研究和完善的。
1.4.2纯净度
钢的纯净度要求，主要是指氧化物夹杂含量的降低及除s以外其他有害元素的降低（齿轮钢中有时需保持一定的硫含量以改善切削性）。
氧化物夹杂对齿轮的疲劳性能，特别是接触疲劳有显著的危害作用。
氧化物夹杂总量的高低，直接决定于氧含量的高低。
降低钢中氧含量的主要方法是真空处理。
此外．为了提高纯净度，减少有害夹杂物，不用H作为齿轮钢的合金元素也是很重要的。
因为过量的在钢中易形成颗粒大、带棱角的TIN，是疲劳裂纹的发源地。
这是Cr—Mn—Ti这一类钢疲劳寿命不高的主要原因。
因此，工业发达国家标准中都没有含的齿轮钢，如原西德莱希钢厂的内控标准中明确规定不得大于0．01％，足见Ti的夹杂物对疲劳性能的危害已经引起各国的高度重视。
1.4.3晶粒度
晶粒尺寸大小是齿轮钢的又一项重要指标，因为粗粒的晶粒使渗层碳浓度相对增高导致脆性增加，使弯曲强度下降，齿面容易剥落。
如果出现混晶，有可能使齿牙之间的热处理变形失去规则而无法配对。
晶粒细化主要通过舔加一定量的细化晶粒元素如Al、Nb等来达到。
另外通过生产厂、用户厂、科研单位联手也是可以解决的。
由于上面提到的原因，在要求疲劳性能的钢中，是不宜用来细化晶粒的。
因此，晶粒细化主要靠适量的Al来保证。
以细化晶粒的钢，从冶金方面保证既定的成分，只是细晶的基础，实际产品的晶粒能否细化还要取决于炼钢后的锻、轧热处理工艺是否顺应AIN的溶解一析出规律。
因此在研究生产中出现的粗晶或混晶问题时，不仅要看钢中Al量和与之相匹配的N量是否合适，同时也要看相应的工艺是否合理。
2热处理工艺
2.1齿轮钢常用热处理工艺
1．表面淬火 常用于中碳钢和中碳合金钢，如45、40Cr钢等。
表面淬火后，齿面硬度一般为40～55HRC。
特点是抗疲劳点蚀、抗胶合能力高，耐磨性好。
由于齿心部末淬硬，齿轮仍有足够的韧性，能承受不大的冲击载荷。
2．渗碳淬火 常用于低碳钢和低碳合金钢，如20、20Cr钢等。
渗碳淬火后齿面硬度可达56～62HRC，而齿心部仍保持较高的韧性，轮齿的执弯强度和齿面接触强度高，耐磨性较好，常用于受冲击载荷的重要齿轮传动。
齿轮经渗碳淬火后，轮齿变形较大，应进行磨齿。
3．渗氮 渗氮是一种表面化学热处理。
渗氮后不需要进行其他热处理，齿面硬度可达700～900HV。
由于渗氮处理后的齿轮硬度高，工艺温度低，变形小，故适用于内齿轮和难以磨削的齿轮，常用于含铬、铜、铅等合金元素的渗氮钢，如38CrMoAlA。
4．调质 调质一般用于中碳钢和中碳合金钢，如45、40Cr、35SiMn钢等。
调质处理后齿面硬度一般为220～280HBS。
因硬度不高，轮齿精加工可在热处理后进行。
5．正火 正火能消除内应力，细化晶粒，改善力学性能和切削性能。
机械强度要求不高的齿轮可采用中碳钢正火处理，大直径的齿轮可采用铸钢正火处理。
2.2齿轮材料的主要热处理特性
2.2.1淬透性
含义:
指钢接受淬火而获得马氏体的能力，不同钢种接受淬火的能力不同。
淬透性不同的钢，淬火后得到的淬透层深度不同，从而沿截面分布的金相组织以及机械性能也不同。
淬透层深度是指由淬火表面马氏体到50%马氏体层的深度。
全部淬透的工件通常表面残留着拉力，容易产生变形和开裂，同时对工作的疲劳性能也不利。
设计时考虑要点：
1.零件尺寸越大，内部热容量越大，淬火时零件的冷却速度越慢，因此，淬透层越薄，性能越差，这种现象叫做“钢材的尺寸效应”。
所以，不能根据小尺寸的性能数据用于大尺寸零件的强度计算，而必须考虑钢材的淬透性。
2.大截面或结构复杂的齿轮采用多元合金钢，保证足够而适当的淬透性，保证沿整个截面有良好的综合机械性能，同时，减少变形，防止开裂。
3.对碳钢齿轮，由于碳钢的淬透性低，在设计大尺寸时，正火和调质效果相似，而正火可降低成本，不必要求调质。
4.大模数高质齿轮由于受到钢材淬透性的限制，应当开齿后调质。
2.2.2淬硬性
含义：
指钢在正常淬火条件下，以超过临界冷却速度所形成马氏体组织能够达到最高硬度。
设计时考虑要点：
淬硬性与淬透性不同，它主要取决于钢中的含碳量。
钢中含碳量越高，淬火后硬度越高，而与合金元素关系不大。
所以，淬火硬度高的钢不一定就淬透性高，而硬度低的钢，也可能具有高的淬透性。
2.2.3过热敏感性
含义：
指钢在正常淬火条件下，以超过临界冷却速度所形成马氏体组织能够达到最高硬度。
设计时考虑要点：
淬硬性与淬透性不同，它主要取决于钢中的含碳量。
钢中含碳量越高，淬火后硬度越高，而与合金元素关系不大。
所以，淬火硬度高的钢不一定就淬透性高，而硬度低的钢，也可能具有高的淬透性。
2.2.4回火稳定性
含义：
指钢在正常淬火条件下，以超过临界冷却速度所形成马氏体组织能够达到最高硬度。
设计时考虑要点：
淬硬性与淬透性不同，它主要取决于钢中的含碳量。
钢中含碳量越高，淬火后硬度越高，而与合金元素关系不大。
所以，淬火硬度高的钢不一定就淬透性高，而硬度低的钢，也可能具有高的淬透性。
2.2.5变形开裂倾向
含义：
指钢在加热和冷却过程中产生热应力和组织应力，其综合作用超过钢的σs或σb而产生变形开裂的倾向。
设计时考虑要点：
加热或冷却速度太快，加热和冷却不均匀都容易造成工件变形甚至开裂，因此：
1.设计齿轮时，在结构上应尽量避免尖角和厚薄断面的突然变化。
2.采用缓和的淬火介质或淬火方法。
2.2.6尺寸稳定性
含义：
指零件在长期存放或使用中尺寸稳定不变的性能。
这对精密齿轮是很重要的。
设计时考虑要点：
引起尺寸变化的主要原因是内应力的存在以及组织中残余奥氏体的分解，因此，设计精密齿轮时，应当要求稳定化处理，如淬火后进行冷处理或低温时效。
使马氏体趋于稳定，并减少内应力，以使齿轮尺寸稳定。
2.2.7回火脆性
含义：
指钢在某一温度范围回火时所发生的冲击性降低现象。
产生回火脆性的钢，不仅室温下冲击韧性较正常为低，而且使钢的冷脆温度大为提高。
设计时考虑要点：
合金结构钢在250℃～400℃回火时引起冲击韧性及断裂韧性下降，这种现象一般称为第一类回火脆性。
它不能通过热处理方法来消除，设计时应考虑到这一点。
2.320CrMo齿轮钢的热处理过程中常见的热处理缺陷
2.3.1马氏体粗大及奥氏体过量
这主要是由于实际淬火温度过高，材料表面碳含量过高所造成的，因此，可以适当的降低淬火温度和表面脱碳或者是渗碳的时候掌握好时间等措施来解决这个缺陷
2.3.2碳氮化合物过量
齿轮经过碳氮共渗能够增加硬化层的强度，但是由于操作不当，可能导致面层浓度过高，是析出的碳化物以角状或网状形态析出，会导致组织表面组织性能严重降低，容易产生齿崩，并且容易应力集中。
解决方式是按照正确的工艺操作，严格按照工艺要求进行每一步热处理操作，并在热处理后仔细检测热处理参数，看能否达到既定要求，否则必须重新热处理至达到要求。
2.3.3碳氮化合物过量
齿轮经过碳氮共渗能够增加硬化层的强度，但是由于操作不当，可能导致面层浓度过高，是析出的碳化物以角状或网状形态析出，会导致组织表面组织性能严重降低，容易产生齿崩，并且容易应力集中。
解决方式是按照正确的工艺操作，严格按照工艺要求进行每一步热处理操作，并在热处理后仔细检测热处理参数，看能否达到既定要求，否则必须重新热处理至达到要求。
2.3.4碳氮共渗缺陷组织
碳氮共渗中最容易出现的缺陷组织是黑色组织，可能造成齿轮的接触疲劳、弯曲疲劳及降低齿轮的耐磨性等，其产生的主要原因由于合金元素Mn被内氧化而生成合金氧化物及氮原子的渗入而生成含Cr、Mn的C、N化合物造成Cr、Mn贫化，使奥氏体的稳定性下降，淬透性降低。
这种缺陷是在渗碳是造成的，因此在渗碳的过程中做好气体保护，控制好渗碳炉内的温度满足渗碳是环境条件，使齿轮内部合金元素不被氧化，贫化等使其达到渗碳所具备的条件。
2.3.5热处理畸变
在齿轮的热处理过程中，由于原材料的悬着，材料原始组织，热处理前序以及齿轮的几何形状等因素可能造成齿轮整体尺寸发生畸变。
这中畸变可以通过适当的改变材料，增加预处理工艺，热处理工序中的热处理参数、增加后续处理工艺及控制设备，装炉方式等来减小齿轮的尺寸畸变。
3热处理工艺的设计
3.1最初热处理工艺
在齿轮的渗碳淬火中，要做到完全不变形是不可能的。
其变形主要是在渗碳淬火工序中发牛，主要受材料的淬透性、锻造后齿坯的组织状态、淬火温度、淬火介质和齿轮装夹方式等因素的影响。
20CrMo合金结构钢广泛用于心部强度要求高,能承受较高冲击负荷、耐磨损、有一定表面硬度的零件。
如摩托车上使用优质链条的重要链轮，起重、运输、矿山、化工、通用机械的变速箱中的部分齿轮以及一些结构复杂仅要求局部表面为HRc45~50的零件。
20CrMo低台金结构锅经激光强化处理．表面硬度和耐磨性均有显著的提高，可取代常规热处理方法．满足相关零件表面改性要求。
20CrMo钢淬透性好，中、小模数齿轮一般均能淬透；为了改善锻造后的切削加工性能和消除锻造应力，应进行渗碳淬火的前处理850-880℃的退火；根据实际情况及参考工艺手册，确定初始工艺为普通的气体渗碳淬火，其工艺路线为：
锻造—退火—轮齿加工—淬火同火—气体渗碳淬火—测定尺寸。
最初的热处理工艺如图1所示。
图120CrMo钢初始热处理工艺图
3.2淬火变形的原因分析
在渗碳淬火之前，进行的前处理不适当。
即由于锻造后的退火奥氏体化温度低，坯料组织均匀化不充分，而且由于加热后的冷却速度缓慢，使铁素体增多，生成近似于带状和块状组织。
因此，由于渗碳时的奥氏体化，就产生组织变化和内应力变化这些变化是产生淬火变形的原因之一。
对易产生淬火变形的齿轮，由于对下述问题注意不够，也会导致变形的发生：
预热时的缓慢加热采用较低的渗碳温度；齿轮的装夹方式。
一般来说，相对于外径而言，在内径较小的情况下，没有采取对应措施，就会造成内径收缩。
3.3最终热处理工艺
在齿轮的渗碳淬火中，为了防止淬火变形，多采用压力淬火，但在品种多、批量小的周期式渗碳淬火中，由于效率低并且不经济，一般不采用这种淬火。
综合上面分析，采取措施，对初始工艺进行改进，有效地防止了热处理变形：
调整渗碳淬火的前处理。
前处理在粗加工后进行，940℃油淬成马氏体；淬火后在700℃温度下回火，进行球化处理。
经过这种处理后，坯料组织能达
到预期的细化和均匀化，大大减少出现铁素体的带状组织和块状组织，从而降低比容变化引起的体积变化以及热应力引起的应变。
将锥形轴衬装入花键孔内并进行加热，防止淬火时的花键孔收缩变形。
安装方法如图2所示。
将齿轮竖着装夹。
考虑到油淬时齿轮的淬入方向，当将齿轮调整到与油面平行（平放）的位置和将齿轮调整到与油面垂直（竖放）的位置作比较时，由于冷却速度的快慢对外径的收缩或膨胀很敏感，所以两种方法产生的变形不同。
如图3所示将齿轮竖放得到的结果较好（图3中虚线表示淬火后的变形量，“+”表示膨胀，“一”表示收缩）。
图2锥形轴衬安装示意图图3齿轮装夹方法对变形影响示意图
改善渗碳淬火工艺。
为了避免快速加热，在750℃（相变点附近）预热40min；降低渗碳温度（最高加热温度）和淬火温度。
在降低渗碳温度、控制组织粗大的同时，渗碳深度达到所规定的下限值。
另外，降低淬火温度在减小冷却时的热变形方面也有一定的效果。
最终的渗碳淬火热处理工艺如图4所示。
图420CrMo钢最终热处理工艺
综上所述，采取措施后，确定工艺路线如下：
锻造一退火一粗加工一淬火回火一轮齿加工一测定尺寸一气体渗碳淬火一测定尺寸。
4总结
影响热处理变形的因素很多，如材料性能、锻造后齿坯的组织状态、淬火温度、淬火介质和齿轮装炉方式等，因此找出合适的防止变形方法是不容易的，但在我们详细的研究工艺过程中，可以发现解决问题的线索，从而找到合适的工艺，达到产品的设计要求，这也是我们此次研究的主要内容。
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