1、攀枝花學院學生課程設計（論文）題 目： 汽車變速箱齒輪鋼的選擇及 熱加工工藝設計 學生姓名： 學 號： 所在院(系)： 材料工程學院 專 業： 材料科學與工程 班 級： 指 導 教 師： 職稱： 副教授 2015年12月21日攀枝花學院教務處制攀枝花學院本科學生課程設計任務書題目汽車變速箱齒輪鋼的選擇及熱加工工藝設計1、課程設計的目的使學生融會貫通機械設計基礎、金屬熱處理、金屬力學性能、冶金概論、金屬材料成型工藝及設備、金屬材料學、金屬熱處理設備與車間設計、科技文獻檢索等課程理論知識；培養學生檢索科技文獻的能力；培養學生綜合運用所學知識分析問題和解決問題的能力。2、課程設計的內容和要求（包括原

2、始數據、技術要求、工作要求等）1、重型卡車變速箱齒輪的服役條件和力學性能要求分析。2、重型卡車變速箱齒輪的加工工藝流程分析。3、重型卡車變速箱齒輪用鋼的選擇及熱加工工藝設計。4、按學校及材料工程學院關于課程設計的相關要求提交設計說明書。3、主要參考文獻1 陸興，劉世程，王德慶.熱處理工程基礎M.北京：機械工業出版社，20072 吳承建，陳國良，強文江.金屬材料學M.2版.北京：冶金工業出版社，20093 唐代明，王小紅，皮錦紅.金屬材料學M.成都：西南交通大學出版社，20144 孫智，倪宏昕，彭竹琴.現代鋼鐵材料及其工程應用M.北京：機械工業出版社，20075 馬鳴圖.先進汽車用鋼M.北京：化

3、學工業出版社，20084、課程設計工作進度計劃第12天：布置課程設計任務，下發本任務書，重型卡車變速箱齒輪的服役條件和力學性能要求分析。第34天：重型卡車變速箱齒輪的加工工藝流程分析。第57天：重型卡車變速箱齒輪用鋼的選擇及熱加工工藝設計，提交設計說明書的提綱或初稿。第810天：修改、完善設計說明書，并提交。指導教師（簽字）日期201 年 月 日教研室意見：201 年 月 日課程設計（論文）指導教師成績評定表題目名稱汽車變速箱齒輪鋼的選擇及熱加工工藝設計評分項目分值得分評價內涵工作表現20%01學習態度6遵守各項紀律，工作刻苦努力，具有良好的科學工作態度。02科學實踐、調研7通過實驗、試驗、查

4、閱文獻、深入生產實踐等渠道獲取與課程設計有關的材料。03課題工作量7按期圓滿完成規定的任務，工作量飽滿。能力水平35%04綜合運用知識的能力10能運用所學知識和技能去發現與解決實際問題，能正確處理實驗數據，能對課題進行理論分析，得出有價值的結論。05應用文獻的能力5能獨立查閱相關文獻和從事其他調研；能提出并較好地論述課題的實施方案；有收集、加工各種信息及獲取新知識的能力。06設計（實驗）能力，方案的設計能力5能正確設計實驗方案，獨立進行裝置安裝、調試、操作等實驗工作，數據正確、可靠；研究思路清晰、完整。07計算及計算機應用能力5具有較強的數據運算與處理能力；能運用計算機進行資料搜集、加工、處理

5、和輔助設計等。08對計算或實驗結果的分析能力（綜合分析能力、技術經濟分析能力）10具有較強的數據收集、分析、處理、綜合的能力。成果質量45%09插圖（或圖紙）質量、篇幅、設計（論文）規范化程度5符合本專業相關規范或規定要求；規范化符合本文件第五條要求。10設計說明書（論文）質量30綜述簡練完整，有見解；立論正確，論述充分，結論嚴謹合理；實驗正確，分析處理科學。11創新10對前人工作有改進或突破，或有獨特見解。成績指導教師評語指導教師簽名： 年月日1 引言齒輪鋼主要應用于汽車、工程機械及機械制造業的傳動部件。高質量的齒輪鋼不但要有良好的強韌性、耐磨性，能很好地承受沖擊、彎曲和接觸應力，而且還要求

6、變形小、精度高和噪聲低。對于重載條件下的齒輪，一般選用硬齒面齒輪，齒輪鋼選用低碳合金滲碳鋼或碳氮共滲鋼。齒輪鋼品種繁多，世界各國都根據使用性能要求及本國的資源條件，建立各自的齒輪用鋼系列。如在美國，大模數重型汽車變速箱齒輪中，一般為含Ni較高的Ni-Cr-Mo鋼，如SAE4320H、SAE4620H鋼1。鉻系、鉻鉬系合金滲碳結構鋼為日本汽車工業廣泛使用的鋼種。近年來，為了適應大模數重型汽車變速箱強韌性高的要求，又發展出SNCM220、SNCM420等Ni含量較高的滲碳鋼。在德國，著名的變速箱制造公司ZF公司在Cr-Mn系滲碳鋼中添加強烈提高淬透性的微量硼，創建了ZF系列齒輪滲碳鋼，如ZFA鋼，

7、適用于大模數重型汽車變速箱齒輪。前蘇聯的變速箱齒輪中多使用Cr-Mn-Ti系列、Cr-Mn-Mo系列滲碳鋼，在大模數變速箱齒輪中也多使用Ni-Mo-Cr系列鋼種，以適應重型汽車良好綜合機械性能的要求2-3。在我國，載貨汽車變速箱使用的齒輪材料，多年來主要沿用前蘇聯用鋼系列18XTr，如20CrMnTi鋼。這是我國50年代引進的齒輪鋼種。該鋼種為本質細晶粒鋼，滲碳淬火工藝性能好，全國許多鋼廠均能生產，價格較為便宜，市場使用量大。但化學成分波動較大，淬透性范圍較寬，在齒輪加工生產過程中易出現心部硬度控制難，熱處理變形規律不易掌握。2 變速箱齒輪性能要求分析2.1 變速箱齒輪服役條件齒輪工作時，通過

8、齒面的接觸來傳遞動力，其主要承受載荷在齒輪齒頂上，齒輪的齒根部受到彎曲應力的作用，其大小在500600MPa，其周期性變化的應力使牙齒疲勞斷裂或脆性折斷；而齒面在工作中受到較大脈沖式的接觸應力及摩擦力作用（接觸應力是由兩個齒面的相互接觸而產生的）的作用，最高應力達15002000MPa，而滲碳淬火硬度達到60HRC的許用接觸應力和彎曲應力分別達1600MPa和500MPa。在傳遞動力的過程中既有滾動又有滑動，加上外來硬質點的磨損，因而會造成接觸疲勞麻點及深層的塊狀剝落。另外，在換擋過程中齒輪端部受到大的沖擊力，使齒端損壞。在卡車行駛過程中，還要受到變動的載荷扭矩和沖擊作用。歸納起來，總共有三種

9、應力的作用，即彎曲應力、摩擦應力和接觸應力4。2.2 齒輪的失效形式齒輪的主要失效形式為斷齒、齒面磨損、疲勞斷裂及齒面蝕坑等，一般表現為以下方面：（1）斷齒：在工作過程中發生的脆性斷裂，大多數情況下是由彎曲疲勞造成的。而過載斷裂主要是沖擊載荷過大造成的；（2）齒輪齒面磨損：齒面磨損是齒面相互摩擦的結果，是齒輪的主要失效形式，齒輪的磨損種類主要有氧化磨損、冷咬合磨損、熱咬合磨損、磨粒磨損；（3）彎曲疲勞斷裂：主要從根部發生，是齒輪咬合在根部受到最大振幅的脈動或交變的彎曲應力的作用，造成齒部的斷裂；（4）齒面磨損斷裂：齒輪在工作過程中，由于齒面上的接觸應力超過了材料本身的疲勞極限強度，則會產生接觸

10、疲勞斷裂；（5）齒面接觸疲勞破壞：在交變接觸應力的作用下，齒面產生微裂紋，微裂紋的產生造成點狀剝落，這也是齒輪失效的主要形式5。2.3 對重載齒輪的性能要求根據重載卡車變速箱齒輪的工作條件，應滿足以下幾個基本要求：（1）齒輪表面層要有足夠的硬度和耐磨性，一般滲碳或碳氮共滲層深為（0.20.3）m（m為齒輪的模數），有效硬化層硬度為300450HV，齒面硬度為5663HRC4；（2）對于承受交變載荷和沖擊的齒輪，齒輪基體要有足夠的彎曲強度和韌性，一般心部硬度為3045HRC；（3）良好的工藝性能，易于切屑加工且熱處理性能好6；（4）高的原材料質量，原材料材質要純凈，斷面經侵蝕后，不得有肉眼可見的

11、空隙、氣泡、裂紋、非金屬雜質及白點等缺陷；（5）齒輪鋼材價格低廉、來源充足。3 變速箱齒輪加工工藝流程重型卡車變速箱齒輪加工工藝流程如圖1：剪切下料去應力退火預備熱處理鍛造最終熱處理精加工圖1 齒輪加工工藝流程圖通常制作齒輪的毛坯材料要經過鍛造，以消除鋼中的碳化物偏析，有利于得到合格的金相組織和性能，確保齒輪在復雜載荷條件下所需的強度和沖擊韌性。齒輪的預備熱處理是指對成行的齒坯進行最常用的熱處理，一般為正火或退火處理。正火或退火一般是安排在鑄造或鍛造之后，即精加工前進行，目的是獲得良好的切削加工性、消除齒輪鋼件鍛造時產生的殘余應力、細化晶粒和改善組織等，減小淬火時變形和開裂的傾向。去應力退火是

12、為了消除在鍛造過程中產生的內應力。除此之外，還可以提高工件尺寸穩定性，防止工件的變形和開裂。對齒輪進行精加工后，尺寸達到了齒輪工件的要求。還需要對其進行最終熱處理。最終熱處理的作用是通過滲碳、淬火、回火一系列工序使齒輪鋼件基體獲得所需的強度與韌性，并在保持工件心部良好韌性的同時，提高其表面的硬度、耐磨性和疲勞強度。其中，對齒輪表面進行滲氮還可以改善齒輪間抗咬合性及抗擦傷性7。4 鋼的選擇及熱加工工藝重型汽車要適應各類復雜多變的路況，其變速箱齒輪必然受沖擊頻繁，其強度、耐磨性、疲勞強度、沖擊韌性等機械性能指標均要求比普通汽車齒輪要高。因此重型汽車齒輪通常是采用合金滲碳鋼來制造，熱處理也以滲碳淬火

13、為主8。4.1 鋼的選擇4.1.1 選擇原則確定齒輪用鋼，主要根據齒輪的傳動方式（開式或閉式）、載荷性質的大小（齒面接觸應力與沖擊載荷等）、傳動速度和精度要求等工作條件而定。同時還要考慮，依據齒輪模數和截面尺寸提出的鋼材淬透性的問題。選用鋼材時，必須要注意以下兩點：（1）加工和熱處理要求，其中包括鋼的機械加工性能、鑄造性能、鍛造性能和熱處理性能，其中最為重要的是考慮鋼材的淬透性；（2）使用性能要求，包括疲勞強度、熱處理規范及其他性能指標。4.1.2 選擇鋼種長久以來，國內汽車齒輪鋼一直沿用蘇聯的牌號，20CrMnTi鋼占據著汽車變速器齒輪鋼使用的主導地位。不僅品牌單一，而且鋼材成分波動大，淬透

14、性帶寬，夾雜物多，造成齒輪熱處理變形大，壽命低。Ti的存在雖然可以降低MnS的有害作用，但在煉鋼過程中易于與N結合形成TiN，在齒輪發生應變時，容易在TiN與基體的界面處產生位錯塞積，形成大的應力集中9。因此，本設計考慮用20CrMnMo鋼（見表1）作為重載汽車的變速箱齒輪。表1 20CrMnMo鋼的化學成分CSiMnSPCrNiCuMo含量（%）0.170.230.170.370.901.20允許殘余含量0.0035允許殘余含量0.00351.101.40允許殘余含量0.0030允許殘余含量0.00300.020.03為了使滲碳層充分硬化、淬火后心部硬度足夠支撐表層承受的載荷，滲碳鋼中除C元

15、素之外，加入一些能改善和提高鋼的某些性能或特性的合金元素。如：鉻、鉬、錳等。鉻（Cr）是最常用的一種合金元素。它能提高鋼的淬透性并有二次硬化作用，當其含量超過12%時，鋼可以具有良好的高溫性能及高溫強度。鉻在滲碳結構鋼中主要作用是提高淬透性，使鋼在淬火回火后具有良好的綜合力學性能。在滲碳鋼中，鉻可以形成含鉻碳化物，從而提高齒輪表面耐磨性。鉬（Mo）在滲碳鋼中能提高淬透性和熱強性，防止回火脆性，增加回火抗力，同時還能在滲碳層中降低碳化物在晶界上形成連續網狀的傾向，減少滲碳層中殘余奧氏體，相對增加了表面層的耐磨性。錳（Mn）是良好的脫硫劑和脫氧劑。如果鋼中含有一定量錳，形成MnS，能消除或減弱由于

16、硫形成FeS，所引起的鋼的熱脆性，可以改善鋼的熱加工性能。錳和鐵可以形成固溶體，強化鐵素體和奧氏體，對細化晶粒也起一定作用。錳可以強烈提高鋼的淬透性。由于錳的資源豐富，所以獲得了廣泛的應用。但是，錳有增加鋼晶粒粗化的傾向，若冶煉、澆鑄和鍛軋時冷卻不當，容易使鋼產生白點9。綜合以上因素以及原料成本問題，所以本設計選擇用20CrMnMo鋼作為重型卡車變速箱的齒輪鋼。4.2 鋼的熱處理工藝對于滲碳齒輪而言，通常最終的熱處理工序4為如圖2：中間檢驗滲碳、淬火裝爐清理零件表面校花鍵孔回火清洗圖2 齒輪最終熱處理工序在以上工序中，滲碳與淬火是最為關鍵的一步。是得到符合重載卡車變速箱齒輪所需力學性能的關鍵工

17、藝。淬火使齒輪鋼件基體獲得所需的強度與韌性，滲碳可以使鋼在保證工件心部良好韌性的同時，提高其表面的硬度、耐磨性和疲勞強度。其中，對齒輪表面進行滲氮還可以改善齒輪抗咬合性及抗擦傷性需要注意的是，相對于低碳非合金鋼件，合金滲碳鋼滲碳后一般是直接淬火，這樣可以有兩個優點：（1）滲碳后的預冷過程中，滲碳層中析出部分二次滲碳體，降低了滲碳層的碳濃度，可以減少淬火后的殘留奧氏體數量，同時減輕淬火形變的程度9；（2）因為滲碳的溫度高于對20CrMnMo鋼淬火加熱的溫度，滲碳后直接淬火可以減小生產的能耗。不僅降低了成本，還符合國家可持續發展戰略。在進行滲碳淬火后，滲碳鋼通常還要進行低溫回火，以獲得以回火馬氏體

18、為主的組織，淬火內應力得到部分消除，淬火時產生的微裂紋也大部分得到愈合。因此，低溫回火可以在很少降低硬度的同時使鋼的韌性明顯提高 7。使其能夠滿足重載卡車變速箱齒輪鋼基體的力學要求。在此工藝中，要注意在應考慮鋼的淬透性、變形與開裂的傾向等，在確保淬透、有效控制變形與避免開裂的條件下，來選擇最佳的淬火冷卻介質與淬火方式。4.2.1 預備熱處理工藝4.2.1.1 正火溫度選擇齒輪毛坯在1200加熱后進行鍛造，然后進行預備熱處理。這一過程可以消除因鑄造產生的缺陷，改善零件的切削加工性能，同時為后續滲碳淬火提供良好的組織，也能穩定淬火變形規律。因此滲碳淬火齒輪的加工效率、內在品質高低及最終熱處理變形大

19、小，很大程度上決定于毛坯預備熱處理質量好壞10。對于滲碳鋼，一般選用正火或回火作為預熱處理工藝，常見的齒輪毛坯預熱處理工藝4如表2所示：表2 典型齒輪毛坯的預處理工藝材料牌號正火工藝規范硬度（HBW）顯微組織20Cr正火900960空冷或風冷156179均勻分布的片狀P+F20CrMo正火9201000（常用920970）156207粒狀或細片狀P+少量F20CrMnTi20SiMnVb20CrMnMo正火880940或回火65070017122920CrNi320720920Cr4Ni2Mo20Cr2Ni4A18Cr2Ni4WA4.2.1.2 正火冷卻方式選擇正火的冷卻方式為等溫正火。等溫正

20、火主要是通過采用控制冷卻速度的方法，在適當的時間內將奧氏體冷卻到某一合適溫度，然后在該溫度下進行等溫一段時間，使各毛坯及同一毛坯的各部位溫差縮小，并在保溫過程中基本達到同時向理想組織的轉變（見圖3）。因為奧氏體組織轉變過程是在恒溫下進行的，克服了普通正火過程中毛坯冷卻速度不易控制以及零件截面小、裝爐量大，齒坯冷卻過程不勻的現象，最終獲得組織均勻的正火齒坯11。圖3 等溫正火轉變原理制定的正火工藝曲線如圖4所示：圖4 齒輪正火工藝曲線4.2.2 齒輪的滲碳淬火工藝4.2.2.1 滲碳工藝齒輪的滲碳淬火工藝是齒輪加工過程中關鍵的一個環節。齒輪最終獲得高的表面硬度、耐磨性，高的接觸疲勞強度、彎曲疲勞

21、強度要靠滲碳淬火來實現。在表面滲碳過程中應著重控制以下三點：（1）有效硬化層深度：有效硬化層深度是國際上通用的衡量滲碳淬火深度的指標。齒輪滲碳淬火有效硬化層深度一般為齒輪模數的1520%。（2）表面碳濃度：表面碳濃度是影響齒輪強度性能的一個重要指標。表面含碳量大于0.9%的齒輪，表面點蝕疲勞抗力較高，而含碳量低于0.9%時，可以改善齒輪的彎曲疲勞強度和抗沖擊能力。表面碳含量達到1.2%時，可以顯著提高齒輪表面耐磨性。當然，表面含碳量的增加會使表面碳化物形態發生變化11。（3）滲碳層金相組織：滲碳層金相組織也是影響齒輪強度及性能的關鍵指標。屬于硬脆相的碳化物，其存在的形態和數量多少、分布形式，影

22、響齒輪強度及韌性指標。一般以細針狀馬氏體為主。在齒輪滲碳工藝中，有效硬化層深度與滲碳時間與滲碳溫度有關（見表3）。表3 在不同溫度下滲碳層深度和滲碳時間的關系滲碳時間/h滲碳層深度/mm87590092520.640.770.8940.841.061.2781.271.521.80121.561.852.21161.802.132.54202.002.392.84242.182.623.10302.462.953.48362.743.203.81滲碳劑選用氣體滲碳劑，包括煤油與甲醇，工藝曲線如5所示：4.2.2.2 淬火介質、淬火冷卻規范對齒輪變形的影響淬火介質的質量、使用溫度對變形有較大影響

23、。淬火介質的質量影響零件淬火的穩定性，合理的介質使用溫度能減小熱應力，從而達到減小變形的目的。介質攪拌方式、介質攪拌速度同樣影響零件變形，在滿足零件淬火性能的前提下，采用溫和的攪拌方式、較低的攪拌速度、較高的油溫是減小零件變形的合理措施，以達到穩定零件變形的目的12。溫度/溫度/92015min30min120min240min時間/min低溫排氣階段，用較低碳勢，使用煤油180200滴；強滲階段，用強碳勢，使用煤油120180滴；擴散階段，碳勢降到與表面相同，使用煤油4050滴；降溫預冷階段，使溫度降到淬火溫度，使用煤油2030滴。淬火階段圖5 20CrMnMo鋼的滲碳工藝曲線4.2.3 齒輪低溫回火工藝經以上熱處理工序處理過的齒輪鋼件再經過最后一步的低溫回火后獲得以回火馬氏體為主的組織，淬火內應力得到部分消除，淬火時產生的微裂紋也大部分得到愈合。因此，低溫回火可以在很少降低硬度的同時使鋼的韌性明顯提高。最終回火的溫度為200。4.3 熱處理工藝曲線綜上所訴，對于重載卡車使用的20CrMnMo鋼的熱處理工藝曲線如圖