汽车发动机齿轮材料的选择及工艺设计

专业课程设计任务书

姓名：班级：材科102

设计题目：汽车发动机齿轮材料的选择及工艺设计

设计内容：

1.根据零件工作原理，服役条件，提出机械性能要求和技术要

求。

2.选材，并分析选材依据。

3、制订零件加工工艺路线，分析各热加工工序的作用。

4、制订热处理工艺卡，画出热处理工艺曲线，对各种热处理工艺

进行分析，并分析所得到的组织，说明组织及性能的检测方法与

使用的仪器设备。

5.分析热处理过程中可能产生的缺陷及补救措施。

6.分析零件在使用过程中可能出现的失效方式及修复措施。

目录

1前言...........................................................3

2汽车发动机齿轮工作条件及性能要求..............................4

2.1汽车发动机齿轮工作条件..........................4

2.2汽车发动机齿轮的机械性能要求及技术要求.......4

2.3汽车发动机齿轮材料的选择及分析.................6

2.3.1汽车发动机齿轮材料的选择...........................6

2.3.2汽车发动机齿轮材料的分析..........................7

3汽车发动机齿轮加工工艺........................................8

3.1汽车发动机齿轮加工工艺流程及各工序作用.......8

3.2汽车发动机齿轮具体热处理工艺及分析.............9

3.2.1锻造................................................9

3.2.3渗碳+淬火.........................................11

3.2.4低温回火...........................................12

3.2.5各热处理工艺后的金相组织分析......................13

3.2.6热处理工艺过程中可能产生的缺陷及处理措施.........15

4汽车发动机齿轮使用过程中可能出现的失效方式及预防措施........17

5心得体会......................................................19

6参考文献......................................................2()

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1刖S

本课程设计了20CrMnTi适用于汽车发动机齿轮的可靠性。汽

车发动机齿轮作为汽车发动机中的重要零部件，其材料是保证其

本身工作性能和可靠性的基础。对发动机齿轮的失效形式分析,

其主要承受交变载荷，冲击载荷，剪切应力和接触应力大等，因

此对齿轮在材料、精度、强度、耐久性和可靠性等方面提出了更

高要求。20CrMnTi合金钢是一种优良的渗碳钢，有高的淬透性,

经渗碳淬火加低温回火后，表面硬度很高，心部强度和塑性，韧

性配合很好。

关键词：发动机齿轮，20CrMnTi,锻造，淬火+低温回火

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2汽车发动机齿轮工作条件及性能要求

2.1汽车发动机齿轮工作条件

发动机和汽车的起动系统、燃油系统、滑油系统、液压系统

等主要附件都是由发动机转子通过齿轮传动装置带动的。在整个

行驶过程中，齿轮传动都必须可靠地工作，以保证发动机和汽车

所有附件的转速、转向和所需功率符合设计要求。随着汽车发动

机性能和可靠性要求的不断提高，齿轮承受的交变载荷和剧烈冲

击载荷在不断增加，所受应力复杂，工况恶劣。因此，要使齿轮

在工作时，从它的失效形式方面的考虑，就必须保证它能在一定

的高温环境中工作。齿轮是机械工业中应用最广泛的重要零件之

-O其主要作用是传递动力，改变运动速度和方向。是主要零件。

其服役条件如下：

齿轮工作时，通过齿面的接触来传递动力。两齿轮在相对运

动过程中，既有滚动，又有滑动。因此，齿轮表面受到很大的接

触疲劳应力和摩擦力的作用。在齿根部位受到很大的弯曲应力作

用；在运转过程中的过载产生振动，承受一定的冲击力或过载；

变速齿轮在换档时，端部受冲击，承受一定冲击力；在一些特殊

环境下，受介质环境的影响而承受其它特殊的力的作用。

2.2汽车发动机齿轮的机械性能要求及技术要求

根据齿轮的受力情况和失效分析可知，齿轮一般都需经过适

当的热处理，以提高承载能力和延长使用寿命，齿轮在热处理后

应满足下列性能要求：

①高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度（抗疲劳点蚀）。

②齿面具有较高的硬度和耐磨性。

③齿轮心部具有足够的强度和韧性。

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④高的淬透性。

20CrMnTi钢属于合金渗碳钢，有高的淬透性，经渗碳淬火

加低温回火后，表面硬度很高，心部强度和韧、塑性配合很好,

切削加工性能良好，当硬度为HB260〜320时，相对切削加工性

为60%〜70机另外，钢退火后硬度低、塑性好。为提高发动机齿

轮的耐磨性，齿轮开齿后需要进行渗碳处理，然后再进行淬火前

低温回火，从而保证齿轮表面具有高硬度、高耐磨性而心部具有

很好的韧性。对20CrMnTi钢的硬度要求齿面硬度：58〜64HRC；

心部硬度：msW8mi时，32〜45HRC；ms>8mm时，29〜45HRC。需

要进行渗碳，渗碳层深度：msW5mm时，0.9〜1.3mm；5mm<ms<

8mm时,1.0〜1.4mm；ms>8mm时,1.2〜1.6mm。（ms一端面模数）

表120CrMnTi钢的技术要求

试样取样位置条钢按GB2975,零件表面

锻件按图样

力学性能

930

obMPa

。o.2MPa685

85%11

5%50

AkuJ88

HB《217HRC28〜45HRC256

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2.3汽车发动机齿轮材料的选择及分析

2.3.1汽车发动机齿轮材料的选择

22CrMnMo>20CrMnMoII和20CrMoH钢由于有着较高淬透性而

用于中型汽车齿轮。此类钢可采用渗碳后直接淬火工艺。由于铭

镒铝钢和铭铝钢中含有铭和铜等形成碳化物的元素，在渗碳过程

中将促使轮齿表面碳含量增加，容易在渗碳层组织中出现大量碳

化物，使渗碳层性能恶化。因此，齿轮采用铭钵轧I钢和铭铝钢渗

碳时，宜采用弱渗碳气氛，以防止形成过量碳化物。22CrMnMo知

20Cr\lnMoll齿轮锻坏正火后在650〜670℃进行高温回火处理，金

相组织为细片状珠光体+少量铁素体，硬度为171〜229HBe

20CrMnH齿轮锻坯最好在连续式等温正火炉中处理，935〜9450c

加热，640〜650c先预冷后等温，可获得均匀的铁素体+珠光体

组织，硬度为156〜207HB。文献指出，20CrMoTi钢冶炼工艺稳定，

淬透性带较窄且易于控制，与20CrMnH钢齿轮比较，具有热处理

畸变小；渗层有良好、稳定的淬透性；金相组织、渗碳淬火后的

表面和心部硬度，均能较好地满足技术要求；疲劳性能好，比较

适合汽车中小模数齿轮。20CrMnTi是典型的中淬透性钢，该钢由

于Cr、Mn多元复合合金化的作用，淬透性好，油淬临界直径为

40mm左右。渗碳后淬火回火具有较高耐磨性和抗弯强度以及高的

强韧性，特别是良好的低温冲击韧性，钢的渗碳工艺性较好，晶

粒长大倾向小，热处理工艺简单，但高温回火时有回火脆性倾向,

渗碳后可直接淬火，变形比较小.

20CrMnTi的热加工和冷加工性能较好，正火后硬度为HB180-

230,相对切削性能好，并可获得光洁的表面。一般可用于制造

截面在30mm以下的承受高速、中速及重载荷以及冲击和摩擦的

重要渗碳零件，如齿轮、齿轮圈、离合器轴、液压马达转子等。

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综合考虑齿轮的服役条件，既保证齿轮的疲劳寿命，又减少齿

轮的热处理畸变，采用20CrMnTi作为本次课设的汽车发动机齿

轮的材料。

2.3.2汽车发动机齿轮材料的分析

表

2SiMnPSCrNiCuTi

20CrMn

Ti的化

学成分

(质量

分

数，%)

C

U.1/〜0.17〜0.80〜ES1.00〜Ww0.04〜

0.230.371.100.0350.0351.300.0300.0300.10

成分分析:

钢的含碳量可保证形成大量的合金碳化物，淬火加热时，一

部分融入奥氏体中，提高其稳定性，同时也使马氏体中的合金元

素含量增加，保证其硬度；而未溶的碳化物则起细化晶粒、提高

韧性的作用.并提高钢的耐磨性。

Cr是20CrMnTi合金钢中主要的合金元素，它使钢的淬透性

大大增加，提高其回火稳定性，并产生二次硬化现象。钛与碳形

成高硬度的碳化物，加热时未溶的碳化物可细化晶粒、提高钢的

耐磨性的作用。

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镒和硅是炼钢过程中必须加入的脱氧剂，用以去除溶于钢液中

的氧。它还把钢液中的氧化铁还原成铁，并形成氧化铳和二氧化

硅。镒除了脱氧作用外，还有除硫作用，即与钢液中的硫结合成

MnS,从而在相当大成度上消除硫在钢中的有害影响。这些反应产

物大部分进入炉渣，小部分残留与钢中，成为非金属夹杂物。脱

氧剂中的镒和硅会有一部分溶于钢液中，冷至室温后即溶于铁

素体中，提高铁素体的强度。硅溶于铁素体中后有很强的固溶强

化作用，显著提高钢的强度和硬度。

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Ti也是20CrMnTi合金钢中的主要

元素。它的存在提高了钢的强度,

而不降低其塑性，改善了钢铁的低

温韧性降低了钢铁的临界冷却速度,

提高铁的淬透性扩大奥氏体区，是

奥氏体化的有效元素，此外其本

身具有一定耐蚀性，对一些还原性

酸类有良好的耐蚀能力。

3汽车发动机齿轮加工工艺

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3.1汽车发动机齿轮加工工艺流程及各工序作用

（1）工艺路线

汽车发动机齿轮的制造工序基本上相同，对于不同的钢种，在其

热处理时有些许差异。一般都采用棒料经锻造一粗车一调质一半

精车一粗磨基准一开齿（包括插齿、刨齿、滚齿、铳齿等）一磨

齿一局部渗碳（渗氮或氧化）一低温回火（渗碳后扩散处理）一淬火

一喷丸一精磨基准一磨齿。

（2）各工序作用

①锻造的作用：通过锻造能消除金属在冶炼过程中产生的铸

态疏松等缺陷，优化微观组织结构，同时由于保存了完整的金属

流线，锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件。

②正火的作用：用于低碳钢，正火后硬度略高于退火，韧性

也较好，可作为切削加工的预处理；用于中碳钢，可代替调质处

理作为最后热处理，也可作为用感应加热方法进行表面淬火前的

预备处理；用于工具钢、轴承钢、渗碳钢等，可以消降或抑制网

状碳化物的形成，从而得到球化退火所需的良好组织；用于铸钢

件，可以细化铸态组织，改善切削加工性能；用于大型锻件，可

作为最后热处理，从而避免淬火时较大的开裂倾向；用于球墨铸

铁，使硬度、强度、耐磨性得到提高，如用于制造汽车、拖拉机、

柴油机的曲轴、连杆等重要零件；过共析钢球化退火前进行一次

正火，可消除网状二次渗碳体，以保证球化退火时渗碳体全部球

粒化。

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③渗碳的作用：是对金属表面处理的一种，采用渗碳的多为

低碳钢或低合金钢，具体方法是将工件置入具有活性渗碳介质中,

加热到900〜950C的单相奥氏体区，保温足够时间后，使渗碳

介质中分解出的活性碳原子渗入钢件表层，从而获得表层高碳，

心部仍保持原有成分。相似的还有低温渗氮处理。这是金属材料

常见的一种热处理工艺，它可以使渗过碳的工件获得很高的硬度,

提高其耐磨程度。

④淬火的作用：获得强度，硬度和塑性，韧性都较好的综合机

械性能。

⑤回火的作用：消除工件淬火时产生的残留应力，防止变形和开

裂；调整工件的硬度、强度、塑性和韧性，达到使用性能要求；

稳定组织与尺寸，保证精度；改善和提高加工性能。

⑥喷丸的作用：是把金属毛坯，一般是铸件或锻件放入密闭的喷

丸室内，金属颗粒（喷丸）在压力空气的作用下，撞击毛坯表面。

其作用是去除毛坯表面氧化皮，消除毛坯内部应力。

3.2汽车发动机齿轮具体热处理工艺及分析

3.2.1锻造

造齿轮的毛坯经过锻造后获得基本的形状。锻造是利用锻压

机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形，已获得具有一定

机械性能、一定形状和尺寸的锻件的加工方法。齿轮的锻造工艺

是用棒料锻经切削加工制成的，其纤维组织弯曲呈放射状，所有

齿部的正应力都平行于纤维组织的方向，力学性能得到很大的提

高。20CrMnTi合金钢的始锻温度为1180C,中锻温度为850

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℃,锻后进行缓慢冷却。接触疲劳试样由棒料，弯曲疲劳试

样从GF齿圈上截取，改锻成齿轮式样毛坯。20CrMnTi合金钢的

终锻温度为850c锻后经880〜920℃正火（空冷）和650〜780c

退火（炉冷）处理。

表3锻造热处理温度

始锻温度终锻温度正火温度退火温度

1180℃850℃880〜920c650〜780C

3.2.2正火

锻坯等温正火是为消除内应力，改善、细化组织，为后续加做准

备，便于切削加工。

①正火温度：正火是将钢加热到Ac3以上30℃〜50℃,保温

足够的时间后出炉在空气中冷却到室温。对于一般的齿轮采用正

火,正火可以减少碳和其他合金元素的成分偏析;使奥氏体晶粒细

化和碳化物的弥散分布，以便在随后的热处理中增加碳化物的溶

解量。由于正火的冷却速度较快,获得细小的片层状渗碳体珠光体,

强度、硬度都较高，力学性能较好。这里选择的正火温度为：加

热920〜950℃。

②冷却方式:空冷，由于正火的冷却速度较快,获得细小

的片层状渗碳体珠光体,强度、硬度都较高，力学性能较好。然而

正火工艺是空冷,对于尺寸较大零件，内外温差大冷却速度不稳定,

在连续冷却时,过冷奥氏体在Al-550c温度范围内分解为珠光体,

在550℃-Ms温度范围内，因转变温度较低转变为贝氏体组织（即

含碳量具有一定过饱和度的铁素体和分散的渗碳体（或碳化物）的

混合物），其特征是过饱和碳的铁素体中分布粒状或长条状的碳化

物。锻造毛坯正火产生的粒状贝氏体引起硬度增高，导致了齿型加

工困难，使刀具早期磨损。对于车辆齿轮或大批量的小型齿轮越来

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越多采用等温正火工艺。这样可以得到很硬的马氏体组织，从而

能够减少变形和开裂。

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③正火得到的组织：珠光体+少量铁素体组织。

④硬度检测：在正常情况下，用IIRS-150洛氏硬度计测得的

硬度值为156〜207HBS。

设备:RJX-75-9

t/h

图120CrMnTi的正火工艺曲线

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3.2.3渗碳+淬火

渗碳：使机械零件获得高的表面硬度，耐磨性和高的接触疲

劳强度和弯曲疲劳强度。

渗碳温度：920〜950C,保温时间按渗碳层深度确定，取t

=6h,渗碳层深度：1.8〜1.9mm

20CrMnTi渗碳采用井式气体渗碳炉渗碳，渗碳气体使用碳

氢化合物有机液体，如煤油、丙酮等直接滴入炉内气体而得，为

提高渗入速度，是表面达到合适的含碳量，将渗入过程分两个过

程进行，即渗入阶段和扩散阶段。

淬火：20CrMnTi经渗碳后直接进行淬火。

齿轮渗碳后可预冷到870〜880℃并保温一段时间，预冷过

程中渗碳层析出二次渗碳体，深层中残余奥氏体量减少，预冷温

度不应过低，以免心部游离铁素体增多，降低心部硬度，预冷应

在炉内进行，并应防止表面脱碳，选择870℃,预冷2h。

淬火介质选择10#机械油，因为20CrMnTi淬透性好，油淬临界

直径DOW40mm油淬后可减少渗碳层中残余奥氏体，提高耐磨性

和接触疲劳强度而心部有较高强度和韧性，淬火表面硬度

HRC58-63,心部HRC33-45o

设备：RQ3-75-9T。

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图220CrMnTi的渗碳工艺由线

3.2.4低温回火

①回火温度：160〜180℃,在这个温度下，齿轮表面不仅硬

而耐磨，同时心部有较好的韧性和塑性。

②冷却方式：空冷。

③回火设备：RJ2-75-6

④回火得到的组织：表层：回火马氏体十K+Ar；芯部：低

C-Mo

⑤硬度检测：在正常情况下，用HRST50洛氏硬度计测得的

硬度值为58〜62HRC。

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图320CrMnTi的低温同火工艺曲线

3.2.5各热处理工艺后的金相组织分析

①20CrMnTi等温正火后金相组织如下所示:

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图4100X图5500X

浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀

组织说明：均匀细小等轴状的珠光体和铁素体组织

20CrMnTi是一种渗碳用钢，渗碳前一般应进行正火处理，以细

化晶粒、改善组织分布，为正常渗碳作好组织准备。

②20CrMnTi（930℃渗碳后淬火、回火处理）金相组织如下图:

图6100X图7400X

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浸蚀方法：蚀硝酸酒精

溶液浸蚀

组织说明：

图6:表面渗碳层

至心部组织分布形貌，回火

温度较低，表面合金高碳马

氏体区较难浸蚀。

图7：齿的节圆

处渗碳层组织，针状及隐针

状马氏体（3〜4级），残余

奥氏体（8级），白色小条状

碳化物（4〜5级）。

图8：齿角处渗

碳层组织，基木与节圆相同,

但碳化物趋网状分布，可评

为7〜8级。

图8400X

3.2.6热处理工艺过程中可能产生的缺陷及处理措施

①渗碳淬火后齿轮的检验项目、内容和要求

检验检验内容及要求

项目

原材用试样检杳化学成分、低倍组织、晶粒度、淬透性、带状组织

质

料

量

毛坯

用试样检查检查布氏硬度，按图样检查。b、。0.2、3、中、Ak

力学

性能

外观用齿轮检查渗碳淬火后100%检查表面氧化、裂纹及碰伤

质量

渗层用试样检查按图样要求，从表面测到HV550深度处为有效硬化层深度，显微

深度检查渗碳总深度时，碳钢为过共析+共析+1/2过渡区；合金钢为过共析+共

析+全部过渡区。过共析+共析层应占总深度为50%〜70%

表面用齿轮检查按图样要求，为HRC58〜62

硬度

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心部用齿轮检杳按图样要求，为HRC33〜45

硬度心部组织为板条马氏体+少量铁素体

组织

表面用试样检查按图样要求，为0.75%〜1.0%

碳浓

度

表层用试样检查按ZB/T04001T988检查，细针马氏体+分散细小碳化物+少量

显微残余奥氏体为佳，按标准图，马氏体和残余奥氏体1〜5

组织

表面不允许有裂纹,100%磁粉探伤,批量件25件可抽查

裂纹

齿部模数/mm缺陷最大尺寸/mm

磁粉W2.50.8

探伤>2.5~81.6

>82,4

畸变用齿轮检查按图样和工艺要求检查

②渗碳齿轮的常见缺陷及防止措施

缺陷

产生原因防止措施

名称

毛坯正火温度偏低或保温时应重新制订正火工艺；检查控温仪表，校准温度，

硬

度

间不足使组织中残留少控制正火冷却速度

偏

高

量硬度较高（HV2250）

的魏氏组织，正火温度

超过钢材晶粒显著长大

的温度

坯

毛

度

硬重新正火，加强冷却

正火冷却过缓

氐

制

带状钢材合金元素和杂质偏更换材料

偏析析，一•般正火难以消除

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层深碳势偏低；温度偏低或渗提高碳势；检查炉温，调整工艺，延长渗碳时间

不足期不足

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渗层碳势过高，渗碳温度偏降低碳势；缩短周期，调整工艺

过深高；渗期过长

渗层炉内各部分温度不均；碳

不均势不均；炉气循环不佳；

工件相互撞碰；齿面有脏

齿轮表面清洗干净：合理设计夹具；防止齿轮相互

物；渗碳时在齿面结焦

碰撞；在齿轮料盘上加导流罩，保证炉内各部温度

均匀：严格控制渗碳剂中不饱和碳氢化合物

共

过炉气碳势过高；强渗和扩降低碳势；调整强渗与扩散期的比例，如果渗层深

析+

散时间的比例选择不当度允许，可返修进行扩散处理

析

共

层

比

例

过

大

1大

总

于

度

深

的3

4

4/)

过

共炉气碳势过低，强渗时提高炉气碳势；增加强渗时间；可在炉气碳势较高

析+

间过短的炉中补渗

共

析

层

比

例

过

小

1小

于

总

深

度

的1

2

)

/2

表

面炉气碳势过高，强渗时

碳

浓

间过长

度

过

高

形

大

成

降低碳势，缩短强渗时间；如果渗层深度允许，可

碳

块

在较低碳势炉中进行扩散处理；适当提高淬火温度；

物

化

进行一次渗层的球化退火

网

表

面碳含量过高；渗后冷却过调整渗碳工艺控制碳含量；从渗碳炉或预冷炉中出

残

留快，碳量析出不够，淬炉的温度不宜过高；降低淬火温度

氏

奥

火温度偏高

过

体

多

表

面炉气碳势过低，炉温偏提高碳势；检查炉温，调整强渗与扩散时间的比例

碳

含

高：扩散时间过长

过

量

低

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表

层

马

氏

体

针淬火温度偏高降低淬火温度

粗

大

表

层升温排气不充分；炉子密从设备和工艺操作上减少空气进入炉内；适当提高

出

现

封性差，漏气，使表层淬火冷却速度；右渗碳最后lOmin左右通入适量氨

非

马

合金元素氧化，淬火冷气

氏

体

却速度低

狐

织

表层渗后出炉温度过高；炉子防止炉子漏气；降低出炉温度；控制淬火时炉内气

脱碳出现严重漏气；淬火时产氛；盐炉淬火脱氧要充分；补渗碳

生氧化

心部淬火温度过低；冷却速度提高淬火温度：加强淬火冷却；采用两次淬火：更

硬度不当，心部游离铁素体换材料

偏低过多：选材不当

畸变淬火温度偏高；冷却方法调整淬火工艺，合理设计夹具，改善冷却条件，改

不当；夹具设计不合理，换钢材

材料诜择不当

4汽车发动机齿轮使用过程中可能出现的失效方

式及预防措施

(1)疲劳断裂

齿轮在交变应力和摩擦力的长期作用下，导致齿轮点面接疲劳断

裂。其产生是由于当齿轮受到弯曲应力超过其持久极限就出现疲

劳破坏而超过材料抗弯强度时，就造成断裂失效；处理措施：直

接更换零件。

(2)表面损伤

点蚀：是闭式齿轮传动中最常见的损坏形式，点蚀进一步发展,

表现为蚀坑至断裂；

硬化层剥落：由于硬化层以下的过渡区金属在高接触应力作用下

产生塑性变形，使表面压应力降低，形成裂纹造成碳化层剥落；

预防措施是适当提高齿面硬度和光洁度，大小齿轮应采取不同钢

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种，低速传动采用粘度大的润滑油，高速转动时，设法降低油温,

并采用活化性润滑油，设计上采取措施提高制造精度和装配质

量。

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（3）磨损失效

摩擦磨损：汽车、拖拉机上变速齿轮属于主载荷齿轮，受力

比较大，摩擦产生热量较大，齿面因软化而造成塑性变形，在齿

轮运转时粘结而后又被撕裂，造成齿面摩擦磨损失效；预防措施

是在相同油膜温度和压力下，保证油的高粘度。避免在低速、重

载、极端温度、相对比较粗糙不规则的表面、供油不足和油粘度

太低的情况下使用。

磨粒磨损：外来质点进入相互啮合的齿面间，使齿面产生机械

擦伤和磨损，比正常磨损的速度来得更快。预防措施是保证润

滑油的清洁度，并且避免外来颗粒的影响。

另外，齿轮除上述失效形式外，还有在换档时，