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1.6 汽車齒輪的熱處理工藝與規(guī)范

(1)汽車齒輪的工作條件和性能要求

汽車齒輪的種類較多,其中汽車減速器行星齒輪和半軸齒輪,在服役過程中,其承擔(dān)著改變速度、輸出扭矩、驅(qū)動車輛行駛等作用,因此齒輪在工作時,輪齒承受著很大的彎曲應(yīng)力和接觸應(yīng)力,周期性作用于每一個齒上,同時承受重復(fù)交變應(yīng)力的作用。另外,齒輪在傳遞扭矩或相對滾動過程中,會發(fā)生相對的滑動而產(chǎn)生摩擦作用。汽車、拖拉機(jī)齒輪的工作條件與一般的機(jī)械齒輪、機(jī)床齒輪相比,其服役環(huán)境差,對于耐磨性、疲勞強(qiáng)度、心部強(qiáng)度和沖擊韌性等方面要求比機(jī)床齒輪高,因此,在材料的選用上,多推薦低合金滲碳鋼,例如20CrMnTi、20Cr、20Mn2B、18CrMnTi、12Cr2Ni4A、20Cr2Ni4A等,圖1-104為汽車變速箱齒輪的形狀。

圖1-104 汽車變速箱齒輪

汽車齒輪在多種應(yīng)力的作用下,其失效或損壞的形式有齒根損壞(包括疲勞斷裂和沖擊折斷)和齒面疲勞損壞(齒面的剝落、硬化層的剝落以及過度磨損和咬合),因此要求齒輪具有以下性能:①高的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度;②齒面有高的硬度以及良好的耐磨性;③齒輪心部具有足夠的強(qiáng)度和韌性;④提高精度以及低的傳動噪聲。

(2)汽車齒輪的機(jī)械加工工藝流程

目前齒輪的毛坯鍛造已經(jīng)廣泛推廣了精鍛制造技術(shù),其精鍛工藝流程為:棒料切料→中頻加熱→熱精鍛→去飛邊→余熱退火→拋丸處理→切削加工→滲碳或碳氮共滲、淬火、回火→磨削加工。選用的材料為20CrMnTiH,其中余熱退火是指將毛坯件冷卻到600~700℃,保溫一段時間后空冷,以獲得珠光體+鐵素體的組織,基體硬度在156~221HBW。

(3)汽車齒輪的熱處理工藝

①技術(shù)要求、滲碳 (或共滲)層深1.0~1.3mm,碳化物為1~5級,馬氏體、殘余奧氏體為1~5級,齒輪表面與心部的硬度分別為58~63HRC和30~40HRC。

②齒輪的熱處理工藝 齒輪的滲碳或碳氮共滲、淬火和回火是在密封的氣體滲碳多用爐上進(jìn)行,采用上述流程發(fā)現(xiàn)部分齒輪的淬火組織為粗大的馬氏體,殘余奧氏體較多,甚至出現(xiàn)個別馬氏體組織超級缺陷,直接影響到其使用壽命。資料介紹,出現(xiàn)該缺陷的原因在于余熱退火組織不良,導(dǎo)致馬氏體組織粗大超級等,因此應(yīng)進(jìn)行再加熱淬火,其目的是通過再加熱調(diào)節(jié)那些影響晶粒度、殘余奧氏體和碳化物等材料強(qiáng)度的主要因素,使齒輪獲得良好的力學(xué)性能。該工藝比滲碳后降溫直接淬火更能細(xì)化組織,改善心部和滲層組織。

汽車齒輪的熱處理工藝與一般機(jī)床齒輪、機(jī)械齒輪的工藝相似,通常齒輪滲碳的熱處理和工藝流程為:

在60~70℃清洗劑中除油→920℃滲碳、擴(kuò)散→900℃預(yù)冷→緩冷至600℃以下→在850℃的保護(hù)性氣氛中加熱并保溫120min→淬火→60~70℃的清洗劑中除油→在180~200℃回火爐內(nèi)保溫120min→進(jìn)行30min的拋丸清理→成品檢驗(yàn)。

而進(jìn)行碳氮共滲的齒輪則是在共滲結(jié)束后直接進(jìn)行淬火冷卻,隨后采用低溫回火的熱處理工藝[(180~220)℃×(2~3)h],其熱處理技術(shù)要求同滲碳工藝。

根據(jù)齒輪滲碳或碳氮共滲后一般不進(jìn)行直接淬火,在生產(chǎn)過程中一般有以下幾種冷卻方式。

a.空冷 多用于氣體或鹽浴滲碳(或碳氮共滲),應(yīng)降溫出爐,增加冷卻速度,減少脫碳傾向。

b.冷卻井或坑中冷卻 為四周盤有蛇形管通水冷卻的帶蓋容器,向其中通入保護(hù)氣或加入煤油。

c.在700℃等溫鹽浴中保溫后空冷 多用于鹽浴滲碳或碳氮共滲,可減少齒面的脫碳。

d.在罐內(nèi)冷卻 多用于固體滲碳。

e.在緩冷坑中冷卻或油冷 對于20CrMnMo、20CrNi3鋼采用此冷卻方式。

采用氣體滲碳的工藝參數(shù)溫度為920~940℃。對于要求滲碳層淺的齒輪,滲層為0.35~0.65mm時,工藝溫度為870~890℃;一般滲層為0.65~0.85mm時,工藝溫度為890~910℃;當(dāng)滲層為0.8~1.0mm時,工藝溫度為910~930℃。不同溫度下滲層深度與滲碳時間的關(guān)系見表1-81。

表1-81 不同滲碳溫度下齒輪滲層、溫度和時間的關(guān)系

典型齒輪的滲碳工藝曲線見圖1-105。

圖1-105 20CrMnTi鋼變速箱齒輪的低滴量氣體滲碳工藝曲線

(4)汽車齒輪的熱處理技術(shù)分析與實(shí)施要點(diǎn)

①首先應(yīng)該明確高應(yīng)力作用下的汽車齒輪選材與熱處理工藝的關(guān)系,應(yīng)當(dāng)指出,對不同服役條件下的齒輪而言,應(yīng)對材料和熱處理后的性能進(jìn)行具體的分析,在材料確定的前提下,選擇最佳的熱處理工藝,具體見表1-82。

表1-82 高應(yīng)力作用下的汽車齒輪選材與熱處理工藝的關(guān)系

一般而言,汽車用齒輪采用滲碳淬火強(qiáng)化,但淬火后帶來極大變形,而感應(yīng)淬火則克服了該缺點(diǎn),而氮化齒輪在變形上,則具有更明顯的優(yōu)勢。三者的材料是有一定區(qū)別的,應(yīng)具體分析,淬火和回火后的齒輪表面淬硬層為中碳回火馬氏體,齒面具有高的硬度、高的耐磨性、高的疲勞強(qiáng)度和良好的韌性等,可確保使用過程中能夠承受較大的彎曲應(yīng)力和沖擊力的作用。可以看出汽車齒輪的服役條件大多為第一種類型,即選用低合金鋼或低碳鋼進(jìn)行滲碳或碳氮共滲處理,以滿足其工作需要。

②汽車齒輪的淬火處理有利于提高殘余壓應(yīng)力,正確的磨削工藝并不改變殘余應(yīng)力的分布,但過多的摩擦熱會導(dǎo)致次表層產(chǎn)生高的壓應(yīng)力。磨削熱容易造成表面發(fā)熱和冷卻液的急冷而引入了新的應(yīng)力,到熱量過高時,造成表面過回火,使回火馬氏體進(jìn)一步分解,比容減小,導(dǎo)致表面產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力,直接影響到齒輪的使用壽命,因此執(zhí)行合理的磨削工藝是至關(guān)重要的。

③滲碳齒輪熱處理后出現(xiàn)磨削開裂的原因有很多,應(yīng)進(jìn)行正確分析,一方面同磨削工藝不當(dāng)或磨料不良、滲碳層過厚、有網(wǎng)狀碳化物、殘余奧氏體過多等有關(guān),多半與齒輪的熱處理工藝和選材不當(dāng)有關(guān),同時還與冶金、冷加工和熱加工等有一定的關(guān)系。磨削裂紋的特征呈網(wǎng)絡(luò)狀、放射狀和分散條狀等,與磨削方向垂直,橫向剖開后的裂紋分布于表層中并逐漸消失。因此應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行滲碳工藝和熱處理技術(shù)要求,同時確保磨削參數(shù)的合理和規(guī)范。

④齒輪余熱退火后獲得的金相組織為片狀珠光體、塊狀鐵素體,部分晶粒局部粗大,因此其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物如馬氏體、殘余奧氏體以及非馬氏體組織也將粗化。而采用滲碳后再加熱淬火則可以通過再加熱調(diào)節(jié)影響晶粒度、殘余奧氏體和碳化物等材料強(qiáng)度的主要因素,與滲碳后降溫直接淬火相比,細(xì)化了晶粒,改善了心部和滲層組織,故齒輪獲得良好的力學(xué)性能。

⑤汽車齒輪進(jìn)行氣體滲碳的質(zhì)量很大程度上需要熱處理設(shè)備來保證,其爐內(nèi)溫度和碳勢的進(jìn)度、爐內(nèi)溫度和氣氛的均勻性、淬火油攪拌和循環(huán)等,對滲碳和熱處理后的質(zhì)量有重要影響,因此應(yīng)綜合以上幾個方面重點(diǎn)考慮,確保滿足其要求。如有條件可嘗試新的齒輪熱處理工藝:直升式滲碳技術(shù)、齒輪鍛坯等溫退火工藝、齒輪滲碳預(yù)氧化處理工藝、低壓(真空)滲碳技術(shù)、催滲滲碳技術(shù)以及齒輪淬火控制冷卻技術(shù)等,這樣既可保障齒輪的熱處理質(zhì)量,又可提高其服役壽命,將產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

(5)汽車齒輪的熱處理質(zhì)量檢驗(yàn)

對于滲碳或碳氮共滲齒輪,其質(zhì)量的檢驗(yàn)是依據(jù)其技術(shù)要求來確定的,具體如下。

①滲碳層深度1.0~1.3mm,采用金相法檢查,利用顯微鏡檢查。

②碳化物級別為1~5級,馬氏體、殘余奧氏體級別為1~5級,檢查方法同上,應(yīng)參考標(biāo)準(zhǔn)級別圖來判斷。

③齒輪表面與心部的硬度分別為58~63HRC和30~40HRC,采用洛式硬度計檢測。

(6)汽車齒輪的熱處理缺陷分析與對策

齒輪的化學(xué)熱處理過程中,出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)不到技術(shù)要求的指標(biāo),其原因是多方面的。應(yīng)當(dāng)指出,齒輪的熱處理方法有滲碳淬火、碳氮共滲淬火、感應(yīng)加熱淬火以及整體加熱淬火,在其淬火冷卻過程中,各種原因均有可能造成缺陷的產(chǎn)生。為此應(yīng)進(jìn)行具體的分析與討論,一般汽車齒輪熱處理缺陷以及產(chǎn)生的原因見表1-83。

表1-83 滲碳和碳氮共滲齒輪常見熱處理缺陷及防止措施

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