變速箱齒輪用鋼及熱處理

摘要：汽車變速箱內，基本零件是齒輪。齒輪的用料及其熱處理方法主要根據變速箱的服役環境所決定。

關鍵詞：鋼 熱處理

由于變速箱的服役條件不同，其材料選擇也多種多樣，常用的材料有：鑄鐵、碳素結構鋼，如20、30、35、40、45、50、55等，合金結構鋼，如12Cr2Ni4、15Cr、15CrMnMo、17CrNiMo6、18CrNiWA、18Cr2Ni4WA、20Cr、20CrMo、20CrMnMo、20CrMnTi、20SiMnVB、20MnVB、20CrNi2Mo、20Cr2Mn2Mo、20Cr2Ni4、20CrNi3、25MnTiB、25Cr2MoV、30CrMNTi、30CrNi3、30CrMnSi、30CrNiMoA、30CrNi2Mo、30CrMoAlA、35CrMo、35CrMoV、35SiMn、38CrMoAl、40MnB、40SiMn、40Cr、40Mn、40CrNiMoA、42CrMo、42SiMn、50Mn2、60Mn2等。近年來由于引進國外汽車，所以相應引進了一部分國外鋼材，如SCr420、20MnCr5、ZF6、ZF7、HSMnCB420H、SAE4320H、SCM420、SCM822H、21NiCrMo5等。我國汽車變速箱常采用下列鋼材：20Cr、20CrMo、20CrMnTi、20CrMnMo、20MnVB、25MnTiB、40Cr（調質）、38CrMoAl（滲氮）。

一、齒輪鋼中各種化學元素的作用及其影響

1.C:碳是鋼中不可缺少的元素，含碳量2%以下為鋼，以上為鑄鐵。碳在鋼中以固溶體或化合物（Fe3C）的形式存在，碳在γ鐵中的間隙固溶體為奧氏體，在α鐵中間隙固溶體是鐵素體，馬氏體是碳在α鐵中的過飽和固溶體，是鋼淬火后的基本組織。鋼的淬透性隨著含碳量的增加而增加，鋼在淬火后的硬度隨著含碳量的增加而增高。

2.Si：硅是鋼中的常存元素，能夠與鋼生成化合物FeSi，在鋼中能生成非金屬夾雜，硅加入能使γ上升，使A1點下降，奧氏體晶粒長大傾向增加，能提高鋼的淬透性，降低鋼的回火韌性，提高硬度和耐磨性，增加鋼的熱強性和抗氧化性，降低鋼的耐腐蝕性。

3.Mn：錳是鋼中的常存元素，錳在鋼中形成碳化物，容易形成非金屬夾雜，能使γ區上升，A1點下降，能夠增加奧氏體晶粒長大的傾向，能促進鋼中偏析的形成，能使奧氏體化溫度下降，能夠大大地提高鋼的淬透性，淬火后增加鋼中的殘余奧氏體，有增加回火脆的作用，滲碳時降低碳的擴散速度，增加碳濃度，能增加鋼的彈性，提高鋼的強度和塑性，淬火回火后能增加鋼的韌性和硬度。

4.Cr：鉻是在煉鋼中加入的元素，在鋼中形成碳化物，并能形成金屬間化合物FeCr，能夠形成非金屬夾雜，加入鋼中γ區下移，A1點上升，大大降低奧氏體晶粒長大傾向，增加鋼的偏析，增加淬火后殘余奧氏體的量，增加回火脆性，使馬氏體開始轉變溫度下降，能提高鋼的彈性、強度、塑性。

5.Mo、V、Ti：鉬、釩、鈦的加入主要作用是為了細化晶粒，阻止晶粒長大。這些元素在鋼中易形成碳化物，如Mo2C、VC、TiC，不易溶入奧氏體中。AI：鋁在鋼中能增加鋼的抗氧化性，能促進鋼對氮的吸收。

二、變速箱齒輪的熱處理工藝

由于變速箱齒輪的種類繁多，熱處理工藝也比較復雜，常用的工藝有：

1.調質:在一些重型齒輪的傳動中，由于齒輪尺寸較大，運行中易跑合，齒根強度富裕，抗沖擊能力強，多采用調質齒輪，對于調質齒輪副，合理的硬度匹配，可以提高齒輪的壽命。調質就是對工件實行淬火加高溫回火的工藝。齒輪的調質，首先要根據齒輪的加工情況選擇設備；根據齒輪的材料、尺寸、熱溶量的大小選擇淬火溫度；加熱保溫時間；選擇合適的淬火介質和冷卻方式。

（1）工件調質設備的選擇

a、對于毛坯調質，可用一般的箱式電爐。

b、對于已經進行了粗加工的工件，要視加工余量的大小，要以在加熱過程中能否使基體氧化、脫碳為原則，選擇箱式電爐或帶有保護氣氛的電爐。

c、對于加工余量很小的加工件，選擇帶有保護氣氛的加熱爐或鹽爐。

d、對于小型大量的調質件可以考慮調質自動生產線。

（2）調質件淬火的加熱溫度:對于齒輪用鋼，淬火加熱溫度規定為Ac3+30℃-50℃。可以按下式計算： Tc （℃）=ΣAi Xi+K（注： Tc-加熱溫度；Ai-系數；Xi-合金元素含量；K-常數）。

（3）加熱和保溫時間:加熱和保溫時間由三個部分組成：即到達表指溫度的時間；工件燒透時間；組織轉變需要的時間。生產中常用“加熱系數”來簡便地估算時間，該時間按工件入爐后儀表到溫時開始計算（ 注：τ=αKD α- 加熱系數；D-工件有效厚度；K-與裝爐量有關的系數）。

（4）工件的加熱速度從三個方面考慮：設備能力；工件復雜程度；材料的化學成分。

（5）工件的冷卻方式：通常有直接淬火；雙重冷卻淬火；噴射淬火；分級淬火。淬火冷卻劑的選擇要根據原材料的化學成分和工件的復雜程度決定，一般碳鋼用水，合金鋼用油。

調質淬火后要采用高溫（>500℃）回火，回火溫度要根據技術要求通過試驗決定。

2.齒輪的表面淬火：最常用的齒輪表面淬火有火焰淬火和感應淬火，火焰淬火適合于單件大件生產，而感應淬火適合于批量生產。齒輪的感應淬火分為全齒感應淬火和單齒表面淬