陕西法士特齿轮有限责任公司 陕西宝鸡 722409
摘要：随着当前社会经济的快速发展，工业行业有了很大的进步，因此对于齿轮等零件的要求也是也来越高。在齿轮等零件的生产中，热处理工艺在一定意义上能够使得其获得良好的强度以及韧性和抗疲劳性，使其在使用当中更加的安全以及可靠，被有效的应用在各个机械工业当中。
关键词：齿轮热处理工艺；齿轮刀具；选择
1 汽车齿轮热处理工艺分析
在一定条件下，合理地选择热处理工艺，改善显微组织，减少变形，防止淬裂，提高力学性能，就可有效地提高齿轮内在质量。汽车齿轮热处理（工艺）包括：一是普通热处理，如退火、正火、淬火、回火、调质；二是表面热处理，其包括表面淬火（如感应淬火、激光淬火等）和化学热处理（如渗碳、碳氮共渗、渗氮、氮碳共渗等）。
1.1调质
调质是将齿轮等零件淬火后进行高温（500〜650℃）回火的操作。调质处理常用于含碳量（质量分数）0.3%〜0.5%的优质碳素钢或合金钢制造的齿轮。
调质可以细化晶粒，并获得均匀、具有一定弥散度、优良力学性能的回火索氏体组织。一般经调质处理后，齿轮硬度可达220〜285HBW。调质齿轮的综合性能优于正火。
调质常用于齿轮的预备热处理（如渗氮、感应淬火前的调质处理）和最终热处理。
1.2表面淬火
表面淬火是将齿轮等零件的表面淬透到一定的深度，而心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火的方法。表面淬火时通过快速加热，使齿轮表面很快达到淬火的温度，在热量来不及穿透齿轮心部时就立即冷却，实现局部淬火。
利用表面加热淬火而得到表面硬化层后，齿轮的心部仍可以保持原来的显微组织和性能不变，从而达到提高疲劳强度和耐磨性并保持心部韧性的优良综合性能，并可以节省能源、减小齿轮淬火变形。
齿轮齿面淬火硬度一般为45〜55HRC。表面淬火齿轮承载能力高，并能够承受冲击载荷。通常表面淬火齿轮的毛坯经正火或调质处理，以便使齿轮心部有一定的强度和韧度。
表面淬火主要有感应淬火、激光淬火与火焰淬火等。与渗碳淬火相比，表面淬火变形小、成本低、效率高。汽车齿轮表面淬火主要采用感应淬火工艺。由于感应加热速度快，几乎没有氧化、脱碳，齿轮变形很小，还易于实现局部加热及自动化生产，热处理成本低。因此，在现代化汽车零部件生产中得到广泛应用。
1.3渗碳与碳氮共渗
（1）渗碳淬火。渗碳淬火是先将齿轮等零件放入渗碳介质中，在880〜950℃下加热、保温，使齿轮表面增碳，然后进行淬火，使表层得到马氏体等的显微组织。渗碳淬火齿轮常用低碳合金钢制造。渗碳淬火的目的是使齿轮等零件在表面获得高强度和耐磨性的同时，心部仍保持有一定的强度以及较高的塑性和韧性。
汽车齿轮常用气体渗碳工艺。渗碳淬火、回火后齿轮表面硬度一般在58〜63HRC。目前，渗碳淬火已经成为重要汽车齿轮（如减速机齿轮、变速器齿轮等）的主导热处理工艺。
（2）碳氮共渗。碳氮共渗是使齿轮等零件表面同时渗入碳及氮的化学热处理工艺。一般碳氮共渗的渗层深度控制在0.2〜0.8mm，应用的范围主要是承受中、低负荷的耐磨零件。与常规渗碳相比，因其表面耐磨性得到很大提高，可获得较高的使用寿命。碳氮共渗常用于汽车变速器齿轮等。
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2 齿轮选材及热处理工艺
汽车齿轮的工作条件比机床齿轮的工作条件差很多，在主传动系统中，齿轮的应力较大，对齿轮的影响很大，所以对齿轮材料的要求很高。由于汽车齿轮的弯曲应力和接触应力较大，对于如此重要的齿轮，需要进行渗碳处理和淬火热处理，使齿轮的耐磨性和耐疲劳性增强。齿轮芯应具有足够的强度和韧性，需要淬透性要求较高的材料，心部硬度应为35 到45HRC 之间。此外，在批量生产时，必须注意材料的力学性能和工艺性能。
选用20CrMnTi 钢具有较高的机械性能，经过淬火和低温回火的热处理后，其表面硬度可达到58~62 HRC，心部硬度可以达到30～45HRC。如果想增加表面应力也应采用喷丸处理，使表面压应力增大。因此渗碳齿轮的工艺路线为: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。
锻造能够是工件齿轮成形，改善组织，使韧性增大；正火能够让组织变得均匀、提高硬度、改善切削加工；“渗碳、淬火+低温回火”能够使齿端面获得耐磨性增强，抗疲劳较大的硬化层，同时使心部获得强韧的低碳回火马氏体、细珠光体或铁素体层；然后在通过喷丸处理使齿面硬度增大到1-3HRC，使表面残余压应力增大，从而提高接触疲劳强度。
3 汽车齿轮热处理后的加工刀具选择
通过热处理之后的汽车齿轮通常都需要实施精加工，以此来确保和图纸的要求相符合，所以选择刀具材料精加工汽车齿轮很重要。采用科学合理的刀具，不但能够确保汽车齿轮零件精加工质量的合格，还能够将工作效率有效提升，以此来降低加工成本。
3.1热后精加工刀具种类
目前，加工热处理后的汽车齿轮的刀具材料有硬质合金刀具，陶瓷刀具和立方氮化硼刀具（或CBN刀具）。根据热处理后的汽车齿轮的硬度选择合适的刀具材料精加工汽车齿轮。
（1）加工热处理后硬度在HRC45以下的汽车齿轮：选择硬质合刀具较合适，由于硬质合金刀具本身刀体的硬度低，适合汽车发动机凸轮轴齿轮等硬度低的齿轮，如加工高硬度汽车齿轮可能出现刀具剧烈磨损或加工不动的现象。
（2）加工热处理后硬度在HRC45以上的汽车齿轮：可同时选择陶瓷刀具和立方氮化硼刀具（CBN刀具），根据其加工质量及经济效益决定选择哪一种刀具。陶瓷刀具具有良好的热化学稳定性，但却不及立方氮化硼刀具的韧性和硬度。在热处理后的硬度低于50HRC以下和小切深小进给情况下精加工汽车齿轮,陶瓷刀具是较好的选择。对于热处理后硬度HRC50以上和存在断续的汽车齿轮，选择立方氮化硼刀具较适合。我国研制的立方氮化硼刀具采用非金属（陶瓷）作为粘合剂，与传统的CBN刀具相比增加了韧性，精加工汽车齿轮时不仅硬度高，耐磨性和抗冲击性强，而且加工精度高，可实现高速切削，不仅提高加工效率，而且降低加工成本。
3.2立方氮化硼刀具牌号及其特点
我国针对精加工汽车齿轮研制出三种非金属粘合剂立方氮化硼刀具，分别是BN-H10牌号立方氮化硼刀片，BN-H20牌号立方氮化硼刀片和BN-S20牌号立方氮化硼刀片。其中BN-H10牌号和BN-H20牌号属于焊接式立方氮化硼刀具，立方氮化硼刀具BN-H10牌号适合连续加工齿轮工况，立方氮化硼刀具BN-H20牌号适合中等断续加工齿轮的工况（齿轮端面有油孔或内孔中有槽），BN-S20牌号属于整体式立方氮化硼刀具，不仅可精加工汽车齿轮，还可加工大型变形齿轮齿面，不仅硬度高，耐磨性和抗冲击性兼具，而且加工大型变形齿轮齿面不崩刀。
结语
齿轮是现代机械传动中的重要组成部分，从国防机械到民用机械，从重工业机械到轻工业机械，齿轮传动在其中都有着无可替代的重要地位。为了最大限度地提高齿轮加工质量，就需要加强对齿轮热处理工艺及热后精加工齿轮刀具的选择的重视。
参考文献
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[3]孙凤池.汽车齿轮制造技术及研究方向[J].汽车工艺与材料,2007,(03):1-3.
论文作者:王鹏
论文发表刊物:《基层建设》2018年第3期
论文发表时间:2018/5/18
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