汽車變速器齒輪軸熱處理優化分析

邵博

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

關鍵詞：變速器；齒輪軸；熱處理；優化分析

1 工作條件分析

汽車變速器是汽車傳動系統中的組成部分，其依靠齒輪傳動的方式實現動力傳遞。在工作過程中齒輪軸與齒輪配合作高速旋轉運動，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性能、耐磨性能、抗疲勞強度。在齒輪軸的加工工藝中，熱處理是重要的環節，要合理采用材料和熱處理方法，滿足齒輪軸的加工技術要求。

2 材料的選擇

選擇汽車變速器齒輪軸材料時，要根據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度和韌性。這種齒輪軸的表面耐磨性、抗疲勞強度和齒根的抗彎強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，且所能承受的負荷不能太大，故不采用。18Cr2Ni4W是高淬透性滲碳鋼，具有良好的強韌性配合，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，提高鋼的強度；碳與鋼中其他合金元素形成碳化物，提高鋼的強度、耐磨性。

Mn：錳在低含量范圍內，對鋼具有很大的強化作用，提高強度、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：硅強化鐵素體，提高鋼的強度和硬度；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，并提高耐磨性優化滲碳時的滲碳參數。

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化晶粒的作用，同時提高鋼的硬度、強度和耐磨性。

20CrMnTi的臨界點為：Ac1：740℃，Ar1：650℃，Ac3：825℃，MS：365℃。

3 熱處理優化分析

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

毛坯料在鍛造后需調整組織狀態才適合于機加工，有3種常規預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，所以這里不采用調制作為機加工前的預備熱處理。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，生產周期長，不采用。所以采用的是正火作為機加工前的預備熱處理。

20CrMnTi本身的性能還不足以滿足該齒輪軸的全部性能，需要進行化學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，氮化層在受到沖擊后可能會出現小塊剝落，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，淬火時需要預冷，操作較為繁瑣，而不預冷直接淬火則會產生較大變形，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，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，淬火后需要進行200℃回火2h，回火設備：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：