汽车齿轮的材料选择，热处理7问

齿轮是机械工业中应用最广泛的重要零件之一，主要用于传递动力，改变运动速度和运动方向。齿轮的选材要从齿轮的工作条件、失效形式及其对材料的性能要求等方面综合考虑。

汽车齿轮主要安装在变速器和差速器中。在变速器中，通过齿轮改变发动机、曲轴和主轴齿轮的速比；在差速器中，通过齿轮增加转矩，调节左右轮的转速。发动机的动力均通过齿轮传给主轴，推动汽车运行。所以，汽车齿轮受力较大，受冲击频繁，对其耐磨性、疲劳强度、心部强度以及冲击韧性等的要求比一般机床齿轮高。齿轮工作时的受力情况为：由于传递转矩，齿根承受很大的交变弯曲应力；换档、起动或咬合不均匀时，轮齿承受一定冲击载荷；因加工、安装不当或齿、轴变形等引起的齿面接触不良，以及外来灰尘、金属屑等硬质微粒的侵入都会成为附加载荷而使工作条件恶化。因此齿轮的工作条件和受力情况是较复杂的。

根据齿轮的工作条件，其主要失效形式是疲劳断裂、齿面接触疲劳破坏、齿面磨损以及过载断裂。汽车齿轮的主要失效形式及失效表现见表。

表 汽车齿轮的主要失效形式及失效表现

根据工作条件及失效形式的分析，可以对齿轮材料提出如下性能要求。

① 较高的弯曲疲劳强度，特别是齿根处要有足够的强度。

② 较高的齿面硬度和耐磨性。

③ 较高的心部强度和足够的冲击韧性。

④ 热处理变形小。

在我国应用最多的汽车齿轮用材是合金渗碳钢20Cr和20CrMnTi，经渗碳、淬火和低温回火等热处理强化后使用。渗碳后表面碳含量大大提高，以保证淬火后得到高硬度、高耐磨性和高接触疲劳强度。由于合金元素提高了淬透性，淬火、低温回火后可使心部获得较高的强度和足够的冲击韧性。为了进一步提高齿轮的使用寿命，渗碳、淬火、低温回火后，还可以采用喷丸处理，增大表面压应力，有利于提高齿面和齿根的疲劳强度，并清除氧化皮。

合金渗碳钢齿轮的生产工艺路线一般为:下料→锻造→正火→切削加工→渗碳、淬火及低温回火→喷丸→磨削加工。

1. 真空加热有淬火增碳？在分析真空热处理工件增碳现象时，有两种误解：第一，认为是工件在淬火油中增碳；第二，认为是加热热室的石墨件造成增碳。其实，很多情况下不是这两个原因，而是加热热室的清洁度不高，有大量淬火油在工件进出炉、料筐污染、送料小车进出带入热室，残留在热室冷壁上，加热时形成挥发性还原气氛，对工件增碳。

除了在1050℃高温以上的温度直接入油外。1050℃以下的加热工件油淬火时，稍做预冷入油不会形成明显的增碳现象。 

对加热室的石墨件等对工件的增碳情况，也不能排除，但是完全没有残留淬火的气氛严重。

真空加热淬火的增碳现象更为严重的是来自淬火油污染炉膛的原因，不是人们所说的油中淬火或石墨件的原因！2. 真空热处理（淬火）变形小？在热处理变形中有两个概念：组织变形和形状结构变形。研究所得的结果是：真空热处理比其他炉型热处理获得同样组织和硬度时，变形最小。即：组织变形最小。

对于形状结构变形，真空热处理往往不如其他炉型的热处理变形小，其他炉型的热处理，例如淬火，很容易采用分级、等温、炉外校直等方法来控制变形量，真空淬火由于这些功能的不完善，有时反而会增大。

这两个概念的混淆，给人们的印象是：真空热处理变形小，这是错误或不全面的理解！3.   回火色与温度有关？回火之后钢的表面呈现一种氧化膜的颜色，称为回火色。很多情况下，需要根据回火色判定回火温度。回火色随温度变化，因此可以根据回火色大体判定回火温度。但是回火色还与回火时间有关，通常都以5分钟时间为准。

碳钢不同温度时的回火色，以5分钟为准，表面色泽如下： 淡黄色：200℃；草黄色：220℃；褐  色：240℃；紫  色：260℃；蓝紫色：280℃；深蓝色：290℃；蓝  色：300℃；淡蓝色：320℃；蓝灰色：350℃；灰  色：400℃。

不锈钢的不同温度时的回火色：淡麦黄色：290℃；麦 黄 色：340℃；淡红棕色：390℃；淡 红 色：450℃；淡 蓝 色：530℃；深 蓝 色：600℃。

低合金钢的不同温度时的回火色：淡麦黄色：225℃；麦 黄 色：235℃；淡红棕色：265℃；淡 红 色：280℃；淡 蓝 色：290℃；深 蓝 色：315℃。但是在很多资料中，只是仅仅提到色泽与温度的关系，忽略了时间这个关键前提，同样温度下，随着保温时间的延长，最终的色泽会偏向更高的温度色泽。往往会造成实际温度的误判。

4.模具失效热处理占高比例？国内外关于模具早期失效原因的统计数据：失效原因              日本的统计数据 %      上海地区的统计数据 %模具材料质量不好        7                              17.8模具设计不合理          10                              3.3热处理工艺不妥          44                              52模具加工方法不好        7                               8.9对模具材料性能缺乏认识  5                               ----模具材料下料不当        3                               ----模具材料选择不当        3                               ----模具使用条件不好        7                               11锻造工艺不妥               ----                              7其他方面                      14                              ----

这个数据列表说明的是对以往事故的统计结果，在对未来事故的预测上是不适用的。就是说对明天的某个模具失效的原因判定，不能就此认为模具失效的原因热处理占44～52%。而是要针对性的做分析。这个统计数据误导了不少人，让人们形成了一个思维定势：认为模具失效就是热处理问题。希望大家注意这个问题。5.  我的锻造尺寸合格，热处理质量问题与我锻造无关？锻造工序是为了消除材料缺陷，改善组织形态，提高材料性能。节约机械切削加工量，提高材料利用率。但是当今的锻造者把“消除材料缺陷，改善组织形态”忘的一干二净，仅仅在保证锻造尺寸上“下工夫”，全然不顾提高材料性能方面的要求了。更令人惊叹的是有些材料通过锻造工序，不是提高了材料性能，反而把材料的性能搞坏了。锻造者不分青红皂白地采用锻造余热退火的方法，结果在材料中形成严重的网状碳化物组织。由于材料锻造的加热温度大多远远高于热处理淬火的加热温度，那种“严重的网状碳化物组织”发生组织遗传，给产品质量带来严重后果。6. 我的热处理硬度合格，你的产品早期失效与我热处理无关？热处理不仅要保证合格的硬度值，更要注重工艺选择和工艺过程的控制。过热的淬火回火可以达到要求的硬度；同样，淬火欠热，通过调整回火温度，也可以凑合到要求的硬度范围。这个做法大有人在。有的为了节省用电量，欠热淬火；有的是由于加热炉的极限温度限制，欠热淬火。这样的热处理产品早期失效怎么与热处理无关呢？7.   我委托你热处理时，我的产品是好的，你热处理搞坏了，你热处理负责赔偿？这种说法在处理热处理质量问题时，会经常遇到，听到这个说法之后，热处理人真是哭笑不得。如果你碰到这样的顾客，那问题肯定出在顾客身上，倒不是热处理有问题了！因为顾客对热处理之前的制造质量过程控制根本不了解，没有考虑为热处理创造良好的预处理状态。