作者：金荣植
作者单位：哈尔滨汇隆汽车箱桥有限公司
高级工程师，副总工程师，黑龙江省热处理学会理事，中国热处理协会理事，已在专业杂志上发表论文80余篇，其中有5篇被美国工程索引（Ei）收录，1篇获中国热处理行业协会优秀论文奖，已出版4部热处理著作，获省、市科技成果各一项，获4项发明专利和2项实用新型专利。
本文提纲
汽车齿轮热处理工艺、特点与作用
1.调质
2.表面淬火
3.渗碳与碳氮共渗
4.渗氮与氮碳共渗
先进的汽车齿轮热处理技术与装备
1.先进的齿轮热处理技术
2.先进的齿轮热处理装备
汽车齿轮热处理的发展趋势
目前，我国已成为世界第一汽车制造与销售大国，汽车制造业已成为我国经济不可或缺的支柱产业。汽车齿轮制造与使用量（主机及配件使用）无疑成为世界第一。
汽车主要包括商用车（轻型及中、重型载货汽车）、乘用车（轿车、客车）及工程车等。汽车齿轮主要包括发动机齿轮（如油泵齿轮、曲轴齿轮、传动带齿轮等）、变速器齿轮（如商用车变速器第二与第三挡齿轮、中间轴等）、差速器齿轮（如行星齿轮、半轴齿轮）、驱动桥主从动弧齿锥齿轮、里程表齿轮、车窗玻璃升降机齿条、方向机构内的齿轮、座椅移动的齿轮等。
汽车齿轮作为汽车上关键零件，主要用于传递动力和运动，并通过它们来改变发动机曲轴和主轴齿轮的速比。汽车齿轮主要装配在汽车变速器和差速器中。在变速器中，齿轮可以改变传动比，扩大驱动桥转矩和转速的变化范围，以适应经常变化的行驶条件，同时使发动机在有利的工况下工作。齿轮在差速器中，通过车桥齿轮增加转矩，并调节左右车轮的转速。全部发动机的动力均通过齿轮传递给车轴，推动汽车运动，所以汽车齿轮的受力很大，受冲击频繁，其耐磨性、疲劳强度、冲击韧性等均比机床齿轮要求高。同时由于汽车行驶状况随路况随机变化，因而汽车齿轮的工作状况非常复杂，这就要求汽车齿轮具有良好的内质量。
汽车齿轮热处理工艺、特点与作用
?汽车齿轮的内在质量主要是指齿轮的显微组织、力学性能等指标满足技术要求，同时其他缺陷必须控制在规定的技术范围之内。汽车齿轮内在质量的优劣是决定齿轮质量的关键，其完全取决于热处理质量，是齿轮实现低噪声、高精度，长寿命的关键因素。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.调质
调质是将齿轮等零件淬火后进行高温（~℃）回火的操作。调质处理常用于含碳量0.3%~0.5%（质量分数）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~HBW。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。
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，在现代化汽车行业中得到广泛应用。
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~℃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（如差速器齿轮、驱动桥主从动弧齿锥齿轮、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。
近几年汽车用自动变速器AIT渗碳齿轮的齿面在工作中的实际温度约达℃，远高于正常的回火温度（~℃），这种表面的温度将导致硬度降低，引发点蚀的产生。采用碳氮共渗后喷丸硬化可提高疲劳强度。在碳氮共渗时，随着含氮量的增加ΔHV（硬度降）提高，抗回火性能提高，抗回火温度达到℃。
4.渗氮与氮碳共渗
（1）渗氮。渗氮是向齿轮等零件表面渗入氮原子形成氮化层的化学热处理工艺。渗氮可以提高齿轮表面硬度、耐磨性、疲劳强度及抗蚀能力。渗氮处理温度低，因此齿轮变形小，无需磨削或只需精磨即可。
渗氮齿轮由于渗氮层薄（约0.15~0.70mm），硬化层有剥落的倾向，因此承载能力一般不及渗碳齿轮高，不宜于受冲击载荷或有强烈磨损的场合使用。
日本在汽车变速器齿轮热处理时采用渗氮工艺，德国Clocker-离子公司将离子渗氮应用于汽车齿轮，均提高了齿轮精度和使用寿命。
（2）氮碳共渗。氮碳共渗是以渗氮为主同时渗入碳的化学热处理工艺。氮碳共渗可以显著提高齿轮的耐磨性、抗胶合和抗擦伤能力、耐疲劳性能及耐腐蚀性能。目前，气体氮碳共渗应用于轿车、轻型客车变速器齿轮等零件。
先进的汽车齿轮热处理技术与装备
1.先进的齿轮热处理技术
先进的齿轮热处理技术具有优质、高效、节能、降耗、少（无）污染、低成本的特点，其主要有激光热处理技术、现代感应热处理技术、真空低压渗碳与高压气淬技术、计算机模拟与智能化技术、稀土与BH催渗技术等。
（1）齿轮的激光热处理技术作为一种新型的表面强化技术，克服了传统热处理的缺点，获得了理想的硬度和硬化层分布，耐磨性大幅度提高，使用寿命延长，淬火变形微小，齿轮精度等级不受影响，齿面不需要研磨，可代替渗碳、渗氮等表面化学热处理和感应热处理等传统工艺，生产成本低，生产效率高。
激光淬火技术是利用激光将齿轮等零件表面加热到相变点以上，随着材料自身冷却，奥氏体转变为马氏体，从而使材料表面硬化的表面淬火技术。
激光加热淬火可以获得十分细小的马氏体组织，具有比常规淬火更高的组织缺陷密度，由于冷速极快（~℃/s），碳原子来不及扩散，因此马氏体含碳量较高，残留奥氏体也获得较高的位错密度，使材料具有畸变强化效果，从而显著提高了齿轮表面的耐磨性能，同时硬化层内残留有相当大的压应力，又显著增加了齿轮表面的抗疲劳性能。
齿轮激光淬火与传统热处理的对比如附表所示。
（2）现代化齿轮感应热处理技术。近年来，国内外感应加热技术在提高产品质量、改善设备性能、增加淬火装置的容量、发展淬火机床、提高机械化和自动化程度等方面都有了很大进展。其在汽车、拖拉机、机车、机床等行业将得到广泛应用。
通常齿轮的整个轮廓需要淬火以获得必须的抗麻点、耐磨以及疲劳强度、较小的变形。而这样的淬火轮廓很难通过常规感应淬火方法获得，对此可以采用双频感应淬火、同时双频感应淬火等，能够得到沿齿廓均匀分布的淬硬层。同时，由于加热速度快、时间短，因此节能效果显著。
（欢迎