J I A N G S U U N I V E R S I T Y
金属材料综合课程设计
汽车变速箱齿轮热处理工艺
所属学院： 材料学院
专业班级： 金属1002
姓 名： 陈 浩
学 号：3100702039
2013年6月27日
1、零件图
2、零件服役条件
齿轮是机械设备及汽车中的重要零件，变速箱齿轮为汽车、拖拉机等发动机的重要部件，用于改变发动机曲轴和传动轴的速度比。故齿面在较高的载荷(冲击载荷和交 变载荷等)下工作，因此磨损快。在工作过程中，通过齿面的接触 传递动力，两齿面在相对运动过程中．既有滚动也有滑动，存在较大的压应力和摩擦力．经常换挡使齿端部受到冲击。要求变速箱齿轮具有高的抗弯强度、接触疲劳强度和良好的耐磨性，心部有足够的强度和冲击韧性。齿轮在传递力及改变速度的运动过程中啮合齿面之间既有滚动，又有滑动r而且齿面还受到脉动或交变弯曲应力的作用. 在变速器中，齿轮可改变传动比，扩大驱动轮转矩和转速的变化范围，以适应经常变化的行驶条件，同时使发动机在有利的工况下工作。差速器中，通过车桥齿轮增加扭矩，并调节左右轮的转速。全部发动机的动力均通过齿轮传给车轴，推动汽车运动。所以汽车齿轮的受力较大，受冲击频繁，其耐磨性、疲劳强度、冲击韧性等均要求比机床齿轮高。同时由于汽车行驶状况随路况随机变化，因而汽车齿轮的工作状况非常复杂。
服役条件
（1）汽车齿轮的工作条件比机床要繁重得多，它们经常在较高的载荷下工作,磨损亦较大。
（2）在汽车运行中由于齿根受着突然变载的冲击载荷以及周期变动的弯曲载荷，
会造成轮齿的脆性断裂或弯曲疲劳破坏.
(3)轮齿的工作面承受着较大的压应力及摩擦力，会造成麻点、接触疲劳破坏及深层剥落，由于经常换档，齿的端部经常受到冲击，也会造成轮齿的端部破坏。 因此在耐磨性、疲劳强度、心部强度和冲击韧性等方面的要求均比机床齿轮高.
3、所需性能
汽车变速齿轮工作条件比机床齿轮差,特别是主传动系统中的齿轮,受力较大,受冲击较频繁,因此对材料要求较高。由于弯曲与接触应力都很大,所以重要齿轮都需渗碳、淬火处理,以提高耐磨性和疲劳抗力。为保证心部有足够的强度及韧性,材料的淬透性要求较高,心部硬度应在35～45HRC之间。另外,汽车生产批量大,因此选钢材时,在满足力学性能的前提下对工艺性能必须予以足够重视。汽车齿轮工作时，啮合齿面间既有滚动，又有滑动，轮齿根部还受到脉动或交变弯曲的作用。在由此而引起的各种应力的作用下，齿轮经常发生失效的情况。根据工作条件的不同，汽车齿轮的失效形式主要是齿面磨损和断齿。图1.1是四种主要的失效形式。
a 轮齿根部弯曲疲劳断裂 b 齿面严重磨损、齿厚变小
c 齿面剥落 d 轮齿冲击断裂
美国的一个关于齿轮失效形式及原因的统计资料的结果表明，疲劳断裂占失效齿轮总数的三分之一以上，居首位；其次是表面损伤。总的来说，断裂是齿轮失效的主要形式。齿轮在传递动力及改变速度的运行过程中，周期的受到弯曲应力，接触应力以及摩擦力的作用。齿面和齿根在上述应力的作用下导致齿面剥落
或轮齿折断而失效。因此，改善材料的冶金质量和通过热处理强韧化技术以提高齿轮的弯曲程度，接触疲劳强度及耐磨性，从而达到提高齿轮寿命的目的。 对齿轮材料的性能要求是：
(1) 高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度(抗疲劳点蚀)，除材料本身性能外，还可依靠齿轮的表面强化处理来实现；
(2) 齿面具有较高的硬度和耐磨性，以防止粘着磨损和磨粒磨损。耐磨性的提高，主要依靠表面硬度和降低摩擦因数来实现；
(3) 齿轮心部具有足够的强度和韧性，以提高齿轮的承载能力。
此外，还要求齿轮具有高的传动精度，材料具有较好的切削加工及热处理工艺性等，例如热处理变形小，或变形有一定规律等。
4、选择材料
制造齿轮常用的钢有20Cr、20CrMnMo、18Cr2Ni4WA、20CrMnTi。 4.1 20Cr
与15Cr钢相比，有较高的强度及淬透性，在油中临界淬透直径达4 ～22mm，在水中临界淬透直径达11～40mm，但韧性较差，此钢渗碳时仍有晶粒长大倾向，降温直接淬火对冲击韧性影响较大，所以渗碳后需二次淬火以提高零件心部韧性，无回火脆性；钢的冷应变塑性高，可在冷状态下拉丝；可切削性在高温正火或调质状态下良好，但退火后较差；20Cr为珠光体，焊接性较好，焊后一般不需热处理，但厚度大于15mm的零件在焊前需预热到100～150℃，焊后也可不进行回火热处理。 4.2 20CrMnMo
20CrMnMo是高强度的高级渗碳钢。强度高于15CrMnMo，塑性及韧性稍低，淬透性及力学性能比20CrMnTi高，淬火低温回火后具有良好的综合力学性能和低温冲击韧度。渗碳淬火后具有较高的抗弯强度和耐磨性能，但磨削时易产生裂纹。焊接性不好，适于电阻焊接，焊前需预热，焊后需回火处理。切削加工性和热加工性良好。
常用于制造高硬度、高强度、高韧性的较大重要渗碳件（其要求均高于15CrMnMo），如曲轴、凸轮轴、连杆、齿轮轴、齿轮、销轴，还可代替12Cr2Ni4使用。