汽车零件热处理技术：钢制齿轮

汽车结构上一些零件既要求表面具有较高的硬度，保持高的耐磨性，又要求心部有较高的韧性，以确保整个零件获得足够的强度，因此该类零件大多采用低碳钢或低碳合金钢制造。通过适当的调质处理、表面淬火、渗碳、碳氮共渗、渗氮、氮碳共渗等热处理工艺，达到其使用要求。事实上，根据汽车零件的服役条件与失效形式可知，是否能够达到设计与使用的要求，并具有较高的使用寿命，在很大程度上取决于材料的选择与热处理方法，因此需要零件的设计者考虑零件的具体特点，有针对性地进行工艺参数的设定，并做到优化设计，这是实现零件长寿命的关键步骤。

汽车齿轮等是汽车结构中的重要零件，其工作环境恶劣，担负着传递动力、改变运动速度和方向的任务，在工作过程中，汽车变速器齿轮承受载荷的大小以及方向不断变化，同时齿轮会受到冲击力的作用。

汽车齿轮在工作过程中，齿面通过接触传递动力，故载荷主要作用在齿轮的牙齿上，牙齿的根部受到周期性弯曲应力的作用，牙齿容易产生疲劳断裂或脆性折断，牙齿的齿面受到接触应力与摩擦应力的作用，容易使齿面产生接触疲劳损坏或磨损等。

由此可见，汽车齿轮的工作条件恶劣，故要求其具有较高的静弯曲强度和接触疲劳强度，以及足够的冲击韧度与良好的耐磨性，从而保证齿轮的工作寿命与可靠性以及传递动力的灵活性等，提高汽车的质量。

影响汽车齿轮使用寿命的因素很多，除了设计、选材、冷加工以及使用条件外，齿轮的热处理质量具有直接的影响，而齿轮的热处理质量是通过金相组织来进行控制与鉴别的，故对齿轮的热处理过程进行准确的检验和严格的控制，是确保齿轮质量的关键。

1.齿轮的工作条件及技术要求

齿轮工作时，通过齿面的接触来传递动力，其承受的主要载荷作用在齿轮齿顶上，汽车齿轮的齿根部位受到周期性弯曲应力的作用，其大小为700～800MPa，使其发生疲劳断裂或脆性折断，而齿面受到接触应力的作用，接触应力是由两个齿面的相互接触而产生的，此时最高应力达到2500～3000MPa。齿轮的受力状态十分复杂，只有经过化学热处理才能满足工作需要。

对于要求表面硬度高、而心部具有良好韧性的工件，如齿轮、齿轮轴、活塞销等零件，一般采用低碳钢加工成形，而后对其进行渗碳处理，这里以汽车变速器内的二、三级齿轮为例进行具体探讨。该齿轮用来把发动机的功率传递到后桥齿轮和半轴上，来驱动汽车行驶、承担改变汽车运动方向、改变发动机曲轴和传动轴的速度比的目的。在工作过程中齿根承受变载时的冲击及周期性交变弯曲载荷的作用，使用过程中有时出现脆性断裂或疲劳断裂，工作齿面受到较大脉冲式接触压应力及摩擦力的作用，在传递动力的过程中既有滚动也有滑动，加上外来硬质点的作用，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的端部受到大的冲击力，使齿端损坏，归纳起来有三种应力的作用即弯曲应力、摩擦应力和接触应力。

齿轮的主要失效形式为断齿、磨损、疲劳断裂及齿面蚀坑等。

1)齿轮齿面磨损是指在咬合过程中，齿面上会产生很大的压强，齿面接触区摩擦，使齿厚变小，表面发生塑性变形而变得凸凹不平，金属之间发生接触和粘着，齿轮在滑动过程中产生磨损，因此又产生了新的摩擦力，齿面磨损是齿轮面相互摩擦的结果。齿轮的齿面磨损种类、受力及破坏特征见表4-1。齿面磨损为齿轮的主要失效形式。

表4-1齿轮的齿面磨损种类、受力及破坏特征

2)弯曲疲劳断裂主要从根部发生，齿轮咬合时齿根部位受到最大振幅的脉动作用，或交变的弯曲应力的作用，造成齿部的断裂，这是齿轮最严重的失效形式，常常因一齿断裂而引起数齿甚至所有齿的断裂。

3)齿面磨损断裂。齿轮在工作过程中，如果齿面上的接触应力超过了材料本身的疲劳强度，则会产生接触疲劳断裂。

4)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，微裂纹的发展引起点状剥落（表面麻点剥落、浅层剥落和深层剥落等)。

5)过载断裂主要是冲击载荷过大造成的断齿。

综合分析齿轮的工作状态和失效的主要形式，为确保齿轮有高的使用寿命，变速器的齿轮必须具有以下特性:表面有高的硬度和良好的耐磨性；良好的弯曲疲劳强度、高的静弯曲强度和接触疲劳强度；心部具有最佳的强度和冲击韧度，抗冲击性强；较好的热处理性能，热处理变形小。

满足以上性能要求的汽车齿轮，才有可能保障其有较长的使用寿命，确保齿轮的工作寿命和可靠性。表4-2为在磨损和交变应力作用下零件的选材及其热处理。

表4-2在磨损和交变应力作用下零件的选材及其热处理工艺

从齿轮的工作条件来看，其在耐磨性、疲劳强度与心部强度、冲击韧度等方面的配合要求比较高，在某种程度上高频感应淬火很难满足使用要求，而渗碳钢经渗碳、淬火和低温回火可保证工作的需要。对齿轮进行表面处理，可以提高表面硬度和耐磨性，同时耐蚀性和疲劳强度明显提高。

JN-150载货汽车变速器中的第二轴的二、三挡齿轮的工艺流程为:下料→锻造→正火→机械加工→渗碳、淬火、低温回火→喷丸→磨内孔→装配。

齿轮渗碳的技术要求:表面碳质量分数为0.8％～1.05％；渗碳层厚度为0.8～1.3mm，渗碳淬火表面硬度≥59HRC；低温回火表面硬度为58～64HRC，心部硬度为33～48HRC；变形量小和金相组织符合要求。

2.材料的选用

根据齿轮的受力状况及工作条件，对于齿轮材料提出如下性能要求:高的弯曲疲劳强度，特别是齿根要有足够的强度，以保证运行时所产生的弯曲应力不致造成疲劳断裂；高的接触疲劳强度、高的表面硬度和耐磨性，防止齿面磨损；足够的齿轮心部强度和冲击韧度，防止过载与冲击断裂；原材料材质纯净，断面侵蚀后不得出现可见的气泡、裂纹、非金属夹杂物及白点等缺陷，其疏松和夹杂物等级应符合有关标准规定；具有良好的切削加工性，淬火变形小，以获得高的加工精度和低的表面粗糙度值，提高齿轮的耐磨性；价格低廉，材料来源充足等。

为确保齿轮的表面耐磨性好、心部有足够的强度和韧性，绝大多数齿轮选用渗碳钢或调质钢制作，渗碳钢的碳质量分数为0.15％～0.35％，加入适当的合金元素，可起到细化晶粒的作用。通常是低碳合金钢进行渗碳处理，常用材料有20Cr、12Cr2Ni4A、20CrMnTi等，也可采用调质钢如40Cr、45、40CrNi、40CrNiMoA等制造。

一般齿轮选用材料的原则如下:对于小模数齿轮，只要求心部有足够的韧性，采用低碳钢即可满足要求，受力较大的变速器齿轮则必须选用20CrMnTi钢制造，该钢不仅具有良好的韧性而且有足够的强度，符合齿轮的工作需要。在20CrMnTi钢中，低的含碳量是保证齿轮心部具有高的塑性和韧性的前提，合金元素铬和锰的加入提高了该钢的淬透性，渗碳后淬火内部能获得低碳马氏体组织，提高基体的强韧性。关于铬对渗碳层中含碳量的影响，资料介绍，随着铬含量的增加，渗层中碳含量上升，在铬的质量分数为1.5％左右时，渗碳层中的碳含量达到最大值，其原因在于铬为碳化物的形成元素，可吸收大量的碳进入表层，同时铬也加速了界面反应，促使工件表面吸收活性碳原子。铬的质量分数在3％以下时，其对渗碳层的影响不大，在高温渗碳时有减少渗层厚度的趋势，长时间渗碳则会引起晶粒的长大。锰对渗碳层的厚度和表面的含碳量基本上没有影响，但它促使渗碳时奥氏体晶粒的长大。加入钛的目的在于限制钢的晶粒长大，提高了钢的强度和韧性，使该钢的热处理工艺性能得到了改善，渗碳后可以直接淬火。20CrMnTi钢采用正火处理后，有利于切削加工。该钢具有以下特点:机械加工性能好；过热敏感性小；渗碳速度快；渗碳后淬火变形小，尺寸稳定；淬透性好，内外硬度符合技术要求，提高了疲劳强度；具有高的低温冲击韧度和高的抗弯强度，能够承受变换齿轮的冲击力和咬合力作用。

齿轮经化学热处理后（渗氮、碳氮共渗或渗碳等)可进行直接淬火，而采用调质热处理后晶粒度和变形量比渗碳小，耐磨性和疲劳强度分别提高40％～60％和50％～80％，由此可见调质钢和渗碳钢各有特点。汽车、拖拉机齿轮常用钢材及热处理工艺（渗碳、碳氮共渗)见表4-3，对渗碳齿轮的渗碳层深度规定如下（以解放车为例):变速器齿轮渗碳层为0.9～1.3mm，后桥主动和从动齿轮渗碳层为1.2～1.6mm，半轴齿轮、行星齿轮渗碳层等多为1.0～1.4mm。

表4-3汽车、拖拉机齿轮常用钢材及热处理工艺（渗碳、碳氮共渗)

上述渗碳和碳氮共渗用钢主要用于制作耐磨性好、承受载荷作用的齿轮；用于生产运行速度高、周期长、安全可靠性高的齿轮；需要传递功率大、齿轮表面载荷高、耐冲击的齿轮以及尺寸大的齿轮。

齿轮用钢又分为调质钢、表面淬火钢，例如35、45、55、40Mn、50Mn、40Cr、35SiMn、42SiMn、35CrMo、42CrMo、40CrMnMo、35CrMnSi、40CrNi、40CrNiMo、30CrNi3、37SiMn2MoV等，这些材料经热处理后也可直接使用。目前齿轮经过渗氮处理后，使用寿命和性能同样可满足其工作需要。不同使用条件下渗氮齿轮用钢材料的选择见表4-4。

表4-4不同使用条件下渗氮齿轮用钢材料的选择

另外，根据齿轮的工作状况和寿命要求，铸铁齿轮已经应用于汽车上，铸铁齿轮与钢制齿轮相比，具有机械加工性良好、耐磨性好、噪声低以及成本低等特点，常用铸铁为灰铸铁和球墨铸铁两类，灰铸铁的抗拉强度低、脆性较高，但耐磨性好、减振性佳、缺口敏感性小。常见牌号为HT150、HT200、HT250、HT300、HT350等。球墨铸铁的性能则介于钢和灰铸铁之间，是很有前途的齿轮用材料，主要牌号有QT400-15和QT400-18（铁素体组织)、QT450-10（铁素体组织)、QT500-7（珠光体＋铁素体组织)、QT600-3、QT700-2、QT800-2（珠光体组织)以及QT900-2（下贝氏体组织)等。

3.齿轮的机械加工工艺流程

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下工作所需要的强度和冲击韧度，一般的流程为:剪切下料→锻造→正火或调质→车外圆和拉孔→去应力退火→精加工（拉、插、铣、剃等)→渗氮、氮碳共渗。

渗碳齿轮的加工流程为剪切下料→齿坯成形→预备热处理→切削加工→渗碳→淬火和回火→喷丸→精加工。渗氮齿轮的工艺路线为剪切下料→锻造退火或正火处理→滚齿→剃齿→渗氮。精密齿轮为锻造→调质或正火处理→粗车→调质→半精滚齿→去应力退火→精滚齿→剃齿→渗氮→珩磨。

剪切下料可采用热切或冷切，如果材料强度过高，坯料横截面积过大，在剪切下料时将产生过大的硬度，造成剪切裂纹的出现。如果表面有严重的纵向划痕或发纹，会对裂纹起到诱发和促进作用。

齿轮的预备热处理是指对成形的齿坯进行的最常用的热处理，即退火或正火处理与调质处理，正火或退火一般安排在铸造或锻造之后，即粗加工前进行，目的是获得良好的切削加工性、消除钢件锻造时产生的残留应力、细化晶粒和改善组织等，减小淬火时变形和开裂的倾向。正火温度为900～970℃，硬度为156～269HBW。调质处理的目的也是细化晶粒和使组织均匀，由于获得了回火索氏体组织，因此齿坯的韧性更高，该工序一般安排在粗加工后（如低碳钢)。另外对部分齿轮进行去应力退火，可起到稳定组织和减少变形的作用。

齿轮毛坯的预备热处理工艺见表4-5。

表4-5齿轮毛坯的预备热处理工艺

对于渗碳齿轮而言，通常的热处理程序为:清理零件表面→装炉→渗碳、淬火→中间检验→清洗→回火→校花键孔。

4.齿轮的渗氮、氮碳共渗、渗碳和碳氮共渗等热处理工艺

齿轮表面要求有高的耐磨性，而心部具有良好的韧性和足够的强度，因此采用渗碳钢、调质钢和渗氮用钢等进行化学热处理可获得要求的力学性能，一般齿面硬度为56～63HRC，心部硬度为30～45HRC，有效硬化层硬度为300～450HV。渗碳或碳氮共渗层深为（0.2～0.3)m（m为齿轮的模数)，渗碳钢表面碳质量分数为0.7％～0.9％，碳氮共渗后碳质量分数为0.7％～0.9％、氮质量分数为0.2％～0.4％。需要注意的是齿轮的外观质量，表面应光洁、无裂纹和毛刺等，工作表面不允许有锈迹、黑皮、凹坑等缺陷。

（1)齿轮的渗氮 齿轮的渗氮处理通常包括气体渗氮、离子渗氮等，其具体特点与工艺要求介绍如下。

1)渗氮的特点和主要技术要求。齿轮经渗氮后，具有变形小、表面硬度高、耐磨性好等优点。组织中以ε相为主的化合物层的脆性高，一般渗氮后其冲击韧度下降，渗氮后得到的渗层较厚（一般大于0.35mm)，齿轮渗氮多以气体渗氮和离子渗氮为主，经处理的齿轮质量稳定，工艺过程简单，操作比较方便，齿轮的加热温度低，不需淬火处理，故齿轮的变形小，形成的渗氮层还具有高的耐蚀性，因此渗氮齿轮不需要进行镀锌和发蓝等表面处理。考虑到齿轮的工作特点，资料介绍，适当提高基体的调质或正火硬度，有助于提高齿轮心部的强度，为了提高承载高速重载齿轮的力学性能，齿轮经调质处理后心部的硬度应在30HRC以上。该类齿轮材料大多为含有铝、铬、钼、钛和钒等的合金钢，另外耐蚀渗氮多用于碳素钢和铸铁材料，处理后的齿轮可在较强的腐蚀性环境中（大气、自来水、热蒸汽以及弱碱中)工作。

齿轮材料的原始状态与渗氮层硬度的对应关系见表4-6。

表4-6齿轮材料的原始状态与渗氮层硬度的对应关系

2)注意事项。从表4-6中可知渗氮齿轮的预备热处理有正火和调质处理两种工艺，正火适用于中碳钢，而调质大多是中碳合金钢的处理方式，渗氮前的去应力退火可消除加工应力、稳定尺寸，为最终的渗氮做好准备。考虑到相变点的温度对渗氮质量的影响，去应力退火温度应高于渗氮温度20～30℃，同时要低于调质处理的温度，这样才能确保齿轮的基体强度和硬度符合技术要求。

应对不需要渗氮的部位采取局部防渗措施，根据渗氮方式的不同，采取的措施也不相同，一般有金属覆蔽法、非金属覆蔽法、化学保护法等，对于气体渗氮而言，通常采用以下三种方法:

①镀锡法，一般膜厚0.003～0.015mm，当厚度大于0.010mm时，应在350℃左右进行1～2h的镀锡处理。

②镀铜法，一般无孔隙镀膜厚0.010～0.020mm。

③涂料法，需要选择合适的涂料，并进行烘干处理，确保在渗氮过程中不剥落，也可进行磷化处理，同样达到防渗的目的。

对于离子渗氮则无法采用上述方法，应采取机械防渗措施:内孔采用心轴或端盖来屏蔽，外螺纹、外圆可使用螺母、套筒等防渗，内螺纹用铆钉、销轴或螺塞等塞住，达到防渗的目的。

3)齿轮的气体渗氮工艺。根据齿轮的技术要求和工作特点，在实际生产过程中通常采用两种渗氮工艺，具体见表4-7，气体渗氮温度一般为500～560℃，时间可根据试验或经验而定，通常渗速为0.010mm/h。

表4-7齿轮气体渗氮工艺方法及其应用

齿轮模数与渗氮层深度的关系见表4-8。

表4-8齿轮模数与渗氮层深度的关系

4)齿轮的离子渗氮工艺。随着渗氮热处理设备的研发，目前离子渗氮技术已经成熟，其主要的工艺参数如下:辉光电压维持在500～700V；电流密度为2～15mA/cm²；炉内真空度为133.322～1333.22Pa；渗氮介质为液氨挥发气、热分解氨或氮氢混合气；渗氮温度采用520～530℃和560～580℃，其余材料采用的等温渗氮温度为520～550℃等。渗氮时间与渗氮层深度的关系为

δ＝KDτ式中，δ为渗氮层深度（mm)；τ为渗氮时间（min)；D为扩散系数；K为常数。渗氮层深度为0.20～0.60mm，渗氮时间为8～30h。

常见齿轮材料的离子渗氮工艺和表面硬度及厚度的关系见表4-9。渗氮齿轮常见缺陷和防止措施见表4-10。

表4-9常见齿轮材料的离子渗氮工艺和表面硬度及厚度的关系

表4-10渗氮齿轮常见缺陷和防止措施

（2)齿轮的氮碳共渗 齿轮的氮碳共渗多用于在较小接触应力条件下工作的进给系统用齿轮，处理后的齿轮具有良好的耐磨性和高的疲劳强度，显著提高了使用寿命。

资料介绍，低负荷45钢齿轮，如传递中、小转矩的汽车齿轮，若采用气体渗氮或离子渗氮工艺，则齿轮的渗层硬度偏低、寿命不长，同时效率低，影响齿轮的正常使用，故多数选用硫氮碳共渗或氮碳共渗工艺，这种方法适合用作形状复杂、变形要求小的齿轮的化学热处理。

常见材料氮碳共渗后的硬度与深度的关系见表4-11。

表4-11常见材料氮碳共渗后的硬度与深度的关系

由于氮碳共渗能显著提高齿轮的耐磨性，抗咬合和抗擦伤能力，同时能提高其疲劳强度，汽车用齿轮的工作状况差，且要求具有高的使用寿命，采用该类表面强化措施可确保齿轮满足技术要求。表4-12为几种常见齿轮材料的氮碳共渗工艺和结果。

中、高负荷齿轮若采用渗层较浅（≤0.30mm)的氮碳共渗工艺，则渗层可能在高压应力作用下压碎，其疲劳强度与承载能力不能满足服役条件，故一般选用气体渗氮或离子渗氮等。

表4-12几种常见齿轮材料的氮碳共渗工艺和结果

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（3)齿轮的渗碳和碳氮共渗 低碳钢和低碳合金钢齿轮的热处理采用气体渗碳（或固体渗碳)和淬火处理，使表面获得高的硬度和良好的耐磨性，而心部仍保持一定的强度和韧性、塑性等。中碳钢或中碳合金钢采用淬火的方法，大多数齿轮经过渗碳或碳氮共渗后，其热处理方式和冷却方式根据技术要求进行选择，以获得要求的力学性能和技术指标。通常采用气体渗碳或碳氮共渗，个别采用液体碳氮共渗进行化学热处理。其基本工艺流程为:渗碳（920～940℃)或碳氮共渗（840～860℃)→炉内预冷、均热830～850℃（碳氮共渗不预冷)→直接淬火（油冷或热油马氏体分级淬火)→回火（180℃×2h)。对于变形要求严格、需要机械加工和固体渗碳的齿轮，应在冷却后再进行加热淬火处理。渗碳淬火后表面具有高的硬度和耐磨性，心部仍保持一定的强度和韧性。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供选择:

①空冷多用于气体或盐浴渗碳（或碳氮共渗)，应降温出炉，增大冷却速度，减少脱碳倾向。

②在冷却井或坑中冷却，冷却井或坑是一个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。

③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。

④在罐内冷却，多用于固体渗碳。

⑤在缓冷坑中冷却或油冷，20CrMnMo、20CrNi3钢采用此冷却方式。

采用气体渗碳的工艺温度为920～940℃，要求渗碳层浅的齿轮采用下列温度:当渗层为0.35～0.65mm时，温度为870～890℃；当渗层为0.65～0.85mm时，温度为890～910℃；当渗层为0.8～1.0mm时，温度为910～930℃。不同温度下渗层深度与渗碳时间的关系见表4-13。

表4-13不同渗碳温度下渗层深度与渗碳时间的关系

20CrMnTi钢低滴量气体渗碳工艺曲线如图4-2所示。该工艺的特点为排气过程中采用大滴量，吸收和扩散过程中采用小滴量，甲醇和煤油交替使用。

图4-2 20CrMnTi钢低滴量气体渗碳工艺曲线

20CrMnTi钢制造的变速器齿轮经上述渗碳工艺处理后，各项技术指标符合要求，质量稳定。资料介绍，对齿轮进行预氧化，即在500～600℃的空气炉中加热形成氧化膜，则在渗碳开始阶段不再被氧化和脱碳，能促进渗层的增加和使用寿命的提高以及提高渗碳层的均匀性等。齿轮渗碳热处理后进行喷丸处理，既可去除毛刺或表面的氧化皮等表面脏物，又可在其表面形成压应力，从而提高了齿轮的疲劳强度和抗弯曲能力。另外采用双排无炉罐渗碳炉进行渗碳，通常该类热处理炉分为五个区域（或区段)，具体要求见表4-14。一区为加热区，预氧化可防止入炉再被氧化。二区为预渗区，800℃以上已经有渗碳能力，合理确定渗碳温度有助于零件达到均匀的渗碳温度。三区为渗碳区，为防止晶粒粗大，应在910～930℃进行渗碳。渗碳层的深度与渗碳温度的关系为:渗碳层为0.35～0.85mm时，温度为870～890℃；渗碳层为0.5～0.85mm时，炉温为890～910℃；渗碳层为0.85～1.0mm时，炉温则为910～930℃。四区加热温度为900℃，可获得连续平缓的过渡区。五区温度下降，是因为考虑到出炉后零件的温度有所降低。

表4-14齿轮在无炉罐渗碳炉中渗碳的工艺规范

齿轮渗碳淬火后畸变的主要形式见表4-15。预防措施如下:设计齿轮时应使其结构合理，形状对称、轮辐的强度及键槽的位置合理等；使用化学成分和冶金质量符合要求的钢材，锻坯或粗加工的毛坯应进行预备热处理，以此来保证钢材具有良好的金相组织和可加工性；选用合理的淬火工夹具，使渗碳件在渗碳过程中温度均匀、不受外力的作用，同时使渗碳气氛合理流动，淬火时零件均匀冷却，从而减少淬火变形；选用较低的淬火温度或冷却能力较缓的淬火冷却介质，也可采用分级、等温等淬火方法降低应力和减少变形；控制齿轮花键孔的精度，采用模压淬火；根据齿轮的热处理变形规律调整其机械加工尺寸。

表4-15齿轮渗碳淬火后畸变的主要形式

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齿轮经渗碳和碳氮共渗后，根据齿轮的具体工作环境和受力情况，可进行不同温度的淬火和回火，表4-16列出了几种常见渗碳、碳氮共渗齿轮的热处理方法。

表4-16常见渗碳、碳氮共渗齿轮的热处理方法

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齿轮的碳氮共渗主要采用气体碳氮共渗工艺进行，温度为830～860℃，共渗时间与温度、渗层厚度等因素有关，应根据齿轮的具体技术要求而定，与渗碳相比具有处理温度低、齿轮变形小、耐磨性好以及渗层可以减薄等特点。碳氮共渗后齿面适宜的碳氮含量见表4-17。

表4-17碳氮共渗后齿面适宜的碳氮含量

另外资料介绍，齿轮表面渗碳浓度过高会造成碳化物呈网状或聚集成堆，其原因在于渗碳介质的能力太强，另外还与温度高和时间长有关。这将会降低齿轮表面层的强度和韧性，使弯曲疲劳强度下降，牙齿变脆、易于崩裂等，直接影响到齿轮的使用寿命，具体见表4-18。

表4-18齿轮牙齿表面层碳浓度对其弯曲疲劳寿命的影响

汽车齿轮的碳氮共渗是在830～860℃温度下进行的，由于比渗碳温度低80～100℃，因此减小了热处理后的变形，同时硬化层厚，适宜制作承受重载荷的齿轮，一般采用深层渗碳（2.5～8mm)、淬火和回火工艺，不采用低温化学热处理工艺。20CrMnMo、20CrMnTi钢制作的齿轮，经碳氮共渗后弯曲疲劳强度高于12CrNi3A钢渗碳淬火工艺处理的齿轮。表4-19为几种常用汽车齿轮碳氮共渗工艺规范及处理结果。

表4-19几种常用汽车齿轮碳氮共渗工艺规范及处理结果

（4)齿轮渗碳及碳氮共渗后热处理畸变的产生原因与热处理缺陷及防止措施 齿轮经过渗碳和碳氮共渗后需要进行最后的热处理，在淬火和回火过程中表面成分改变，淬火后组织应力和热应力的共同作用，将使齿轮的某些尺寸发生一定的变化，个别的会造成畸变现象，这会直接影响齿轮的产品质量，因此找出产生的原因，并采取一定的措施，是热处理工作者的职责和任务。齿轮渗碳及碳氮共渗后热处理畸变的产生原因见表4-20。渗碳和碳氮共渗齿轮常见热处理缺陷及防止措施见表4-21。

表4-20齿轮渗碳及碳氮共渗后热处理畸变的产生原因

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表4-21渗碳和碳氮共渗齿轮常见热处理缺陷及防止措施

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5.齿轮的火焰淬火、高频感应淬火和整体热处理

经渗碳或碳氮共渗后的齿轮，应进行淬火和回火处理，这样才能获得要求的力学性能和表面硬度，满足齿轮在不同条件下工作的需要，采用普通的整体热处理尽管能达到要求，但其存在耗能大、变形量难以控制、操作复杂等缺点，例如盐浴炉、可控气氛炉、电阻炉、流动粒子炉等，因此齿轮的热处理目前倾向于采用表面淬火，这种方法既能保证产品的质量，又能节约大量的能源，同时降低了缺陷发生的概率，具有广阔的发展前景。

（1)火焰淬火 其主要的工艺参数介绍如下:淬火加热温度为Ac₃＋30～50℃；乙炔与氧气的用量比为1∶（1.150～1.5)，呈蓝色中性火焰；齿面淬火时焰心与零件的距离为5～10mm，沿齿沟淬火时为2～3mm；火焰喷嘴或零件的移动速度一般为50～300mm/min；喷水孔与火焰孔距离为15～25mm；冷却介质通常为自来水（压力为1×10⁵～1.5×10⁵ Pa)、聚合物水溶液、乳化液以及压缩空气等；回火温度依据硬度的要求而定，要求硬度为45～50HRC时温度为200～250℃，要求50～55HRC时采用180～220℃回火，回火时间控制在45～90min范围内。

（2)感应淬火 感应淬火可得到比普通淬火硬度稍高的表层，保持心部的强度和韧性，由于加热时间短，同时减少了齿轮加热时表面的氧化和脱碳。通常齿轮进行感应淬火处理的方法有几种类型，即全齿回转加热淬火、单齿感应淬火、沿齿沟感应淬火等，齿轮淬火方法的选用应根据齿轮直径的大小、具体的技术要求、材料的类别等几个方面来考虑。

出于生产率的考虑和汽车齿轮零件的特点，汽车齿轮感应淬火不采用沿齿沟的单齿淬火工艺，而主要采用整体加热淬火工艺，整体淬火又分为单频淬火和双频淬火。双频淬火技术可以得到更好的仿形淬硬层，对于提高齿轮疲劳强度、减小淬火变形等非常有利；单频淬火得到的硬化层仿形效果相对差些。图4-3和图4-4显示了它们的淬火硬化层差别。但并非双频淬火一定比单频淬火好，对于小模数齿轮，为获得更高的强度，往往需要将齿部完全淬透，并且在齿根以下得到一定深度的淬硬层。汽车齿轮感应淬火应用最普遍的是发动机飞轮齿圈，绝大多数齿圈采用感应淬火。东风公司已经在一些变速器齿轮上实现了感应淬火，用价格便宜的中碳合金钢替代价格高的渗碳齿轮钢。

图4-3 齿轮双频淬火

图4-4 齿轮单频淬火

1)全齿回转加热淬火。将齿轮放在转盘上旋转运动，同时进行高（或中)频感应加热，待整个齿轮表面达到淬火温度后立即喷水或浸入水中快速冷却，以获得要求的力学性能。常用齿轮感应淬火频率的选择见表4-22。根据硬化层深度和频率、齿轮模数的关系可进行合理地选择，确定理想的频率和硬化深度，来满足齿轮的工作需要。

表4-22常用齿轮感应淬火频率的选择

齿轮选用的钢材成分直接影响到感应加热的温度，实践证明钢中含碳量的高低对感应加热温度有很大的影响，见表4-23。

表4-23钢材的含碳量和合金元素对感应加热温度的影响

2)单齿感应淬火。大型齿轮实现全齿加热淬火十分困难，齿面内外的温差大，容易造成齿顶端过热，而齿面温度未达到淬火温度的情况，无法满足齿轮感应淬火的要求，而单齿感应淬火则有效地解决了该问题。一般单齿连续加热感应器的结构尺寸见表4-24。

表4-24一般单齿连续加热感应器的结构尺寸

通常该类感应器的淬火冷却装置有自喷式和附加冷却器两类，对齿面加热后迅速冷却，需要注意的是要防止出现齿顶过热现象。单齿连续感应淬火的加热工艺参数见表4-25。

表4-25单齿连续感应淬火的加热工艺参数

3)沿齿沟感应淬火。大型齿轮除了单齿感应淬火外，沿齿沟感应淬火同样可以满足对齿轮淬火的要求，感应器通常作成V形，其特点是该感应器与齿沟轮廓仿形，高度为6～8mm，导磁体高10～12mm。多用于模数为6～14mm的齿轮的淬火。V形感应器沿齿沟淬火的工艺参数见表4-26。

表4-26V形感应器沿齿沟淬火的工艺参数

常用Ⅱ形感应器的结构示意图如图4-5所示，其常用于齿沟的淬火，淬火方法与V形感应器相似，具体淬火工艺参数见表4-27。

图4-5 常用Ⅱ形感应器的结构示意图

a)适用于m＜6mm齿轮，超音频电源 b)适用于m＝6～12mm齿轮，超音频～中频（8kHz)电源 c)适用于m＞10mm齿轮，中频（8kHz、2.5kHz)电源 d)适用于m＞10mm齿轮，中频电源（其特点为上、下两加热导板分流（I/2)后，可改善加热效果，尤其可防止感应器移动出齿沟时造成的端面过热)

表4-27 Ⅱ形感应器沿齿沟淬火的工艺参数

（3)齿轮的表面淬火畸变和需采取的措施 齿轮经过高频感应淬火或火焰淬火后，将会发生尺寸的改变，严重的会造成报废，直接影响到产品质量。减小齿轮表面淬火畸变的措施见表4-28。

表4-28减小齿轮表面淬火畸变的措施

（4)齿轮表面淬火后常见的质量缺陷和防止措施（表4-29)

表4-29齿轮表面淬火后常见的质量缺陷和防止措施

（续)

6.齿轮的热处理操作要点与工艺分析

1)渗氮齿轮的预备热处理有正火和调质两种工艺，正火适用于中碳钢，而调质大多是中碳合金钢的处理方式，渗氮前的去应力退火的目的是消除加工应力、稳定尺寸，为最终渗氮做好准备。考虑到相变点的温度对渗氮质量的影响，去应力退火温度应高于渗氮温度20～30℃，同时要低于调质温度，这样才能确保齿轮的基体强度和硬度符合技术要求。

2)对于渗碳或碳氮共渗齿轮，为减少变形应选用合理的淬火工夹具，使渗碳件在渗碳过程中温度均匀、不受外力的作用，并且使渗碳气氛合理流动。选用较低的淬火温度或冷却能力较缓的淬火冷却介质，也可采用分级、等温等淬火方法，降低应力和减小变形。控制齿轮花键孔的精度，采用模压淬火。

3)全齿回转加热淬火的冷却一般根据材料的淬透性选择20～50℃的水、质量分数为15％～20％的乳化液或40～80℃的热油等作为淬火冷却介质，而回火通常采用炉内回火，可确保齿轮的淬火组织充分转变，防止其开裂。

4)沿齿沟感应淬火的淬火冷却介质一般按如下规定选取:碳素钢用自来水冷却，合金钢用质量分数为10％～15％的乳化液、质量分数为5％～15％的PAG聚合物水溶液、喷雾或压缩空气等。冷却器的结构为:喷水的孔径为0.6～0.8mm，孔间距为2～2.5mm，喷射角为30°～45°，喷水孔应交错排列，以确保水冷均匀。