汽车变速箱齿轮渗碳变形研究

汽车变速箱齿轮渗碳变形研究 汽车变速箱齿轮渗碳变形研究 第31卷第1期 2010年2月 热处理技术与装备 RECHULIJISHUYUZHUANGBEI Vo1.31,No.1 Feb,2010 ? 工艺研究? 汽车变速箱齿轮渗碳变形研究 徐明达,刘晓晶2,潘强荣,逯允龙 (1.齐齐哈尔高等师范专科学校,理工系,黑龙江齐齐哈尔161005; 2.哈尔滨理工大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150040) 摘要:本文用井式渗碳炉,研究了20CrMnTi渗碳钢渗碳淬火的工艺参数,采用理化,量化测试手 段,研究了渗碳淬火工艺参数对20CrMnTi钢齿轮的微观组织,力学性能,显微硬度及残余应力的影 响,测量了残留奥氏体和渗碳浓度分布,确定了最佳的渗碳温度和保温时间等渗碳工艺参数,减低了 生产成本. 关键词:变速箱齿轮;渗碳;变形 中图分类号:TG156.8?文献标识码:B文章编号:1673—4971(2010)01—0036—03 ResearchonCarburizingDistortionofAutomobile TransmissionGearboxGear XUMing.da,LIUXiao-jing2,PANQiang—rong2,LUYun—long2 (1.PhysicsDepartment;QiqiharNormalCollege;QiqihaerHeilongjiang161005,China;2. CollegeofMaterials ScienceandEngineering,HarbinUniversityofScienceandTechnology,HarbinHeilongjiang150040,China) Abstract:Inthispaper,processparametersofcarburizingandquenchingfor20CrMnTicarburizingsteel arestudiedbypitearbufizingfurnace,andtheirinfluenceonmicrostructure,mechanicalproperties,mi— ero— hardnessandresidualstressisresearchedbyphysicsandchemistry,quanfi~testingmethodsfor 20CrMnTisteelgear.Theresidualausteniteandtheconcentrationdistributionaremeasured,thebestcar- burizingtemperatureandholdingtimeetc.carburizingprocessparametersaredetermined,SOastoreduce productioncosts. Keywords:transmissiongearboxgear;carburizing;distortion 为了满足我国交通运输快速发展的需要,近年 来,汽车齿轮的热处理技术也从50,6o年代采用井 式气体渗碳护发展到当前普遍采用计算机控制的连 续式气体渗碳自动线和箱式多用炉及自动生产线, 包括低压(真空)渗碳技术,齿轮渗碳预氧化处理技 术,齿轮淬火控制冷却技术,齿轮锻坯等温正火技术 等.这些技术的采用不仅使齿轮渗碳淬火畸变得到 了有效控制,齿轮加工精度得到提高,使用寿命得到 延长,且满足了齿轮的现代化热处理的大批量生产 需要. 汽车齿轮的寿命主要由两大指标考核,一是齿 轮的接触疲劳强度,二是齿轮的弯曲疲劳强度.前 者主要由渗碳淬火质量决定,后者主要由齿轮材料 决定.本文通过对齿轮渗碳淬火后的变形情况做点 研究,从中找出变形原因,再提出相关的处理对策. 收稿日期:2009一l1一I9 作者简介:徐明达(t978一),男,硕士,主要从事材料成型及质量控制技术研究. 联系电话:0451—86392510;E—mail:hitlif@126.corn 第1期徐明达等:汽车变速箱齿轮渗碳变形研究 1实验材料及 本次实验使用20CrMnTi钢,化学成分如1. 表120CrMnTi钢化学成分(质量分数%) Table1ChemieMeempositionof20CrMnTimeel(tl,%) 钢号CSiMnCrTi 2OCrMnTj0.2O0.181.01.10.08 这种钢是国内使用最普遍的渗碳钢,油淬临界 直径为lO一30砌,经渗碳热处理后具有耐磨的表 面与强韧的心部,并具有较高的低温冲击韧度.钢 在加热时过热敏感性小,渗碳速度快,过渡层均匀, 渗碳后可以降温直接淬火,淬火变形小.此钢可与 20MnVB等钢互相替代.试验设备为气体渗碳炉,回 火炉,数控车床等. 2渗碳工艺的确定 2.1渗碳过程 渗碳是机械制造工业中应用最广泛的一种表面 热处理工艺,是将钢制工件放在含碳介质中加热到 高温,以增加工件表层含碳量的化学热处理工艺. 渗碳过程中包括分解,吸收和扩散三个基本过程. 2.2渗碳温度 渗碳温度对渗碳过程及结果有如下几方面的影 响: (1)影响渗碳速度,提高温度可显着加速扩散过 程,加速渗碳速度,缩短渗碳时间; (2)影响渗碳层的碳浓度,表层含碳量并非越高 越好,一般控制在0.8%一1.1%之间比较理想; (3)温度过高,容易引起钢的晶粒长大,降低韧 性,零件翘曲变形的可能性增加; (4)如果采用渗碳后直接淬火工艺,渗碳温度的 升高容易导致渗层中残余奥氏体量增加及渗碳温度 冷到淬火温度的时间相应延长; 综合考虑了以上各种影响后,多数选择900— 950cC渗碳,以920—930?用得最多(表2). 表2临界温度和推荐渗碳淬火温度 Table2Criticaltemperatureandtherecommendedtemperature ofearburizationandquenching 2.3渗碳保温时间 渗碳时间主要根据渗层深度来确定,但必须同 时考虑到渗碳温度和渗碳介质活性,零件几何形状, 设备及工艺特点的影响.实际的渗层深度,应根据 要求的深度加上渗碳后的磨削余量.渗碳时间与渗 层厚度的关系可表示为: = K(】) 式中,为渗层厚度/mm,.r为渗碳时间/h,K为常 数. 图1表示渗层厚度8与?.r的关系,K表示直线 的斜率,渗碳温度越高,其斜率也越大. 6 K,h- 图1渗层厚度8与,/-的关系 Fig.1Therelationshipbetweenlayerthickness8and 当温度一定时,渗层深度与保温时间存在一定 的关系.当要求的渗层厚度越深,则渗碳保温时间 越长,通常采用渗碳过程中抽样检查的确定. 2.4渗碳深度 合适的渗碳层深度取决于零件的工作条件及心 部材料的强度.高碳渗层的强度高于低碳心部的强 度.当零件受外力时,表面应力最大,并向心部逐渐 减弱.零件渗碳层的深度,应能保证传递到心部的 应力小于心部的强度.因此,零件所受载荷相同时, 心都强度较高的零件,渗层可相应浅一些. 2.5渗碳速度 渗碳速度的快慢直接影响生产成本,是评定渗 碳工艺好坏的指标之一.根据渗碳的数学模型, 20CrMnTi钢的渗碳速度表达式为: S=一0.5248+o.5576+0.4218Cp(2) 式中,s为渗碳速度/mm?h,;?.r为渗碳时间/h;Cp 为渗碳碳势/% 3试件变形特征 3.1变形量分析 工件在热处理过程中,从室温加热到高温,又从 高温冷却到室温,必然要发生组织转变和热涨冷缩 现象,这种变化导致产生应力和出现变形. ? 38?热处理技术与装备第31卷 3.2变形方式分析 (1)内孔,外圆变形 内孔及外圆的渗碳淬火变形体现在形状公差的 椭圆度上,如图2所示. 图2内孔及外圆的变形示意图 Fig.2Thedeformationdiagramofinsideholeandextemaloage 由于大模数齿轮相对外径内孔较大,变形十分 显着,曾经在生产线上发现最大变形竟达0.65mln, 直接造成废品.由于齿形的精加基准为内孔,经精 磨后齿轮内孔的椭圆度得到了修正,但外圆不再精 加工,造成外圆跳动超差. (2)端面变形 端面变形能引起一连串相关线面的异常变形, 对齿轮精度的影响很大.生产线上以前经常遇到变 形量高达0.6nlnl的凸轮轴齿轮,这种情况在平面磨 床上得到有限修正后,必然造成齿厚尺寸短缺超差 问题. (3)齿向变形 齿向变形在渗碳淬火过程中也比较突出,尤其 是斜齿轮,如图3所示. 图3齿向变形示意图 Fig.3Thedeformationdiagramoftoothalignment M7的直齿轮与斜齿轮,其齿向误差的变化普遍 达0.1mm和0.15rain,与滚齿后的齿向精度相比差 距很大. 试验证明,圆柱斜齿轮的变形比圆柱直齿轮大, 螺旋角越大对齿向变形的影响越大.根据普遍的变 化趋势,斜齿轮齿向变化是螺旋角趋于减小. (4)齿形变形 由锻造,冷加工造成的预应力以及高温脱碳,容 易产生金属流动变形,总的趋势是齿形膨胀,尤其齿 根部位更加明显,如图4所示. 图4齿形变形示意图 Fig.4Thedeformationdiagram0ftoothform 4解决齿轮渗碳淬火变形的措施 针对20CrMnTi齿轮渗碳淬火变形的因素,总结 解决方法如下: (a)利用渗碳后等温冷却效果明显,在实际生产 中控制比较困难,但可以用渗碳后吹风冷却,控制风 冷时间,在齿轮表面温度接近450?(奥氏体稳定 区)时停止吹风,抑制变形效果理想; (b)渗碳后进行高温回火处理,目的是使渗碳后 得到的粗大组织转变为均匀的细粒状或点状索氏 体,便于机械加工,并为后续的淬火作组织准备; (c)淬火冷却时,为了减小变形,宜延迟淬火油 的搅拌; (d)选材时选择刚好能淬透的材料或稍过合金 化的材料,渗碳时严格控制工件表面的碳浓度; (e)进行如下工艺:毛坏正火_+机加-+渗碳 一 高温回火一机加(拉键槽)一淬火,回火一机加. 装炉采用平放,薄壁齿轮用铁网层层隔开,薄大盘形 齿轮用垫圈逐个垫平摞起. 5结论 (1)20CrMnTi钢在渗碳过程中受到多方面因素 的影响,主要有渗碳过程,渗碳温度,渗碳保温时间, 渗层深度和渗碳速度等因素,此外,渗碳气体的浓度 对渗碳的质量也是必要因素; (2)20CrMnTi钢在淬火质量受到淬火的温度, 冷却方式,冷却速度等影响; (3)20CrMnTi钢在渗碳热处理后产生变形的原 因与冷却速度,淬火介质,化学成分,装炉方式,淬火 温度,工艺方法及装炉数量等因素有关. (下转第42页) 热处理技术与装备第31卷 可知,低温下钌组元氧化不完全,不能充分地发挥其 析氢电催化活性.当热处理温度升高后,涂层的烧 结性好,氧化完全,涂层活性好,析氢电流效率高,故 极化曲线斜率大.当温度进一步升高时,RuO以颗 粒状析出(如图2(cl,c2)所示).涂层在电解过程 中RuO颗粒在析出气体的冲刷作用下容易脱落,降 低了涂层中活性组元的含量,因此涂层的电催化活 性下降.极化曲线测试结果和涂层表面形貌测试的 结果比较好地吻合.图3中的(f)为纯钛板的阴极 极化曲线,曲线走势平缓,说明其析氢电催化活性较 差.添加钌组元后涂层的极化曲率均有明显的提 高,说明添加钌能有效地提高涂层的析氢电催化活 性. (2)温度对涂层的组织结构和表面形貌有较大 的影响.在350qC热处理时涂层呈层片状,整体较 光滑;450oC时呈现致密的鳞片状,涂层表面析出物 较少;550?时出现结晶状RuO颗粒. (3)对比不同热处理的样品,在相同条件下电解 时,450?热处理的涂层析氢效率最高,电催化活性 最好,这在组织结构和表面形貌上可以获得支持. 参考文献 [1]杜朝军,李金辉,郑盛会.电沉积钼合金及其电催化性 能[J].电镀与涂饰,2004,23(4):8—10. [2]潘文彬,唐电等.钛基Ni—Co—P非晶合金镀层电极 的析氢性能[J].热处理技术与装备,2008,29(3):22 — 24. [3]FachinottiE.,GuerriniE.,TrasattiS..Eleetrocatalytic activationofNiforH2evolutionbyspontaneousdeposition 0fRu[J].ChemicalPhysics,2005(319):192—19. [4]BregolatoM.,TavaresA.C.,TrasattiS..Electroeataly- sisofH2evolutiononRhoxideandRh+Rumixedoxide cathodes[J].AdvancesineleetroehemicalScienceand Engineering,VCH,WHnheim,1992,2:1. [5]张琼,余运龙,张天然.Ru基氧化物涂层钛阴极的电 功能及析氢效应[J].福州大学,2004,32(3): 317—320. [6]FachinottiE.,GuerriniE.,TrasattiS..Electroeatalysis ofH2evolutionbythermallypreparedrutheniumoxide Effectofprecursors:NitrateVS.chloride[J].Journalof EleetmanalyticalChemistry,2OO7(6oo):103—112. [7]BorresenB.,HagenG.,TunoldR..Hydrogenevolution onRuxTil—xO2in0.5NH2SO4【J].Electrocheimiea Acta.2002,47(8):1819—1827. [8]唐电,颜琦,崔雄.氯碱工业[J].关于钛阳极涂 层的组织结构,1994,(8):28—31. [9]唐电,林萱.钛阳极的裂纹形貌,失效形式与寿命 [J].贵金属,1988,9(2):114—120. (上接第38页) 参考文献[3]王红阁,杨师斌.低速重载齿轮渗碳淬火热处理工艺研 [1]柳晓鹏,雷建波.齿轮渗碳淬火变形原因及控制措施 [J].四川兵工.2009,30(5):58—60. [2]彭俊,沈建一.三种汽车渗碳齿轮新材料选材分析 [J].热处理技术与装备.2009,30(2):41—42. 究[J].新技术新工艺.2008,4:91—93. [4]李爱花.齿轮渗碳淬火变形及其改进措施[N].科技创 新导报,2008,29:171.