大型齿轮毛坯锻造及热处理工艺改进

收稿日期:2001年7月汽车齿轮锻造毛坯预热处理工艺的改进第一汽车集团公司热处理厂(长春130011 徐德惠牟宗山摘要:介绍了低碳合金渗碳钢齿坯预热处理工艺的现状,讨论了钢件的正火组织和硬度对切削加工性能及渗碳淬火变形的影响,提出应推广应用等温正火技术以改进齿坯预热处理质量。

关键词:齿轮, 预热处理, 等温正火, 显微组织Improvement of Preheating T reatment Process of Automobile Gear Forging BlanksXu Dehui et alAbstract:The present status of the preheating treatment process for case hardened steel gear blanks i s in troduced.The influ ences of the normalized structure and hardness of steel workpiece on its cutting performance and deformation after carburizin g and q uenching are discussed.It is suggested that the isothermal normalizing technology should be promoted to increase the preheating treatmen t quality of gear blanks.Keywords:gear, preheating treatment, isothermal normalization, microscopic structure1 汽车齿轮锻造毛坯预热处理工艺现状汽车齿轮通常采用低碳合金渗碳钢制造,齿轮毛坯(简称齿坯一般需经过锻造预热处理切削加工渗碳淬火回火等多道冷、热加工工序,以获得较高的表面硬度和较好的芯部韧性,使成品齿轮具有耐磨、耐疲劳、耐点蚀等优良性能。

齿轮精密锻造的诸多优点齿轮精密锻造在近几十年来有很大的发展，越来越多的制造厂家和用户重视用锻造的方法制造齿轮。

普遍认为，用锻造的方法，可以提高材料的利用率，提高生产率，提高齿轮的机械性能，降低成本和增强市场竞争力。

尤其对用于汽车工业的大规模生产，齿轮精密锻造具有更大的效益和潜力。

尽管齿轮精密锻造有诸多优点，并已用于锥齿轮的规模生产，但距应用于一定尺寸的圆柱直齿轮和斜齿轮的规模生产还有一段距离。

特别是应用于汽车动力传动的齿轮，还需要建立一套实用和可靠的生产工艺流程，才能为厂家所接受。

齿轮精密锻造技术源于德国。

早在50年代，由于缺乏足够的齿轮加工机床德国人开始用闭式热模锻的方法试制锥齿轮。

其中的主要特征是使用了当时很新的电火花加工工艺来制造锻模的型腔。

另外还对锻造工艺过程进行了严格地控制。

此基础上，齿轮锻造技术进一步应用到螺旋锥齿轮和圆柱齿轮的生产。

但是圆柱齿轮锻造中，由于金属材料的塑性流动方向与其受力方向垂直，所以其齿形比锥齿轮更难形成。

60年代开始圆柱齿轮的锻造研究，70年代有较大的发展，这主要是受到来自汽车工业降低成本的压力。

80年代，锻造技术更加成熟，能达到更高的精度和一致性，使锻造生产齿轮能在流水生产线上准确定位，适合于批量生产。

齿轮精密锻造的目的直接生产出不需要后续切削加工的齿轮。

如果能在室温下进行锻造，则齿轮的形状和尺寸较易控制，也可避免高温带来的误差。

目前已有较多的锥齿轮和小尺寸的圆柱齿轮用这种方法制成。

当整体尺寸适合时，还可以用冷挤压的工艺来制造圆柱直、斜齿轮。

但大部分用于汽车传动的齿轮，其直径、高度比较大，不适合采用挤压工艺。

如用闭式模锻，则需要很高的压力才能使金属材料流动并充满模具型腔，因而此类齿轮需要采用热锻或温锻工艺。

而高温将带来材料的氧化，模具畸变，影响锻件的精度和表面质量。

用附加的切削加工来修正这些误差难度较大，还要增加成本。

特别是当使用后续磨削工艺来修正齿形上的误差，除增加成本和延长工时外，还存在磨削工艺中齿轮的定位问题。

齿轮的热处理工艺齿轮是机械传动中常用的零件，广泛应用于各种机械装置中。

而齿轮的热处理工艺则是保证齿轮性能和寿命的关键环节之一。

下面将介绍齿轮的热处理工艺，包括热处理的目的、步骤和常用方法。

一、热处理的目的齿轮的热处理是为了提高其硬度、强度和耐磨性，同时改善其内部组织结构，以达到延长使用寿命、提高运转平稳性和传动效率的目的。

二、热处理的步骤1. 预处理：在进行热处理之前，需要对齿轮进行预处理。

首先进行清洗，将齿轮表面的油污和杂质清除干净。

然后进行退火处理，将齿轮加热到适当温度，然后缓慢冷却至室温，以消除内部应力，改善材料的可加工性。

2. 热处理：热处理是指将齿轮加热到一定温度，保持一定时间，然后进行冷却的过程。

常用的热处理方法有淬火、回火和表面强化等。

- 淬火：淬火是将齿轮加热到临界温度以上，使其完全变为奥氏体结构，然后迅速冷却至室温。

通过淬火可以提高齿轮的硬度和强度，但也容易导致齿轮产生内应力和变形。

- 回火：回火是指将淬火后的齿轮加热到一定温度，保持一定时间后冷却。

回火可以消除齿轮内部的应力，提高其韧性和韧化性能。

- 表面强化：表面强化是通过在齿轮表面形成一层高硬度的表面层，提高其耐磨性和疲劳强度。

常用的表面强化方法有渗碳、氮化和表面喷丸等。

3. 后处理：热处理后的齿轮还需要进行后处理。

首先进行清洗，将热处理过程中产生的氧化物和残留物清除干净。

然后进行涂层处理，以增强齿轮的耐腐蚀性能和润滑性能。

最后进行检验，检查齿轮的尺寸精度、硬度和表面质量等指标是否符合要求。

三、常用的热处理方法1. 淬火：在适当温度下加热齿轮，然后迅速冷却至室温，使其获得高硬度和强度。

2. 回火：将淬火后的齿轮加热到一定温度，保持一定时间后冷却，以消除内应力，提高其韧性和韧化性能。

3. 渗碳：将齿轮浸入含有碳源的气体或液体中，通过渗碳作用使齿轮表面富含碳元素，形成高碳含量的表面层，提高其硬度和耐磨性。

4. 氮化：将齿轮置于含氮气体环境中，通过氮化作用使齿轮表面富含氮元素，形成高氮含量的表面层，提高其硬度和耐磨性。

齿轮热处理工艺【详细介绍】内容来源网络，由深圳机械展收集整理！一、工作条件以及材料与热处理要求1.条件: 低速、轻载又不受冲击要求: HT200 HT250 HT300 去应力退火2.条件: 低速(＜1m/s)、轻载,如车床溜板齿轮等要求: 45 调质,HB200-2503.条件: 低速、中载,如标准系列减速器齿轮要求: 45 40Cr 40MnB (5042MnVB) 调质,HB220-2504.条件: 低速、重载、无冲击,如机床主轴箱齿轮要求: 40Cr(42MnVB) 淬火中温回火HRC40-455.条件: 中速、中载,无猛烈冲击,如机床主轴箱齿轮要求: 40Cr、40MnB、42MnVB 调质或正火,感应加热表面淬火,低温回火,时效,HRC50-556.条件: 中速、中载或低速、重载,如车床变速箱中的次要齿轮要求: 45 高频淬火,350-370℃回火,HRC40-45(无高频设备时,可采用快速加热齿面淬火)7.条件: 中速、重载要求: 40Cr、40MnB(40MnVB、42CrMo、40CrMnMo、40CrMnMoVBA)淬火,中温回火,HRC45-50.8.条件: 高速、轻载或高速、中载,有冲击的小齿轮要求: 15、20、20Cr、20MnVB渗碳,淬火,低温回火,HRC56-62.38CrAl38CrMoAl 渗氮,渗氮深度0.5mm,HV9009.条件: 高速、中载,无猛烈冲击,如机床主轴轮.要求: 40Cr、40MnB、(40MnVB)高频淬火,HRC50-55.10.条件: 高速、中载、有冲击、外形复杂和重要齿轮,如汽车变速箱齿轮(20CrMnTi淬透性较高,过热敏感性小,渗碳速度快,过渡层均匀,渗碳后直接淬火变形较小,正火后切削加工性良好,低温冲击韧性也较好)要求: 20Cr、20Mn2B、20MnVB渗碳,淬火,低温回火或渗碳后高频淬火,HRC56-62.18CrMnTi、20CrMnTi(锻造→正火→加工齿轮→局部镀同→渗碳、预冷淬火、低温回火→磨齿→喷丸)渗碳层深度1.2-1.6mm,齿轮硬度HRC58-60,心部硬度HRC25-35.表面:回火马氏体+残余奥氏体+碳化物.中心:索氏体+细珠光体11.条件: 高速、重载、有冲击、模数＜5要求: 20Cr、20Mn2B 渗碳、淬火、低温回火,HRG56-62.12.条件: 高速、重载、或中载、模数＞6,要求高强度、高耐磨性,如立车重要螺旋锥齿轮要求: 18CrMnTi、20SiMnVB 渗碳、淬火、低温回火,HRC56-6213.条件: 高速、重载、有冲击、外形复杂的重要齿轮,如高速柴油机、重型载重汽车,航空发动机等设备上的齿轮.要求: 12Cr2Ni4A、20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA、20CrMnMoVBA(锻造→退火→粗加工→去应力→半精加工→渗碳→退火软化→淬火→冷处理→低温回火→精磨)渗碳层深度1.2-1.5mm,HRC59-62.14.条件: 载荷不高的大齿轮,如大型龙门刨齿轮要求: 50Mn2、50、65Mn 淬火,空冷,HB≤24115.条件: 低速、载荷不大,精密传动齿轮.要求: 35CrMO 淬火,低温回火,HRC45-5016.条件: 精密传动、有一定耐磨性大齿轮.要求: 35CrMo 调质,HB255-302.17.条件: 要求抗磨蚀性的计量泵齿轮.要求: 9Cr16Mo3VRE 沉淀硬化18.条件: 要求高耐磨性的鼓风机齿轮.要求: 45 调质,尿素盐浴软氮化.19.条件: 要求耐、保持间隙精度的25L油泵齿轮。

17Cr2Ni2Mo大模数齿轮轴渗碳淬火热处理工艺优化李金良【摘要】17Cr2Ni2Mo大模数齿轴渗碳淬火热处理的关键是将残余奥氏体量和表面碳浓度分别控制在(20～30)%和(0.8～0.95)%范围.为此,在常规工艺的基础上提出渗碳前增加正火处理,冷却时采用热油冷却并循环搅拌等优化方案.【期刊名称】《大型铸锻件》【年(卷),期】2008(000)001【总页数】3页(P11-13)【关键词】17Cr2Ni2Mo;大模数;齿轮轴;渗碳【作者】李金良【作者单位】第一重型机械集团公司冶金研究所,黑龙江,161042【正文语种】中文【中图分类】TG156.31 大模数齿轮渗碳淬火的要求大模数齿轮锻件为了保证耐磨性能，热处理普遍采用渗碳淬火工艺。

其渗碳表面硬度一般要求56～60HRC。

从接触疲劳性能看，大锻件在相对运动中承受着接触应力和弯曲应力，在一定的循环接触应力下(主要受正交变切应力为主)，表面承受的剪切应力在距表面0.786bmm处(b为二接触面接触宽度之半)为剪切应力峰，再往心部其剪切应力将逐渐降低，而这种降低梯度将随接触表面曲率半径增大而变得缓慢平坦。

整个渗碳层离表面某点的剪切强度不足以抗衡外来剪切应力时，就在此地开始形成疲劳裂纹。

只有把淬硬层过渡区往心部推移，才能达到τ/στ<0.55而不成为疲劳危险区。

因而大锻件的渗碳层深度就必须加深，例如轧机上大模数重载齿轮的有效硬化层深度往往要求大于5 mm。

综合考虑重载大模数齿轮(包括齿轮轴)的特殊性，总结出大模数齿轮渗碳淬火的质量要求主要有下列几个方面：(1)表面硬度，要求有高的耐磨性能；(2)足够的渗碳层深度，保证有效硬化层深度；(3)表面渗碳层碳化物形态、数量大小和分布；(4)渗碳层的金相组织，即马氏体级别；(5)心部硬度和力学性能；(6)渗碳层梯度；(7)晶粒度。

国内外通用的17Cr2Ni2Mo材料大模数齿轮轴渗碳淬火热处理工艺是如何满足以上几个方面的质量要求呢？现论述如下。

锻件毛坯等温正火常见缺陷及解决办法锻件毛坯等温正火常见缺陷及解决办法文/张军改·河北东安精工股份有限公司等温正火是近年来汽车齿轮用钢预先热处理的一种方法，在实际操作中常常出现一些热处理缺陷，给后续机加工和最终热处理带来不良影响。

本文通过大量实践，总结了锻件毛坯等温正火中常见缺陷及解决办法。

正火和普通正火正火是将钢加热到Ac3（或Accm）以上适当温度（一般增加30～50℃），保温以后在空气中冷却得到珠光体类组织的热处理工艺。

其目的是消除或改善坯料制备时所造成的各种组织缺陷，获得最有利于切削加工的组织和硬度，改善组织中各组成相的形态和分布，细化晶粒，为最终热处理做好组织准备。

常用作齿轮用钢的预先热处理，但因其冷却方式是在空气中连续冷却，珠光体类组织形成温度跨度大，组织均匀性差，硬度离散度大，机加工性能不好，容易导致最终热处理变形。

因此，近年来汽车用齿轮钢件普遍采用等温正火作为其预先热处理。

等温正火是指将工件加热到Ac3或Accm以上30～50℃，保温适当时间后快冷至珠光体转变区的某一温度保温，以获得珠光体型组织，然后在空气中冷却的正火工艺。

与普通正火相比，等温正火因其组织转变是在恒定温度下完成的，容易控制非平衡组织（如贝氏体）的形成，使硬度更加均匀，可获得较理想的显微组织，提高机加工精度，减小机加工变形，延长机加工刀具寿命，减少最终热处理变形和开裂倾向，保证最终热处理质量。

但是，如果等温正火工艺参数选择不合适，也会产生各种热处理缺陷，给机加工和最终热处理带来不良影响。

经过多年实践，以下我们总结出等温正火的一些常见缺陷和解决办法。

晶粒细碎、不均晶粒细碎、不均缺陷如图1所示，该缺陷常出现在20CrMnTi材质中，因为这种材质中含有细化晶粒的Ti元素，具有阻止晶粒长大作用。

如果温度不够高，或保温时间不够长，会造成晶粒来不及长大；或部分晶粒长大，但另一部分晶粒还来不及长大。

形成的主要原因是：⑴加热温度低；⑵保温时间短；⑶锻坯快速冷却形成原始组织中有贝氏体或马氏体等，并在正火时难以转变所致。

常用铸造齿轮材料及其热处理工艺方法铸造齿轮因其加工性能好、耐磨性高、噪声低及成本低等优点，在机械制造行业得到广泛应用。

常用铸造齿轮材料主要包括铸铁及铸钢。

常用齿轮铸铁材料是灰铸铁和球墨铸铁，因铸铁中存在游离石墨和多孔性结构，故齿轮的耐磨性良好、噪声小。

与铸铁齿轮材料相比，铸钢材料具有较高强度、硬度和耐磨性能，可用于负荷较大的大型齿轮。

一、铸铁齿轮材料及其热处理铸铁齿轮常用材料为灰铸铁及球墨铸铁。

1.齿轮用灰铸铁灰铸铁抗拉强度低，脆性较高，抗弯及耐冲击能力很差，但它易于铸造，易切削，具有良好的耐磨性、缺口敏感性小、减振性及成本低特点，可用于低速、载荷不大的开式齿轮传动。

（1）齿轮用灰铸铁的牌号及力学性能齿轮用灰铸铁的牌号及抗拉强度见表1。

（2）灰铸铁齿轮表面硬度和耐磨性灰铸铁表面热处理前最好先正火处理。

表面热处理，如高中频感应淬火及化学热处理等，其中高中频感应淬火应用最多。

高中频感应淬火温度通常采用850~950℃加热淬火，由于铸铁导热性差，因此加热速度不易太快，单位功率要比同样的钢件小一些。

否则，会产生裂纹和熔化现象。

铸铁经高频感应加热后，淬火冷却介质一般采用水、PAG进行冷却。

回火温度一般在200~400℃，铸铁齿轮经淬火、回火后硬度为40~50HRC。

灰铸铁齿轮金相检验执行GB/T7216《灰铸铁金相检验》标准。

2.齿轮用球墨铸铁球墨铸铁的性能介于钢和灰铸铁之间，强度比灰铸铁高很多，具有良好的韧性和塑性，在冲击不大的情况下，可代替钢制齿轮。

齿轮制造主要使用珠光体和贝氏体球墨铸铁，牌号在QT500以上，热处理一般采用正火+回火。

（1）球墨铸铁牌号、基体组织、力学性能及其各热处理状态下的力学性能球墨铸铁牌号、基体组织、力学性能见表2。

（2）球墨铸铁热处理铸造齿轮毛坯的预处理一般采用退火、正火，也可进行正火+回火，或调质处理。

球墨铸铁齿轮的常用热处理工艺见表3。

（3）球墨铸铁金相检验执行GB/T9441《球墨铸铁金相检验》标准。

几种齿轮锻件热处理的方法齿轮锻件在锻件厂生产中，都需要进行热处理，通过加热、保温和冷却的手段，以获得预期组织和性能的要求，通常齿轮锻件的热处理方法有以下几种。

1、齿轮锻件表面淬火：常用于中碳钢和中碳合金钢，如45、40Cr钢等。

表面淬火后，齿面硬度一般为40～55HRC。

特点是抗疲劳点蚀、抗胶合能力高，耐磨性好。

由于齿心部末淬硬，齿轮锻件仍有足够的韧性，能承受不大的冲击载荷。

2、齿轮锻件渗碳淬火：常用于低碳钢和低碳合金钢，如20、20Cr钢等。

渗碳淬火后齿面硬度可达56～62HRC，而齿心部仍保持较高的韧性，齿轮锻件的执弯强度和齿面接触强度高，耐磨性较好，常用于受冲击载荷的重要齿轮传动。

齿轮锻件经渗碳淬火后，轮齿变形较大，应进行磨齿。

3、齿轮锻件渗氮：渗氮是一种表面化学热处理。

渗氮后不需要进行其他热处理，齿面硬度可达700～900HV。

由于渗氮处理后的齿轮硬度高，工艺温度低，变形小，故适用于内齿轮和难以磨削的齿轮，常用于含铬、铜、铅等合金元素的渗氮钢，如38CrMoAlA。

4、齿轮锻件调质：调质一般用于中碳钢和中碳合金钢，如45、40Cr、35SiMn 钢等。

调质处理后齿面硬度一般为220～280HBS。

因硬度不高，轮齿锻件精加工可在热处理后进行。

5、齿轮锻件正火：正火能消除内应力，细化晶粒，改善力学性能和切削性能。

机械强度要求不高的齿轮锻件可采用中碳钢正火处理，大直径的齿轮锻件可采用铸钢正火处理。

一般要求的齿轮锻件传动可采用软齿面齿轮。

为了减小胶合的可能性，并使配对的大小齿轮寿命相当，通常使小齿轮齿面硬度比大齿轮齿面硬度高出30-50HBS。

对于高速、重载或重要的齿轮锻件的传动，可采用硬齿面齿轮组合，齿面硬度可大致相同。

大型齿轮轴热处理工艺的优化大型齿轮轴是重要的动力传动和变速零件，其性能很大程度上取决于热处理过程，因此，对热处理工艺要求十分严格。

齿轮轴热处理主要包括长时间高温强渗碳势深层渗碳和空冷至一定温度淬火。

目前大型齿轮轴热处理中容易发生的问题，一是表层渗碳组织不符合工艺要求，比如，由于大型齿轮轴尺寸大，热处理后一些花键齿部分表层贝氏体/珠光体含量高、形成明显网状；另一个问题是齿轮轴在热处理过程中容易发生畸变，严重时渗碳层齿面中部凹陷，呈两头翘起的马鞍型。

由于渗碳齿面为啮合工作面，允许的磨削余量非常小，这就要求热处理后的齿面畸变小而尺寸精确，以确保磨削加工后齿间的啮合精度和渗层深度。

大型齿轮轴热处理装炉量少，生产效率低，故优化热处理工艺、提高热处理质量很有必要。

根据陕西法士特齿轮公司的研究，造成贝氏体/珠光体组织的原因来自于：一、箱式渗碳炉的原料气和密封性。

箱式炉采用电加热，原料气有甲烷、丙酮、氮气、氨气。

原料气中水分、空气含量大时，就会间接的带入大量氧原子促使合金元素内氧化，降低零件的淬透性，生成大量黑色块状贝氏体/珠光体；设备密封性不好也会有大量空气侵入，使贝氏体/珠光体量增多。

二、淬火冷却速率不够。

淬火冷却速率越低，形成的贝氏体/珠光体组织越多。

三、淬火介质。

淬火过程中，由于油品氧化以及搅拌不充分等因素导致蒸汽膜破裂时间增长，加剧了表面贝氏体/珠光体增多的倾向，提高油品的淬透能力能有效抑制表层贝氏体/珠光体形成。

根据上述分析，他们提出以下大型齿轮轴类零件热处理工艺的优化方案：一、采用零件竖放，气孔朝上，使零件深入淬火油中时气孔内气体及时排放，这样就不会形成封闭的气泡以至于降低淬火冷却速率。

二、采用高纯度气体作为原料气，定期保养设备以保证设备有良好的密封性。

三、在保证不产生严重畸变和形成淬火裂纹的前提下尽量采用快速淬火油和增强搅拌(提高电机转数)来提高淬火冷却速率和冷却均匀性。

四、在扩散后期通入氨气，氨气分解可以对渗层补充合金元素氮，减少因合金元素贫化造成淬透性下降而形成的贝氏体/珠光体组织，提高零件的淬透性和淬硬性。

齿轮加工中对锻造及热处理的要求摘要：随着各种机械产品对齿轮零件综合性能及品质要求的不断提高，齿轮热处理技术得到了相应的发展。

所以，了解国内外齿轮热处理工艺的发展动态，分析研究现有的齿轮热处理方法的缺点及改进方法十分重要，对减少齿轮热处理的变形、提高齿轮制造精度、使用性能有着十分重要的意义。

下面就对齿轮加工中的锻造及热处理进行探讨。

关键词：齿轮加工；锻造；热处理1 前言本文主要对齿轮加工热处理技术的应用进行探讨，探讨了齿轮加工中对锻造及热处理要求，希望可供相关从业者参考。

2 齿轮材料与热处理方法概述齿轮因其在众多机械机构中的工作条件不同，对其性能要求也有较大差别。

对高转速、重载荷、需承受冲击及高精度的齿轮，多采用渗碳钢经渗碳、淬火及低温回火热处理工艺，表层金相组织为高碳回火马氏体，硬度高、耐磨性好，芯部为低碳马氏体组织，韧性强、不易发生金属疲劳；渗碳钢20CrMnTi经上述处理后，表面硬度可达58～62HRC，芯部硬度可达30～45HRC。

对于承受中等工况的齿轮，多采用调质钢经调质和高频感应淬火热处理，其齿部抗疲劳性能较好，但耐磨性和硬度比渗碳钢稍弱。

对低转速、轻载荷的齿轮，可使用球墨铸铁材质，采用正火或等温淬火热处理。

淬火工艺的发展对提高齿轮性能起到了重要作用，感应加热表面淬火技术及设备因加热速度极快、生产效率高，变形小，淬硬层深，淬火后齿面表层低脆性、高疲劳强度，工件表面不易氧化脱碳，易于实现自动化控制等诸多优点，目前在我国的齿轮生产中已广泛使用。

3 齿轮加工中对锻造及热处理的要求齿轮类零件是减速机的重要组成部件，其质量的优劣，直接影响减速机的使用寿命和安全生产。

齿轮加工机床出现和使用以后，严重影响和制约齿轮加工质量的瓶颈出现在毛坯锻造工艺和热处理工艺，其中尤以热处理工艺为重。

齿坯锻造环节，由于工艺执行不严格，容易出现内部裂纹，在机械加工过程中不易被发现和检测，往往工件处于成品或半成品时在内应力的作用下由内部裂开造成废品，产生质量事故，此类质量问题时有发生，应严格注意。