齿轮硬度散差问题原因分析及解决方法

文/于帅，姜喜峰，谭潇，莫赞新，徐梓铭·一汽锻造(吉林)有限公司

齿轮是汽车重要机械器件之一，主要失效形式是齿面磨损。齿轮的寿命取决于齿面的加工精度和抗磨损性能。齿轮的硬度散差过大，将造成齿轮加工困难、组织不均、残余应力过大、渗碳淬火变形大。硬度散差直接影响到齿轮的加工精度和齿轮磨损均匀性。本文主要针对齿轮热处理后心部与表层的硬度散差现象，进行了试验、检验和分析，并采用合适的热处理工艺减少齿轮硬度散差，改善金相组织，提高齿轮性能。

试验材料

试验材料牌号为20CrMnTi，化学成分见表1。

表1 主要化学成分/wt%

试验方法

采用工艺参数如图1 所示，正火保温温度为930℃，控温冷却处理时间分别为10min、15min。

图1 热处理试验曲线

控温冷却时间对齿轮组织影响表征

图2 所示为取样位置及经过硬度测试后的试样宏观形貌，硬度测试点分别标记为a、b、c，其中a 点为边缘位置，b 点为近边缘位置，c 点为试样中心位置。

图2 硬度测试点位置分布

图3显示为控温冷却10min的齿轮微观组织结构。可以发现，经过正火和控温冷却处理后的试样均表现为铁素体、珠光体及贝氏体组织，沿着试样边缘至心部，铁素体组织的含量逐渐减少。相比于边缘与近边缘位置的贝氏体组织，试样中心位置的贝氏体呈现比较细的羽毛状组织，从图3a2和图3b2中看出，控温冷却时间对于边缘与近边缘位置的影响程度大体一致，组织表现无明显差别。

图3 控温冷却时间10min 的微观组织形貌

图4 显示为控温冷却时间15min 的齿轮微观组织结构。可以发现，经过正火和控温冷却处理15min 的试样组织也表现为铁素体、珠光体及贝氏体组织，相比于控温冷却时间10min 的试样，贝氏体组织含量明显减少，珠光体含量变化不大，铁素体含量呈现明显增加趋势。沿着试样表层至心部的组织对比如图4(a2、b2、c2)所示，沿着试样表层至心部，贝氏体含量依然呈现增大趋势，铁素体含量减少。如果想避免贝氏体析出，连续冷却速度需要足够小，应小于贝氏体冷却速度，跨过CCT 曲线的贝氏体区，冷却曲线控制在贝氏体转变区的右侧通过。

图4 控温冷却时间15min 的微观组织形貌

控温冷却时间对齿轮硬度的影响

图5所示为控温冷却时间10min试样的硬度分布，可以发现试样表层至心部的硬度逐渐增加，表层硬度为247HBW，近表层硬度为269HBW，与表层硬度相比增加22HBW，但心部硬度达到319HBW，相比试样表层增大了72HBW，表现出严重的硬度散差现象。

图5 控温冷却时间10min 试样的硬度分布

图6 为控温冷却时间15min 试样的硬度分布。通过延长控温冷却时间，试样表层与近表层硬度基本稳定，硬度散差现象不明显，仅有试样心部硬度略高，说明试样各个位置控温转变接近同时发生，且发生在偏差较小的温差范围内，保障了试样心部有足够的转变时间。

图6 控温冷却时间15min 试样的硬度分布

在不同控温冷却时间条件下，对试样表层和心部的组织及对应硬度进行了分析，发现硬度的高低主要受到组织中贝氏体及铁素体含量的影响。当控温冷却时间为10min 时，试样表层与心部组织转变温度条件相差较大，心部珠光体转变不够充分，贝氏体较多，则心部硬度高。当控温冷却时间为15min 时，试样表层及心部组织转变温度条件相差较小，心部珠光体转变较充分，贝氏体较少或消除，因此表层与心部组织相近，硬度较均匀。适当增加控温冷却550 ～650℃区段的保温时间，保证珠光体转变充分，可有效解决20CrMnTi材质齿轮的表层与心部之间硬度散差问题。