汽車變速器齒輪軸熱處理優(yōu)化分析

邵博

摘 要：汽車變速器是汽車傳動系統(tǒng)中的組成部分。在齒輪軸的加工工藝中，熱處理是重要的環(huán)節(jié)，要合理采用材料和熱處理方法，滿足齒輪軸的加工技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞：變速器；齒輪軸；熱處理；優(yōu)化分析

1 工作條件分析

汽車變速器是汽車傳動系統(tǒng)中的組成部分，其依靠齒輪傳動的方式實現(xiàn)動力傳遞。在工作過程中齒輪軸與齒輪配合作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，齒輪軸接觸較大的摩擦力、交變彎力矩和拉壓載荷。因此，要求齒輪軸具有良好的力學(xué)性能、耐磨性能、抗疲勞強(qiáng)度。在齒輪軸的加工工藝中，熱處理是重要的環(huán)節(jié)，要合理采用材料和熱處理方法，滿足齒輪軸的加工技術(shù)要求。

2 材料的選擇

選擇汽車變速器齒輪軸材料時，要根據(jù)齒輪軸的工作條件來確定。按照上文齒輪軸的工作條件分析，齒輪軸的選材適用低碳合金滲碳鋼或碳氮共滲鋼。其熱處理采用滲碳（碳氮共滲）、淬火、低溫回火，齒輪軸表面可獲得58～63HRC的高硬度，因淬透性較高，齒輪心部有較高的強(qiáng)度和韌性。這種齒輪軸的表面耐磨性、抗疲勞強(qiáng)度和齒根的抗彎強(qiáng)度及心部抗沖擊能力都比表面淬火的齒輪軸高。

常用的合金滲碳鋼有20CrMnTi、20Cr、18Cr2Ni4W。其中20Cr具有較大的晶粒長大傾向，且所能承受的負(fù)荷不能太大，故不采用。18Cr2Ni4W是高淬透性滲碳鋼，具有良好的強(qiáng)韌性配合，缺口敏感小，但是切削工藝性差，合金元素含量高，成本較為昂貴，故也不采用。20CrMnTi具有良好的綜合力學(xué)性能，低溫沖擊韌度較高，晶粒長大傾向小，冷熱加工性能均較好，價格也較為合理，所以選用20CrMnTi作為該齒輪軸的材料比較合理。

20CrMnTi成分（%）：

C：碳在鋼中形成固溶體，提高鋼的強(qiáng)度；碳與鋼中其他合金元素形成碳化物，提高鋼的強(qiáng)度、耐磨性。

Mn：錳在低含量范圍內(nèi)，對鋼具有很大的強(qiáng)化作用，提高強(qiáng)度、硬度和耐磨性；降低鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性；稍稍改善鋼的低溫韌性。

Si：硅強(qiáng)化鐵素體，提高鋼的強(qiáng)度和硬度；降低鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性；提高鋼的氧化性腐蝕介質(zhì)中的耐蝕性，提高鋼的耐熱性。

Cr：鉻在鋼中主要存在于M23C6中，也溶于M6C和MC型碳化物，促使其溶于奧氏體，增加奧氏體合金含量；淬火加熱時，鉻幾乎溶于奧氏體，主要起增加鋼的淬透性作用；鉻的添加使鋼具有一定的耐蝕性，并提高耐磨性優(yōu)化滲碳時的滲碳參數(shù)。

Ti：鈦與碳形成硬度極高的碳化物，在鋼中呈彌散分布時起到定扎晶界的作用，能抑制晶粒長大從而起到細(xì)化晶粒的作用，同時提高鋼的硬度、強(qiáng)度和耐磨性。

20CrMnTi的臨界點(diǎn)為：Ac1：740℃，Ar1：650℃，Ac3：825℃，MS：365℃。

3 熱處理優(yōu)化分析

該20CrMnTi齒輪軸所制定的加工工藝路線為：鍛造→正火→機(jī)加工→碳氮共滲→淬火→回火→精磨→噴丸。

毛坯料在鍛造后需調(diào)整組織狀態(tài)才適合于機(jī)加工，有3種常規(guī)預(yù)備熱處理方法均能滿足組織性能要求：方案1退火、方案2調(diào)制、方案3正火。其中，方案2需要回火，時間長、耗能多，所以這里不采用調(diào)制作為機(jī)加工前的預(yù)備熱處理。方案1與方案3在耗能方面沒有差別，但方案1需要工件隨爐冷卻，生產(chǎn)周期長，不采用。所以采用的是正火作為機(jī)加工前的預(yù)備熱處理。

20CrMnTi本身的性能還不足以滿足該齒輪軸的全部性能，需要進(jìn)行化學(xué)熱處理提高表層組織性能。滿足性能要求的可行方案有：方案1滲碳、方案2滲氮、方案3氮碳共滲、方案4碳氮共滲。其中方案2與方案3其所得表層組織高硬高耐磨，但是耐沖擊性能較差，而該齒輪軸在使用過程中可能會遭遇一定的沖擊載荷，氮化層在受到?jīng)_擊后可能會出現(xiàn)小塊剝落，造成齒輪軸與齒輪的磨粒磨損，對長期使用的壽命不利，故方案2與方案3不采用。方案1與方案4的深層均能較好的滿足高疲勞強(qiáng)度和高耐磨的性能，但是方案1滲碳的溫度較高，淬火時需要預(yù)冷，操作較為繁瑣，而不預(yù)冷直接淬火則會產(chǎn)生較大變形，對零件精度不利。方案4碳氮共滲溫度較低，可直接淬火，操作簡單，變形量小，而且效率不低，因此化學(xué)熱處理步驟采用碳氮共滲。

因為20CrMnTi本身晶粒長大傾向小，碳氮共滲溫度不高，所以可以直接淬火回火。

正火：20CrMnTi正火溫度為Ac3以上30～50℃，20CrMnTi的Ac3溫度為825℃，使用箱式電阻爐，故加熱溫度取上限溫度875℃。保溫時間由t=αKD計算，α由于最大直徑小于50mm，故α取1.4，爐中堆垛方式見圖1，即修正系數(shù)K取1.3，考慮到裝爐量后計算得保溫時間t為1.5h，冷卻方式：出爐空冷，獲得組織：索氏體，設(shè)備RX3-15-9，額定溫度950℃，功率15KW。

碳氮共滲與淬火回火：采用煤油與氨氣作為共滲介質(zhì)，20CrMnTi共滲溫度一般為860～880℃，故取870℃作為共滲溫度，有資料指出最終滲層厚度在0.5～0.9mm時滲速在0.2mm/h，滲層深度按要求為x=0.8mm，則計算所得共滲時間為：4h，共滲設(shè)備：RQ3-35-9，額定溫度950℃，功率35kw。共滲完成后直接出爐油淬，為了獲得所需性能，淬火后需要進(jìn)行200℃回火2h，回火設(shè)備：RJ2-36-6，額定溫度650℃，功率36kw。

其中碳氮共滲時氨氣所占比例應(yīng)控制在40%，氨氣供量0.1m3/h，煤油滴量為35滴/min。

共滲及淬火回火曲線：