CN110216429A

CN110216429A - 一种汽车变速箱齿轮及其制造方法

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Publication number: CN110216429A
Application number: CN201910360284.8A
Authority: CN
Inventors: 张日辉; 孙存辉; 李美云; 朱梁贤
Original assignee: Xinghua Unified Gear Co Ltd
Current assignee: Xinghua Unified Gear Co Ltd
Priority date: 2019-04-30
Filing date: 2019-04-30
Publication date: 2019-09-10

Abstract

本发明提供一种汽车变速箱齿轮及其制造方法，该制造方法包括：毛坯成型，预先热处理，车削加工，最终热处理以及精加工，其中，最终热处理步骤包括多次渗碳、碳氮共渗，淬火以及回火等步骤。本发明的采用上述制造方法制作的汽车变速箱齿轮具有优异的综合性能。

Description

一种汽车变速箱齿轮及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种汽车变速箱齿轮及其制造方法，属于汽车配件技术领域。

背景技术

变速箱主要指的是汽车的变速箱。它分为手动、自动两种，手动变速箱主要由齿轮和轴组成，通过不同的齿轮组合产生变速变矩；而自动变速箱AT是由液力变扭器、行星齿轮和液压操纵系统组成，通过液力传递和齿轮组合的方式来达到变速变矩。然而无论是手动变速箱还是自动变速箱都需要用到变速箱齿轮。

变速箱齿轮经常在高转速、高负荷、转速和负荷不断交变的情况下工作。齿轮除了由于正常磨损外，还会由于润滑油品质、润滑条件不良、驾驶操作不当、维修时齿轮装配相互啃合位置不当等原因，均会造成齿轮冲击，轮齿啃合得不好以及起步抖动等，都会加速齿轮的磨损和损伤。齿轮是依靠本身的结构尺寸和材料强度来承受外载荷的，这就要求材料具有较高强度韧性和耐磨性，心部有足够的强度和冲击韧性。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种汽车变速箱齿轮及其制造方法，采用上述制造方法制作的汽车变速箱齿轮具有优异的综合性能。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明提供一种汽车变速箱齿轮的制造方法，该制造方法包括如下步骤：

S1，毛坯成型：将制造汽车变速箱齿轮的钢材加热至1140℃～ 1210℃，再将钢材放入热锻模具中，锻造成齿轮毛坯，其中该钢材包括以下重量百分比的组分：C为0.25～0.31%；Si为0.15～0.18% ；Mn为0.8～1.1%；Ti为1.1～1.6%；Cr 为1.8～2.5%；Cu为0.4～0.45 %；Ni为0.1～0.25% ；Al为0.02％～0.03％；N为0.01％～0.02％；Mg为0.03～0.045% ；Mo为0.15～0 .35% ；S ≤ 0.02% ；P ≤ 0.03% ；余量为 Fe和不可避免的杂质；

S2，预先热处理：将齿轮毛坯冷却至室温后放入退火炉中进行球化退火，退火温度为660℃～680℃，时间为3～3.5h，然后用强风快速冷却到520℃～545℃，在520℃～545℃回火炉内等温处理，时间为2～3h，然后冷至室温；

S3，车削加工：将退火后的齿轮毛坯取出，安装固定在车床上对其进行车削加工，外形尺寸保留 0.5mm～1.5mm的加工余量；

S4，最终热处理

S41，升温，将齿轮毛坯置于渗碳炉内并加热至800～850℃，保温0.5小时；

S42，第一次渗碳，将渗碳炉内温度升温至850～900℃，并向渗碳炉内通入渗碳剂，控制碳势在0.9～1.05C%，保温1～2h；

S43，第二次渗碳，将渗碳炉内温度升温至910～920℃，控制碳势在1.05～1.1C%，保温3～4h；

S44，第三次渗碳，将渗碳炉内温度降温至900±5℃，控制碳势CP在0.9～0.95C%，保温2～3h；

S45，第四次渗碳，将渗碳炉内温度降温至880±5℃，控制碳势CP在0.75～0.8C%，保温1～2h；

S46，碳氮共渗步骤，降温至850±5℃，并向渗碳炉内通入气体渗氮剂，该气体渗氮剂为氨气，保温时间为1～2h；

S47，淬火：将经过步骤S46的汽车变速箱齿轮在850±5℃出炉，并放入炉中淬火，淬火温度设为860～870℃，保温1～3h 后放置空气中冷却；以及

S48，回火：待汽车变速箱齿轮降温至室温时，再将其放入炉中高温回火，回火温度设为500℃～650℃，保温3～5h 后，将汽车变速箱齿轮取出放置于空气中冷却至室温；以及

S5，精加工：将回火处理后的齿轮固定在数控磨床上，对其进行精密磨削加工。

作为可选的技术方案，该渗碳剂为甲醇、乙烷、丙烷、乙醇、丙醇、醋酸乙酯的任意一种或任意多种的组合。

作为可选的技术方案，该气体渗氮剂的体积分数为 4～10%。

作为可选的技术方案，在S47和S48之间还包括步骤S6，清洗：清洗水温61～69℃，用6％ NaCO3进行清洗20分钟，再清水清洗18分，再抽真空干燥10分钟，出炉冷至低于40℃。

作为可选的技术方案，该钢材包括以下重量百分比的组分：C为0.27% ；Si为0.16%；Mn为0.9%；Ti为1.3%；Cr 为2.2%；Cu为0.42 %；Ni为0.17%；Al为0.025％；N为0 .015％；Mg为0.038% ；Mo为0.24% ；S ≤ 0.02% ；P ≤ 0.03% ；余量为 Fe和不可避免的杂质。

此外,本发明还提供一种汽车变速箱齿轮，该汽车变速箱齿轮采用如上所述的汽车变速箱齿轮的制造方法制作。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

（1）本发明的汽车变速箱齿轮选用低合金渗碳钢，含碳量低使齿轮心部具有良好的韧性；且含有较多的合金元素，确保了渗碳后淬透性，减少齿轮的变形量，具体的，合金元素铬和锰的存在提高了淬透性，心部得到低碳马氏体组织，增强了钢的强度；而铬元素还有促进渗碳、提高渗碳速度的作用；锰具有减弱渗碳时表面含碳量过高的作用；而钛阻止晶粒的长大，提高钢的强度和韧性。

（2）本发明中，采用多渗碳步骤以及碳氮共渗结合，使得渗碳步骤中的渗碳碳势以及温度均低于现有技术，且渗碳碳势以及渗碳温度都随着渗碳阶段的推移而降低，通过降低渗碳温度和渗碳碳势，使得前一阶段渗碳的富碳区的碳逐渐向渗层推移，从而有效的平缓了渗碳层的碳浓度梯度，有效地降低了齿轮表面渗碳层容易出现的大块状、网状碳化物，获得弥散分布的细粒状碳化物，能够有效改善齿轮表面的金相组织，提高了齿轮的齿面硬度和耐磨性，而提高齿轮的使用寿命。而且由于碳氮共渗温度较低，晶粒长大倾向小，淬火后得到含氮马氏体及氮化物的强度、耐磨性较单独渗碳得到的渗碳层要高的多，因此在零件渗碳之后再作碳氮共渗处理，在齿轮表面渗碳层上又获得一层硬度更高的碳氮共渗层，进一步提高其耐磨性、疲劳强度和抗蚀性能，产品的综合性能良好。而且由于碳氮共渗的温度相对渗碳温度低，也相对减少了齿轮的变形量。

（3）另外,本发明采用先预先热处理方式再渗碳处理的工艺，可使得齿轮在后面的渗碳处理中变形小，在保障齿轮内部组织的均匀性，保障齿轮芯部韧性的同时，提高齿轮表面的硬度和耐磨性，增加变速箱齿轮的使用寿命。

具体实施方式

为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。

本发明提供了一种汽车变速箱齿轮的制造方法，该制造方法包括如下步骤：

S1，毛坯成型：将制造汽车变速箱齿轮的钢材加热至1140℃～ 1210℃，再将钢材放入热锻模具中，锻造成齿轮毛坯，其中该钢材包括以下重量百分比的组分：C为0.25～0.31%；Si为0.15～0.18% ；Mn为0.8～1.1%；Ti为1.1～1.6%；Cr为1.8～2.5%；Cu为0.4～0.45 %；Ni为0.1～0.25% ；Al为0.02％～0.03％；N为0.01％～0.02％；Mg为0.03～0.045% ；Mo为0.15～0 .35% ；S ≤ 0.02% ；P ≤ 0.03% ；余量为 Fe和不可避免的杂质；

S4，最终热处理

S45，第四次渗碳，将渗碳炉内温度降温至880±5℃，控制碳势CP在0.75～0.8C%，保温1～2h；以及

S47，淬火：将经过步骤S46的汽车变速箱齿轮在850±5℃出炉，并放入炉中淬火，淬火温度设为860～870℃，保温1～3h 后放置空气中冷却；

其中，上述渗碳剂例如为甲醇、乙烷、丙烷、乙醇、丙醇、醋酸乙酯的任意一种或任意多种的组合。且较佳地，气体渗氮剂的体积分数为 4～10%。

此外，在S47和S48之间还包括步骤S6，清洗：清洗水温61～69℃，用6％ NaCO3进行清洗20分钟，再清水清洗18分，再抽真空干燥10分钟，出炉冷至低于40℃。

本发明还提供一种汽车变速箱齿轮，该汽车变速箱齿轮采用如上所述的汽车变速箱齿轮的制造方法制作。

其中，铬元素具有的体心立方晶胞与铁、铜、碳、镍等合金化，经热处理后形成贝氏体和马氏体组织，直接改善材质的强度性能，从而满足产品齿槽高扭抗要求。较低含C量能保证零件心部具有良好韧性，较高碳含量可保证渗碳淬火后心部强度高。Mn能显著推迟过冷奥氏体的“ 铁素体-珠光体”相变，有效提高淬透性，同时也可固化S，防止提高S含量导致的热脆性，但Mn含量过高反而会导致Mn偏析。通过控制Al、N的含量范围，可确保AlN在高温加热阶段形成大量的弥散质点，短时间内锻造加热温度不高于1250℃时能阻止奥氏体晶粒的粗化，当渗碳温度950℃时多数ALN未溶解，保证了渗碳过程中奥氏体晶粒不发生明显长大，晶粒度变化不超过1级，晶粒细于7级，最大晶粒尺寸不大于60μm。Si作为钢冶炼时脱氧的有效元素，过低Si含量将增加炼钢成本，过高的Si含量会显著增加渗碳齿轮表面非马氏体组织及晶间氧化层深。将Cu含量控制在大于等于0.2%的范围内能够提升表面耐腐蚀性、保证齿轮后续表面化学处理，上述改进使得本钢种能够获得较小的热处理变形能力和较高的可靠性。P易导致韧性恶化，增加钢的冷脆性，作为有害元素控制。S易与Mn结合生成MnS非金属夹杂物，利于提高零件切削加工性能，硫化物夹杂容易过多或形态不好，容易降低力学性能。Ni能有效提升渗层与心部韧性，降低韧-脆转变温度,由于NI合金成本较高，作为钢中残余元素允许存在。Cu能提升钢的强度及韧性，含量高会增加热加工的热脆性，含量低会导致耐腐蚀降低，为保证齿轮后续表面化学处理，作为残余元素控制。另外，本发明的钢材中还加入了Ti，Ti能使得齿轮整体质量轻并且结构强度大，同时具有优良的耐腐蚀性能。Mo能提高材料淬透性及热强性，防止回火脆性，由于Mo合金成本较高，作为钢中残余元素允许存在，但为避免成分偏析及剪切困难，也不可过高。而且Mo、Ti的加入主要是为了细化晶粒，阻止晶粒长大，这些元素在钢中易形成碳化物，不易融入奥氏体中。

因此综合考虑从上述各成分对形成综合性能好的汽车变速箱齿轮的影响，将其成分设定为：C为0.25～0.31%；Si为0.15～0.18% ；Mn为0.8～1.1%；Ti为1.1～1.6%；Cr为 1.8～2.5%；Cu为0.4～0.45 %；Ni为0.1～0.25% ；Al为0.02％～0.03％；N为0.01％～0.02％；Mg为0.03～0.045% ；Mo为0.15～0 .35% ；S ≤ 0.02% ；P ≤ 0.03% ；余量为 Fe和不可避免的杂质。且较佳地，钢材包括以下重量百分比的组分：C为0.27% ；Si为0.16% ；Mn为0.9%；Ti为1.3%；Cr为2.2%；Cu为0.42 %；Ni为0.17%；Al为0.025％；N为0 .015％；Mg为0.038% ；Mo为0.24% ；S ≤ 0.02% ；P ≤ 0.03% ；余量为 Fe和不可避免的杂质。

下面结合具体实施例对本发明进行进一步的说明。

实施例1：

本实施例中，汽车变速箱齿轮采用如下方法制造：

S1，毛坯成型：将制造汽车变速箱齿轮的钢材加热至1140℃～ 1210℃，再将钢材放入热锻模具中，锻造成齿轮毛坯，其中该钢材包括以下重量百分比的组分：C为0.27% ；Si为0.16% ；Mn为0.9%；Ti为1.3%；Cr为2.2%；Cu为0.42 %；Ni为0.17%；Al为0.025％；N为0.015％；Mg为0.038% ；Mo为0.24% ；S ≤ 0.02% ；P ≤ 0.03% ；余量为 Fe和不可避免的杂质；

S2，预先热处理：将齿轮毛坯冷却至室温后放入退火炉中进行球化退火，退火温度为670℃，时间为3h，然后用强风快速冷却到535℃，在535℃回火炉内等温处理，时间为3h，然后冷至室温；

S4，最终热处理

S41，升温，将齿轮毛坯置于渗碳炉内并加热至850℃，保温0.5小时；

S42，第一次渗碳，将渗碳炉内温度升温至900℃，并向渗碳炉内通入渗碳剂，控制碳势在0.9～1.05C%，保温1～2h；

S43，第二次渗碳，将渗碳炉内温度升温至920℃，控制碳势在1.05～1.1C%，保温3～4h；

S47，淬火：将经过步骤S46的汽车变速箱齿轮在850±5℃出炉，并放入炉中淬火，淬火温度设为870℃，保温1～3h 后放置空气中冷却；

S48，回火：待汽车变速箱齿轮降温至室温时，再将其放入炉中高温回火，回火温度设为650℃，保温3～5h 后，将汽车变速箱齿轮取出放置于空气中冷却至室温；以及

经检测，上述制得的汽车变速箱齿轮的主要力学性能为：表面硬度 65HRC，抗拉强度1026MPa，屈服强度961MPa，芯部硬度41HRC。

实施例2：

本实施例中，汽车变速箱齿轮采用如下方法制造：

S1，毛坯成型：将制造汽车变速箱齿轮的钢材加热至1140℃～ 1210℃，再将钢材放入热锻模具中，锻造成齿轮毛坯，其中该钢材包括以下重量百分比的组分：C为0.31%；Si为0.18% ；Mn为1.1%；Ti为1.6%；Cr 为2.5%；Cu为0.4 %；Ni为0.1% ；Al为0.02％％；N为0.01％％；Mg为0.03% ；Mo为0.15% ；S ≤ 0.02% ；P ≤ 0.03% ；余量为 Fe和不可避免的杂质；

S2，预先热处理：将齿轮毛坯冷却至室温后放入退火炉中进行球化退火，退火温度为680℃，时间为3.5h，然后用强风快速冷却到545℃，在545℃回火炉内等温处理，时间为2h，然后冷至室温；

S4，最终热处理

S41，升温，将齿轮毛坯置于渗碳炉内并加热至800℃，保温0.5小时；

S42，第一次渗碳，将渗碳炉内温度升温至850℃，并向渗碳炉内通入渗碳剂，控制碳势在0.9～1.05C%，保温1～2h；

S43，第二次渗碳，将渗碳炉内温度升温至910℃，控制碳势在1.05～1.1C%，保温3～4h；

S47，淬火：将经过步骤S46的汽车变速箱齿轮在850±5℃出炉，并放入炉中淬火，淬火温度设为865℃，保温1～3h 后放置空气中冷却；

S48，回火：待汽车变速箱齿轮降温至室温时，再将其放入炉中高温回火，回火温度设为500℃，保温3～5h 后，将汽车变速箱齿轮取出放置于空气中冷却至室温；以及

经检测，上述制得的汽车变速箱齿轮的主要力学性能为：表面硬度 61.8HRC，抗拉强度997MPa，屈服强度948MPa，芯部硬度43HRC。

实施例3：

S1，毛坯成型：将制造汽车变速箱齿轮的钢材加热至1140℃～ 1210℃，再将钢材放入热锻模具中，锻造成齿轮毛坯，其中该钢材包括以下重量百分比的组分：C为0.25%；Si为0.15% ；Mn为0.8%；Ti为1.1%；Cr 为1.8%；Cu为0.45 %；Ni为0.25% ；Al为0.03％；N为0.02％；Mg为0.045% ；Mo为0 .35% ；S ≤ 0.02% ；P ≤ 0.03% ；余量为 Fe和不可避免的杂质；

S2，预先热处理：将齿轮毛坯冷却至室温后放入退火炉中进行球化退火，退火温度为660℃，时间为3.3h，然后用强风快速冷却到520℃，在520℃回火炉内等温处理，时间为2～3h，然后冷至室温；

S4，最终热处理

S41，升温，将齿轮毛坯置于渗碳炉内并加热至830℃，保温0.5小时；

S42，第一次渗碳，将渗碳炉内温度升温至880℃，并向渗碳炉内通入渗碳剂，控制碳势在0.9～1.05C%，保温1～2h；

S43，第二次渗碳，将渗碳炉内温度升温至915℃，控制碳势在1.05～1.1C%，保温3～4h；

S47，淬火：将经过步骤S46的汽车变速箱齿轮在850±5℃出炉，并放入炉中淬火，淬火温度设为860℃，保温1～3h 后放置空气中冷却；

S48，回火：待汽车变速箱齿轮降温至室温时，再将其放入炉中高温回火，回火温度设为600℃，保温3～5h 后，将汽车变速箱齿轮取出放置于空气中冷却至室温；以及

经检测，上述制得的汽车变速箱齿轮的主要力学性能为：表面硬度 64HRC，抗拉强度989MPa，屈服强度956MPa，芯部硬度41HRC。

上述实施例1-3中制造的汽车变速箱齿轮，对比现有的技术指标（表面硬度51HRC，抗拉强度780MPa，屈服强度764MPa，芯部硬度48HRC），均有显著提升。

而且，从上述也可知，汽车变速箱齿轮的最终综合性能，与其制造方法息息相关，且无论是制备齿轮的钢材、预热处理方式及过程、机械加工技术，还是热处理技术，各环节之间都是相互影响的，从而作为一个整体构成了本发明的完整技术方案。

综上所述，采用本发明的制造方法制作的汽车变速箱齿轮在保障齿轮芯部韧性的同时，能提高齿轮表面的硬度和耐磨性，增加变速箱齿轮的使用寿命。

本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。

Claims

1.一种汽车变速箱齿轮的制造方法，其特征在于，该制造方法包括如下步骤：

S4，最终热处理

2.如权利要求1所述的汽车变速箱齿轮的制造方法，其特征在于，该渗碳剂为甲醇、乙烷、丙烷、乙醇、丙醇、醋酸乙酯的任意一种或任意多种的组合。

3.如权利要求1所述的汽车变速箱齿轮的制造方法，其特征在于，该气体渗氮剂的体积分数为 4～10%。

4.如权利要求1所述的汽车变速箱齿轮的制造方法，其特征在于，在S47和S48之间还包括步骤S6，清洗：清洗水温61～69℃，用6％ NaCO3进行清洗20分钟，再清水清洗18分，再抽真空干燥10分钟，出炉冷至低于40℃。

5.如权利要求1所述的汽车变速箱齿轮的制造方法，其特征在于，该钢材包括以下重量百分比的组分：C为0.27% ；Si为0.16% ；Mn为0.9%；Ti为1.3%；Cr为2.2%；Cu为0.42 %；Ni为0.17%；Al为0.025％；N为0 .015％；Mg为0.038% ；Mo为0.24% ；S ≤ 0.02% ；P ≤ 0.03% ；余量为 Fe和不可避免的杂质。

6.一种汽车变速箱齿轮，其特征在于，该汽车变速箱齿轮采用如权利要求1-5中任意一项所述的汽车变速箱齿轮的制造方法制作。