B.6.1 零件的几何图（主动锥齿轮）
驱动桥主动锥齿轮的实物及零件图如图B.35所示。技术要求：表面硬度58～63HRC，未注表面粗糙度Ra=3.2，齿数17，d2=180mm，分度圆锥角31.16̊，齿宽60mm，材料20CrMoH。
图B.35 驱动桥主动锥齿轮
B.6.2 主动锥齿轮的服役条件分析
主动锥齿轮是汽车驱动桥的主要零件，承受的是交变载荷，齿根部受到弯曲应力的作用；同时，接触啮合的齿面之间有接触疲劳和磨损作用及较大的冲击作用，要求具有高的接触疲劳强度、高的硬度和耐磨性，同时还应当兼顾韧性（芯部屈服强度）的要求，即：主动锥齿轮性能要求包括：
1）耐磨性要好（齿面）。
2）耐疲劳强度高（齿根）。
3）耐点蚀性好（齿面接触部分）。
4）抗弯曲和扭转能力强（轴部）。
5）高的表面硬度与耐磨性（轴颈部位）。
其常见的失效形式有：
1）磨损（要求表面硬度58～63HRC范围内）。
2）表面点蚀。
3）表面皮下点蚀。
4）剥落。
5）齿轮弯曲疲劳折断。
6）冲击载荷造成断齿。
B.6.3 主动锥齿轮的选材及加工路线
常见的锥齿轮材料是20CrMnTi，价格低廉，但热处理后芯部金相组织达不到要求，零件力学性能差。而20CrNi3热处理后芯部组织和零件力学性能都满足要求，但该材料机械切削加工性能差，价格昂贵，同时热处理后变形大，影响传动啮合。20CrMoH恰恰能满足上述工艺性能要求，市场价格合适，适合企业大批生产要求，故采用20CrMoH。确定该锥齿轮的加工流程如图B.36所示。
图B.35 驱动桥主动锥齿轮
B.6.2 主动锥齿轮的服役条件分析
主动锥齿轮是汽车驱动桥的主要零件，承受的是交变载荷，齿根部受到弯曲应力的作用；同时，接触啮合的齿面之间有接触疲劳和磨损作用及较大的冲击作用，要求具有高的接触疲劳强度、高的硬度和耐磨性，同时还应当兼顾韧性（芯部屈服强度）的要求，即：主动锥齿轮性能要求包括：
1）耐磨性要好（齿面）。
2）耐疲劳强度高（齿根）。
3）耐点蚀性好（齿面接触部分）。
4）抗弯曲和扭转能力强（轴部）。
5）高的表面硬度与耐磨性（轴颈部位）。
其常见的失效形式有：
1）磨损（要求表面硬度58～63HRC范围内）。
2）表面点蚀。
3）表面皮下点蚀。
4）剥落。
5）齿轮弯曲疲劳折断。
6）冲击载荷造成断齿。
B.6.3 主动锥齿轮的选材及加工路线
常见的锥齿轮材料是20CrMnTi，价格低廉，但热处理后芯部金相组织达不到要求，零件力学性能差。而20CrNi3热处理后芯部组织和零件力学性能都满足要求，但该材料机械切削加工性能差，价格昂贵，同时热处理后变形大，影响传动啮合。20CrMoH恰恰能满足上述工艺性能要求，市场价格合适，适合企业大批生产要求，故采用20CrMoH。确定该锥齿轮的加工流程如图B.36所示。
图B.36 主动锥齿轮的加工流程
（1）下料 采用直径ϕ120热轧圆钢，使用油压锯床，两端截头，下料长243mm±1mm，重22.10-0.22kg。
（2）锻造 主动锥齿轮锻造工序如下：
1）加热。设备：普通箱式电阻炉；加热温度1150℃。
钢件的预加热温度（始锻温度）通常为铁碳相图固相线（NJE）以下150～250℃。20CrMoH合金结构钢的始锻温度为1150～1200℃，原因有二：
①保证金属有良好的可锻性和较长的成形工作时间，即节约能源又有利于提高生产效率。
②要保证获得合格的锻后组织，防止过热、过烧和魏氏组织的出现，对于20CrMoH，在1150～1200℃时之所以具有良好的可锻性，是由于处于单相γ区（fcc）容易发生塑性变形。
2）制坯。设备：1t自由锻；始锻温度1150℃，终锻温度800℃。始锻温度即1）中加热温度，原因同1）；终锻温度对于20CrMoH合金结构钢，查锻造手册可知终锻温度为800～850℃，（可知锻造区间350℃，有足够制坯时间）。终锻温度过高，会使锻造晶粒粗大，冷却后出现过烧而产生魏氏组织；终锻温度过低，则导致锻造后期加工硬化严重，甚至引起开裂。
3）再加热。设备：普通箱式电阻炉；加热温度1150℃。选择依据同1）中加热原因。
4）模锻。设备：1100t摩擦压力机；始锻温度1150℃，终锻温度800℃。加热温度区间选择依据同1），2）。
5）热切边。设备：500t压力机。
6）清理。设备：砂轮机；清磨裂纹，飞边。
7）检查。目视和量具。按图B.37中所示锻件外形尺寸进行检查。
以上锻造流程中的加工热处理曲线，如图B.38所示。
图B.36 主动锥齿轮的加工流程
（1）下料 采用直径ϕ120热轧圆钢，使用油压锯床，两端截头，下料长243mm±1mm，重22.10-0.22kg。
（2）锻造 主动锥齿轮锻造工序如下：
1）加热。设备：普通箱式电阻炉；加热温度1150℃。
钢件的预加热温度（始锻温度）通常为铁碳相图固相线（NJE）以下150～250℃。20CrMoH合金结构钢的始锻温度为1150～1200℃，原因有二：
①保证金属有良好的可锻性和较长的成形工作时间，即节约能源又有利于提高生产效率。
②要保证获得合格的锻后组织，防止过热、过烧和魏氏组织的出现，对于20CrMoH，在1150～1200℃时之所以具有良好的可锻性，是由于处于单相γ区（fcc）容易发生塑性变形。
2）制坯。设备：1t自由锻；始锻温度1150℃，终锻温度800℃。始锻温度即1）中加热温度，原因同1）；终锻温度对于20CrMoH合金结构钢，查锻造手册可知终锻温度为800～850℃，（可知锻造区间350℃，有足够制坯时间）。终锻温度过高，会使锻造晶粒粗大，冷却后出现过烧而产生魏氏组织；终锻温度过低，则导致锻造后期加工硬化严重，甚至引起开裂。
3）再加热。设备：普通箱式电阻炉；加热温度1150℃。选择依据同1）中加热原因。
4）模锻。设备：1100t摩擦压力机；始锻温度1150℃，终锻温度800℃。加热温度区间选择依据同1），2）。
5）热切边。设备：500t压力机。
6）清理。设备：砂轮机；清磨裂纹，飞边。
7）检查。目视和量具。按图B.37中所示锻件外形尺寸进行检查。
以上锻造流程中的加工热处理曲线，如图B.38所示。
图B.37 主动锥齿轮锻造件图
图B.37 主动锥齿轮锻造件图
图B.38 锻造过程热处理曲线
在锻造后，锻件可能出现的缺陷有：①裂纹；②白点；③网状碳化物，使力学性能降低，甚至报废。可采取以下预防措施：严格遵守加热和冷却规范，提高加热速度，减少保温时间，防止过热、过烧；终锻温度不宜过高，在800℃附近，同样也不可太低，防止冷相变加工硬化严重，产生开裂，通常800℃±10℃。提高锻后冷却速度。
（3）预备热处理 对热模锻后的毛坯采用等温退火热处理，这种热处理工艺加工后的毛坯组织均匀稳定，热处理变形小，硬度168～173HBW，比较适中，为随后的切削加工打下良好的基础。此时采取等温退火还可以减小退火时间，提高生产效率。
技术要求：①等温退火。163～187HBW；②金相组织F+P，晶粒度6～8级；③抛丸处理。
（4）热处理工序
1）等温退火：首尾盘各放置一件样品，其余每12盘放置一件样品。设备：高温炉；加热温度860℃（Ⅰ区），Ⅱ区940℃，Ⅲ区940℃；速冷（空气鼓风）至650℃保温180～220min，再空冷。其中Ⅰ区加热温度860℃，保温1～2h，起预热和使工件温度均匀作用（830～890℃均可）。Ⅱ区、Ⅲ区采用加热温度940℃，是为了使工件处于完全γ化状态，（在Ac3或Accm以上30～50℃，保温时间0.5～2h），对于20CrMoH查阅资料推荐加热温度为920～940℃，其中925℃、940℃最佳，如需要晶粒细化时，可进行再结晶处理。为能满足以后加工和处理要求的性能，应遵循以下规范：以100～110℃/h的速度缓慢加热以防止零件（特别是具有厚的或薄的截面的零件）产生开裂；之后进行迅速冷却，防止出现带状组织；保温之后，一般在650～925℃铁素体区域内的冷却速度应足够快（采取空气鼓风）。冷却至620～640℃后必须保温足够长时间（80～220min），以消除所有应力。最终获得理想的片状铁素体-珠光体组织。
等温退火后可能出现的缺陷：出现带状组织。原因是由于在650～940℃范围内冷却速度缓慢造成的。带来的危害：带状组织具有“横后效应”，会影响伸长率，断面收缩率及冲击韧度等性能。采取措施：进一步提高940℃保温后的冷却速度，防止带状组织的出现。等温退火热处理曲线如图B.39所示。
2）检验。设备：HB—3000硬度计，按指定部位磨掉脱碳层，检验硬度，首尾各检验三件，中检每10盘抽两件，用4×A显微镜检验样品的金相组织及晶粒度。
图B.38 锻造过程热处理曲线
在锻造后，锻件可能出现的缺陷有：①裂纹；②白点；③网状碳化物，使力学性能降低，甚至报废。可采取以下预防措施：严格遵守加热和冷却规范，提高加热速度，减少保温时间，防止过热、过烧；终锻温度不宜过高，在800℃附近，同样也不可太低，防止冷相变加工硬化严重，产生开裂，通常800℃±10℃。提高锻后冷却速度。
（3）预备热处理 对热模锻后的毛坯采用等温退火热处理，这种热处理工艺加工后的毛坯组织均匀稳定，热处理变形小，硬度168～173HBW，比较适中，为随后的切削加工打下良好的基础。此时采取等温退火还可以减小退火时间，提高生产效率。
技术要求：①等温退火。163～187HBW；②金相组织F+P，晶粒度6～8级；③抛丸处理。
（4）热处理工序
1）等温退火：首尾盘各放置一件样品，其余每12盘放置一件样品。设备：高温炉；加热温度860℃（Ⅰ区），Ⅱ区940℃，Ⅲ区940℃；速冷（空气鼓风）至650℃保温180～220min，再空冷。其中Ⅰ区加热温度860℃，保温1～2h，起预热和使工件温度均匀作用（830～890℃均可）。Ⅱ区、Ⅲ区采用加热温度940℃，是为了使工件处于完全γ化状态，（在Ac3或Accm以上30～50℃，保温时间0.5～2h），对于20CrMoH查阅资料推荐加热温度为920～940℃，其中925℃、940℃最佳，如需要晶粒细化时，可进行再结晶处理。为能满足以后加工和处理要求的性能，应遵循以下规范：以100～110℃/h的速度缓慢加热以防止零件（特别是具有厚的或薄的截面的零件）产生开裂；之后进行迅速冷却，防止出现带状组织；保温之后，一般在650～925℃铁素体区域内的冷却速度应足够快（采取空气鼓风）。冷却至620～640℃后必须保温足够长时间（80～220min），以消除所有应力。最终获得理想的片状铁素体-珠光体组织。
等温退火后可能出现的缺陷：出现带状组织。原因是由于在650～940℃范围内冷却速度缓慢造成的。带来的危害：带状组织具有“横后效应”，会影响伸长率，断面收缩率及冲击韧度等性能。采取措施：进一步提高940℃保温后的冷却速度，防止带状组织的出现。等温退火热处理曲线如图B.39所示。
2）检验。设备：HB—3000硬度计，按指定部位磨掉脱碳层，检验硬度，首尾各检验三件，中检每10盘抽两件，用4×A显微镜检验样品的金相组织及晶粒度。
图B.39 等温退火热处理曲线
3）抛丸。设备：转台式清理喷丸机，清除氧化皮。参数：120件/箱，8min/次。或采用28GN—4A抛丸机。
4）清磨：打磨折叠，裂纹等。设备：砂轮机。
（5）机械加工 主动锥齿轮的机加工采用中心孔作为定位基准，以实现基准的统一。主动锥齿轮机加工流程如图B.40所示。
图B.39 等温退火热处理曲线
3）抛丸。设备：转台式清理喷丸机，清除氧化皮。参数：120件/箱，8min/次。或采用28GN—4A抛丸机。
4）清磨：打磨折叠，裂纹等。设备：砂轮机。
（5）机械加工 主动锥齿轮的机加工采用中心孔作为定位基准，以实现基准的统一。主动锥齿轮机加工流程如图B.40所示。
图B.40 主动锥齿轮的机加工流程
1）钻中心孔、粗车：在单件小批生产中钻中心孔工序常在普通车床上进行，大批量生产中常在钻中心孔专用机床上完成车端面、钻中心孔；在普通车床上车削各表面。
2）精车：选用FCL—300数控卧式车床精加工齿坯，一次装夹完成所有的外圆面，端面，外螺纹，锥面等的加工。
3）粗铣齿：用格里森（GLEASON）六轴联动数控铣齿机加工，齿轮M值变动量0.20，齿轮精度达到国标GB 11365-1989的7级要求。
4）精铣齿（凸）：精铣齿的凸面后，要求在检查机上检查啮合时的接触斑点。
5）精铣齿（凹）：精铣齿的凹面后，要求在检查机上检查与大轮啮合时的接触斑点。采用新型六轴联动数控机床以增加机床刚度，提高铣齿精度和效率。
6）倒角：在模棱倒角机上用风动砂轮对齿轮进行倒角加工。
8）钻十字孔。
（6）表面热处理 表面热处理工艺流程如图B.41所示。为防止主动锥齿轮上的外螺纹在随后的表面热处理中硬度增加，应先在此处涂上防渗涂料。脱脂中所用的有关防渗涂料，其主要成分为：聚苯乙烯，甲苯，硼酸粉，氧化铜粉，钛白粉。对其性能要求有：淬火后易脱落，具有良好的热稳定性。金相检验要求无渗层存在，表层组织为托氏体和少量的铁素体。
图B.40 主动锥齿轮的机加工流程
1）钻中心孔、粗车：在单件小批生产中钻中心孔工序常在普通车床上进行，大批量生产中常在钻中心孔专用机床上完成车端面、钻中心孔；在普通车床上车削各表面。
2）精车：选用FCL—300数控卧式车床精加工齿坯，一次装夹完成所有的外圆面，端面，外螺纹，锥面等的加工。(www.xing528.com)
3）粗铣齿：用格里森（GLEASON）六轴联动数控铣齿机加工，齿轮M值变动量0.20，齿轮精度达到国标GB 11365-1989的7级要求。
4）精铣齿（凸）：精铣齿的凸面后，要求在检查机上检查啮合时的接触斑点。
5）精铣齿（凹）：精铣齿的凹面后，要求在检查机上检查与大轮啮合时的接触斑点。采用新型六轴联动数控机床以增加机床刚度，提高铣齿精度和效率。
6）倒角：在模棱倒角机上用风动砂轮对齿轮进行倒角加工。
7）铣花键：在花键轴铣床上用花键滚刀加工。
8）钻十字孔。
（6）表面热处理 表面热处理工艺流程如图B.41所示。为防止主动锥齿轮上的外螺纹在随后的表面热处理中硬度增加，应先在此处涂上防渗涂料。脱脂中所用的有关防渗涂料，其主要成分为：聚苯乙烯，甲苯，硼酸粉，氧化铜粉，钛白粉。对其性能要求有：淬火后易脱落，具有良好的热稳定性。金相检验要求无渗层存在，表层组织为托氏体和少量的铁素体。
图B.41 主动锥齿轮的表面热处理流程
1）脱脂。脱脂所用的设备为脱脂炉；脱脂温度：Ⅰ区420℃，Ⅱ区450℃；保温时间：50～60min。脱脂的作用包括：脱油降脂；形成一层薄的氧化膜，为下一步齿渗碳做准备，即可以促进渗碳。可作为渗碳过程中分级加热的一步，即可起到预热作用，消除因机加工产生的内应力。
2）渗碳处理。由于主动锥齿轮采用低碳合金钢20CrMoH（本质细晶钢），碳含量低，普通热处理后表面硬度较低。作为驱动桥主要零件，主动锥齿轮要求齿轮部分和轴颈部分应具有高的硬度和表面耐磨性，同时芯部要有足够韧性，具有良好的综合力学性能。为了获得高的表面硬度和耐磨性，对于20CrMoH常采用渗碳处理，使表面碳含量上升，以满足性能要求。
渗碳设备采用单/双排可控气氛渗碳炉。炉内气氛选择CH4≥90%的天然气，在高温下CH4分解为CO、H2、CO2等，可以有效地防止工件的氧化。渗碳工艺可分为预热区（I区），透烧区（II区），强渗区（III区），扩散区（IV区）和预冷区（V区）五个部分。渗碳过程的工艺参数包括渗碳不同区的加热温度、碳势和处理时间三大要素。具体渗碳工艺见表B.12。
表B.12 渗碳工艺参数
图B.41 主动锥齿轮的表面热处理流程
1）脱脂。脱脂所用的设备为脱脂炉；脱脂温度：Ⅰ区420℃，Ⅱ区450℃；保温时间：50～60min。脱脂的作用包括：脱油降脂；形成一层薄的氧化膜，为下一步齿渗碳做准备，即可以促进渗碳。可作为渗碳过程中分级加热的一步，即可起到预热作用，消除因机加工产生的内应力。
2）渗碳处理。由于主动锥齿轮采用低碳合金钢20CrMoH（本质细晶钢），碳含量低，普通热处理后表面硬度较低。作为驱动桥主要零件，主动锥齿轮要求齿轮部分和轴颈部分应具有高的硬度和表面耐磨性，同时芯部要有足够韧性，具有良好的综合力学性能。为了获得高的表面硬度和耐磨性，对于20CrMoH常采用渗碳处理，使表面碳含量上升，以满足性能要求。
渗碳设备采用单/双排可控气氛渗碳炉。炉内气氛选择CH4≥90%的天然气，在高温下CH4分解为CO、H2、CO2等，可以有效地防止工件的氧化。渗碳工艺可分为预热区（I区），透烧区（II区），强渗区（III区），扩散区（IV区）和预冷区（V区）五个部分。渗碳过程的工艺参数包括渗碳不同区的加热温度、碳势和处理时间三大要素。具体渗碳工艺见表B.12。
表B.12 渗碳工艺参数
其中：
Ⅰ区：加热温度选用900℃。在脱脂炉对工件进行脱脂和微氧化后，加热速度不宜过快，否则由于外部和芯部温度不均匀，会产生较大的热应力，甚至引起工件开裂。故采用在Ⅰ区先将工件加热至900℃，并对工件进行保温，使工件温度均匀，减小热应力。保温时间为152min（即38min×4）。
Ⅱ区：加热温度930℃。将工件加热至完全奥氏体化温度，并使工件温度均匀。由于奥氏体是面心立方结构，较之体心立方面心立方的八面体间隙大，碳作为间隙原子，更容易渗碳，提高渗速和渗层碳质量分数，为后续强渗阶段做准备。
Ⅲ区：加热温度为940℃，CP值1.15。20CrMoH在940℃处于完全奥氏体化，在碳气氛下进行渗碳。其中强渗区温度不宜过高，以防止奥氏体晶粒粗大，并增加生产成本。渗碳时间根据钢材特性，渗层要求深度、炉型等因素决定，对于20CrMoH渗碳时间38min×5=190min。此外一个重要的参数，即是强渗区的CP值控制。一般情况下，在不出现炭黑和工件表面碳化物级别允许的前提下，在强渗区应具有高碳势，以获得较快的渗速。要求CP的最大值控制在1.15+0.1C%范围内，同时CP值不可太低，以免影响渗层深度以及表面渗层的碳质量分数。
Ⅳ区：加热温度930℃，CP值0.85。加热温度930℃，原因与Ⅱ区加热温度的选择相同，都是在防止奥氏体晶粒粗化的前提下，提高加热温度，使工件处于单奥氏体状态，使渗碳和扩散的进一步进行。提高加热温度另一主要原因是可以提高碳的扩散速度，提高生产效率和产值。扩散期CP值达到0.85，因为此阶段的主要目的是减小渗碳梯度，防止渗碳梯度过陡。该阶段碳势选择的原则是：以工件表层达到设计所需要的碳质量分数0.8%～1.0%为原则，进而确定炉内最佳CP值。相比Ⅲ区，该区CP值有所降低，原因是该阶段的主要目的是以扩散减小碳势梯度，而非强渗阶段，故碳势值和加热温度均稍稍降低。
Ⅴ区：20CrMoH渗碳后采用直接淬火。在渗碳温度下直接淬火，可使芯部和表面同时淬火，所引起的淬火应力最小，从而产生变形也最小。为进一步减小淬火变形，在渗碳之后需降低淬火温度，这也是进行扩散的原因之一。对于20CrMoH的Ac3点在825～830℃附近，故渗碳后预冷温度选择860℃±20℃，保温时间为76min。
渗碳处理后可能出现的缺陷及处理方法：
①齿轮在渗碳处理后有效硬化层深不足。其主要原因是其检测方法不合理。原来一直使用前苏联采用的金相法标准定渗层深度值，此方法只能在渗碳后的退火组织状态下进行，仅是产品质量的中间检验标准，反映的是零件渗碳的深度。而通过硬度法检测所得到的有效硬化层测定值，是零件强渗碳、淬火、回火的最终检验指标，综合反映钢材、设备、工艺等方面的情况。引起有效硬化深度不足的另一主要原因是工艺参数不合理，即碳势值偏低，渗碳时间偏短。
处理方法：为更能反映齿轮的最终质量情况，直接采用硬度法测量主动锥齿轮有效硬化层深，代替采用金相法检测深层深度，即最终热处理完毕后采用硬度法作为最终质量检验标准。
②过渡区硬度梯度过陡。过渡区硬度梯度过陡，是由碳质量分数梯度变化太大，也就是过渡区深度过小，渗碳时强渗时间过长，而扩散时间太短造成的。
处理方法：为增加有效硬化层深度，减缓过渡层硬度变化和提高芯部硬度，对渗碳工艺进行更改，延长强渗时间，扩散时间，合理匹配强渗时间和扩散时间比例。此外后续淬火介质和回火规范对过渡区硬度梯度也有显著影响。
其中：
Ⅰ区：加热温度选用900℃。在脱脂炉对工件进行脱脂和微氧化后，加热速度不宜过快，否则由于外部和芯部温度不均匀，会产生较大的热应力，甚至引起工件开裂。故采用在Ⅰ区先将工件加热至900℃，并对工件进行保温，使工件温度均匀，减小热应力。保温时间为152min（即38min×4）。
Ⅱ区：加热温度930℃。将工件加热至完全奥氏体化温度，并使工件温度均匀。由于奥氏体是面心立方结构，较之体心立方面心立方的八面体间隙大，碳作为间隙原子，更容易渗碳，提高渗速和渗层碳质量分数，为后续强渗阶段做准备。
Ⅲ区：加热温度为940℃，CP值1.15。20CrMoH在940℃处于完全奥氏体化，在碳气氛下进行渗碳。其中强渗区温度不宜过高，以防止奥氏体晶粒粗大，并增加生产成本。渗碳时间根据钢材特性，渗层要求深度、炉型等因素决定，对于20CrMoH渗碳时间38min×5=190min。此外一个重要的参数，即是强渗区的CP值控制。一般情况下，在不出现炭黑和工件表面碳化物级别允许的前提下，在强渗区应具有高碳势，以获得较快的渗速。要求CP的最大值控制在1.15+0.1C%范围内，同时CP值不可太低，以免影响渗层深度以及表面渗层的碳质量分数。
Ⅳ区：加热温度930℃，CP值0.85。加热温度930℃，原因与Ⅱ区加热温度的选择相同，都是在防止奥氏体晶粒粗化的前提下，提高加热温度，使工件处于单奥氏体状态，使渗碳和扩散的进一步进行。提高加热温度另一主要原因是可以提高碳的扩散速度，提高生产效率和产值。扩散期CP值达到0.85，因为此阶段的主要目的是减小渗碳梯度，防止渗碳梯度过陡。该阶段碳势选择的原则是：以工件表层达到设计所需要的碳质量分数0.8%～1.0%为原则，进而确定炉内最佳CP值。相比Ⅲ区，该区CP值有所降低，原因是该阶段的主要目的是以扩散减小碳势梯度，而非强渗阶段，故碳势值和加热温度均稍稍降低。
Ⅴ区：20CrMoH渗碳后采用直接淬火。在渗碳温度下直接淬火，可使芯部和表面同时淬火，所引起的淬火应力最小，从而产生变形也最小。为进一步减小淬火变形，在渗碳之后需降低淬火温度，这也是进行扩散的原因之一。对于20CrMoH的Ac3点在825～830℃附近，故渗碳后预冷温度选择860℃±20℃，保温时间为76min。
渗碳处理后可能出现的缺陷及处理方法：
①齿轮在渗碳处理后有效硬化层深不足。其主要原因是其检测方法不合理。原来一直使用前苏联采用的金相法标准定渗层深度值，此方法只能在渗碳后的退火组织状态下进行，仅是产品质量的中间检验标准，反映的是零件渗碳的深度。而通过硬度法检测所得到的有效硬化层测定值，是零件强渗碳、淬火、回火的最终检验指标，综合反映钢材、设备、工艺等方面的情况。引起有效硬化深度不足的另一主要原因是工艺参数不合理，即碳势值偏低，渗碳时间偏短。
处理方法：为更能反映齿轮的最终质量情况，直接采用硬度法测量主动锥齿轮有效硬化层深，代替采用金相法检测深层深度，即最终热处理完毕后采用硬度法作为最终质量检验标准。
②过渡区硬度梯度过陡。过渡区硬度梯度过陡，是由碳质量分数梯度变化太大，也就是过渡区深度过小，渗碳时强渗时间过长，而扩散时间太短造成的。
处理方法：为增加有效硬化层深度，减缓过渡层硬度变化和提高芯部硬度，对渗碳工艺进行更改，延长强渗时间，扩散时间，合理匹配强渗时间和扩散时间比例。此外后续淬火介质和回火规范对过渡区硬度梯度也有显著影响。
图B.42 冲击值与表面碳含量之间的关系
③表面渗碳层碳含量过高或过低。表面碳含量和冲击值关系可如图B.42所示。由图可知，表面碳含量越高，冲击值越大。然而碳含量过低，表面硬度降低，使用寿命和耐磨性均降低。对于齿轮类零件的表面碳含量，要求ω（c）≥0.6%。当然为使表面冲击值适中，碳含量也不可过高，对于主动锥齿轮，表面碳含量控制在0.8%～1.0%。当出现渗碳层碳含量超标或不足时应对CP值进行调节。若仪表精度不足，也是出现此类现象的主要原因。此外应对碳势控制仪表进行校正，防止指示碳势值和实际炉内碳势值之间存在较大误差，必要时可更换氧探头和显示仪表。
图B.42 冲击值与表面碳含量之间的关系
③表面渗碳层碳含量过高或过低。表面碳含量和冲击值关系可如图B.42所示。由图可知，表面碳含量越高，冲击值越大。然而碳含量过低，表面硬度降低，使用寿命和耐磨性均降低。对于齿轮类零件的表面碳含量，要求ω（c）≥0.6%。当然为使表面冲击值适中，碳含量也不可过高，对于主动锥齿轮，表面碳含量控制在0.8%～1.0%。当出现渗碳层碳含量超标或不足时应对CP值进行调节。若仪表精度不足，也是出现此类现象的主要原因。此外应对碳势控制仪表进行校正，防止指示碳势值和实际炉内碳势值之间存在较大误差，必要时可更换氧探头和显示仪表。
图B.43 冲击值与有效渗碳层深度之间的关系
④渗碳层厚度过厚。当表面碳含量一定，渗碳层深度与冲击值关系如图B.43所示。由图可知有效渗碳层深度越浅，冲击值越高，渗碳层深度越深，冲击值越低。但渗碳层深度偏低时，使用寿命会明显减小。故工件渗碳层深度为1.1～1.4mm（515HBW）。当渗碳层深度过厚时，可以通过降低加热温度、CP值以及缩短强渗和扩散时间来控制。
⑤深层深度不均匀。由于渗碳炉内渗碳气体不均匀，气体流动性变差，或者由于零件堆放过于密集而引起。可增加炉内渗碳气体的流动性，减小工件堆放密度予以解决。
3）淬火。淬火介质：贝多菲亚快速油/高温油；淬火设备：GLEASONNO.537型压淬炉；淬火油温：90℃。保温时间：20～30min。采用压床淬火，此工序由于压床设备价格较高，如果对于温度和碳势控制较准确时，可以不必采用压床淬火，而直接进行油淬。淬火目的：将工件加热至Ac3温度以上（850℃）后用淬火油进行冷却，以获得马氏体相（或贝氏体相），并结合后续回火处理提高工件强度、硬度和耐磨性。淬火质量的好坏直接影响到回火后工件的力学性能。淬火温度一般取Ac3温度以上30～50℃，对于20CrMoH取850℃最佳。20CrMoH采用油淬，是由于20CrMoH中含有Mo、Cr等元素，可以强烈稳定过冷奥氏体；其次，油的沸点比水高，故其进入淬火第三阶段时的温度也相对较高，可使马氏体相变完全在此阶段进行。这使得马氏体相变可以在较缓慢的冷却速度下完成，有利于淬火特性的改善，这种方法特别适合奥氏体稳定性较高的材料淬火；此外，油淬比水淬的冷却速度较慢，可以有效减小淬火变形和淬火应力，淬火开裂倾向也大大减小。淬火油温的选择：淬火剂的淬火能力随温度而改变，从而对淬火变形产生很大的影响。淬火油温过低，芯部的组织转变比较缓慢，因而后来芯部发生转变时，便在表面层产生拉应力；在热油淬火情况下相变，表面层受到压应力。当采用20℃温度下淬火时，淬火变形大大减小，50℃淬火变形次之。在90℃淬火时，对变形的改变则很小，故采用90℃最佳淬火油温。在淬火油中需停留20～30min，其目的是使淬火工件充分淬火。
淬后可能出现的缺陷和处理方法：
①淬火变形量过大。可以通过适当降低预冷温度和提高淬火油温减小温差，进而减小淬火变形量。此外可以通过其他方式减小淬火变形，下面做详细介绍。残余变形：锻造和机械加工造成的残余应力，不经过完全消除就进行热处理，与淬火变形进行叠加，会出现很大的变形量，因此要求锻造后的预备热处理——等温退火要进行充分，在渗碳前的预热过程是很有必要的。热变形：齿轮在进行加热和冷却处理时，由于齿顶和齿圈部分温度变化快慢不一，因膨胀、收缩的时间和数量不同而产生应力，当该应力超过弹性极限时，会产生塑性变形。相变变形：在淬火过程中由奥氏体向马氏体转变，由于晶体结构变化，体积膨胀进而产生相变变形，可采用的措施有：渗碳的前处理。在粗加工后进行调质处理，达到预期的细化和均匀化，同时防止带状铁素体的出现。改善淬火规范。为了避免加热速度过快，温度不均匀，采用多级加热，此外降低淬火温度对减小淬火变形有很好的效果，采用850℃保温1h左右。为了防止淬火过程中花键变形，可装入与花键匹配的齿套，在淬火过程可有效减小淬火变形。
②淬火不足。可能的原因是由于实际淬火温度偏低，淬火油温太高或淬火油特性变差，以及淬火时间不足引起。可采取的措施有：调节温度控制仪表或对温度仪表进行校核，使温度显示准确；检测淬火油的油温，或者必要时更换淬火油，使用其他淬火特性更好的淬火油。此外防渗涂料对淬火油质量及淬火工件淬后质量影响较大，可以通过减少防渗涂料使用，提高淬火油的质量和使用寿命，并可以减少资金成本。
③淬后开裂。这种情况下除改善热处理工艺外，与进料时铸钢件的产品质量有很大关系，如铸件组织不均匀，有砂眼、气孔，或杂质元素含量超标等，可以通过更换铸钢件，提高原材料的质量来加以解决。
④芯部硬度偏低。齿轮芯部硬度低，主要与材料的淬透性，淬火冷却速度不足有关。由于主动锥齿轮的模数大，齿形厚，齿轮芯部冷却条件差，需采用冷却能力更强的淬火油或及时缩短淬火油的使用周期来解决。
4）校直。用百分表检验，并用200t校直机（压力机）进行校直。若工件在校直允许范围内则进行校直，否则作为废件处理。
5）清洗。去除表面淬火油和附着的杂质，为后续进行低温回火做准备。
6）低温回火。对于20CrMoH淬火后低温回火，目的是为了获得回火马氏体，降低淬火应力，以使工件具有高的硬度和耐磨性，工件的韧性和稳定性也可以得到改善。回火温度采用190℃；回火设备为箱式低温回火炉。回火后，可能产生的缺陷和处理方法：
①回火时间不足。工件表面仍存在未回火的马氏体。主动锥齿轮经表面热处理后，其表面组织应为回火马氏体+少量碳化物+残留奥氏体。若回火后工件表层仍存在未回火的马氏体，往往引起表面剥落以及零件使用寿命的缩短。主要原因是在淬火过程中形成的残留奥氏体在随后的回火工序转变成淬火马氏体，因回火时间不足，这部分马氏体未能充分的回火。可采取的措施：延长回火时间，在工件淬火后进行充分的回火。
②表面黑色组织严重超标。主要原因是在气体渗碳过程中氧化，形成了淬火托氏体、淬火贝氏体组织，该组织的出现导致齿轮过早出现疲劳裂纹而引起点蚀和表面剥落等缺陷。可采取的措施有：提高淬火冷却能力。使用淬火冷却能力更强的淬火油，另外在淬火油槽安装螺旋式搅拌设备，对改善工件淬后力学性能有很好的作用；提高炉内的碳势控制精度；适当改善渗碳工艺，采用碳势值更容易控制的渗碳气体；此外提高渗碳气体的纯度，对防止黑色组织出现有很好的作用。
③部分碳化物，残留奥氏体，马氏体超过标准要求。对于主动锥齿轮金相检验后应达到：碳化物≤5级，残留奥氏体≤5级，其具体的预防措施同②中出现黑色组织所采取措施相同。
渗碳处理，淬火及回火的热处理工艺曲线，如图B.44所示。
图B.43 冲击值与有效渗碳层深度之间的关系
④渗碳层厚度过厚。当表面碳含量一定，渗碳层深度与冲击值关系如图B.43所示。由图可知有效渗碳层深度越浅，冲击值越高，渗碳层深度越深，冲击值越低。但渗碳层深度偏低时，使用寿命会明显减小。故工件渗碳层深度为1.1～1.4mm（515HBW）。当渗碳层深度过厚时，可以通过降低加热温度、CP值以及缩短强渗和扩散时间来控制。
⑤深层深度不均匀。由于渗碳炉内渗碳气体不均匀，气体流动性变差，或者由于零件堆放过于密集而引起。可增加炉内渗碳气体的流动性，减小工件堆放密度予以解决。
3）淬火。淬火介质：贝多菲亚快速油/高温油；淬火设备：GLEASONNO.537型压淬炉；淬火油温：90℃。保温时间：20～30min。采用压床淬火，此工序由于压床设备价格较高，如果对于温度和碳势控制较准确时，可以不必采用压床淬火，而直接进行油淬。淬火目的：将工件加热至Ac3温度以上（850℃）后用淬火油进行冷却，以获得马氏体相（或贝氏体相），并结合后续回火处理提高工件强度、硬度和耐磨性。淬火质量的好坏直接影响到回火后工件的力学性能。淬火温度一般取Ac3温度以上30～50℃，对于20CrMoH取850℃最佳。20CrMoH采用油淬，是由于20CrMoH中含有Mo、Cr等元素，可以强烈稳定过冷奥氏体；其次，油的沸点比水高，故其进入淬火第三阶段时的温度也相对较高，可使马氏体相变完全在此阶段进行。这使得马氏体相变可以在较缓慢的冷却速度下完成，有利于淬火特性的改善，这种方法特别适合奥氏体稳定性较高的材料淬火；此外，油淬比水淬的冷却速度较慢，可以有效减小淬火变形和淬火应力，淬火开裂倾向也大大减小。淬火油温的选择：淬火剂的淬火能力随温度而改变，从而对淬火变形产生很大的影响。淬火油温过低，芯部的组织转变比较缓慢，因而后来芯部发生转变时，便在表面层产生拉应力；在热油淬火情况下相变，表面层受到压应力。当采用20℃温度下淬火时，淬火变形大大减小，50℃淬火变形次之。在90℃淬火时，对变形的改变则很小，故采用90℃最佳淬火油温。在淬火油中需停留20～30min，其目的是使淬火工件充分淬火。
淬后可能出现的缺陷和处理方法：
①淬火变形量过大。可以通过适当降低预冷温度和提高淬火油温减小温差，进而减小淬火变形量。此外可以通过其他方式减小淬火变形，下面做详细介绍。残余变形：锻造和机械加工造成的残余应力，不经过完全消除就进行热处理，与淬火变形进行叠加，会出现很大的变形量，因此要求锻造后的预备热处理——等温退火要进行充分，在渗碳前的预热过程是很有必要的。热变形：齿轮在进行加热和冷却处理时，由于齿顶和齿圈部分温度变化快慢不一，因膨胀、收缩的时间和数量不同而产生应力，当该应力超过弹性极限时，会产生塑性变形。相变变形：在淬火过程中由奥氏体向马氏体转变，由于晶体结构变化，体积膨胀进而产生相变变形，可采用的措施有：渗碳的前处理。在粗加工后进行调质处理，达到预期的细化和均匀化，同时防止带状铁素体的出现。改善淬火规范。为了避免加热速度过快，温度不均匀，采用多级加热，此外降低淬火温度对减小淬火变形有很好的效果，采用850℃保温1h左右。为了防止淬火过程中花键变形，可装入与花键匹配的齿套，在淬火过程可有效减小淬火变形。
②淬火不足。可能的原因是由于实际淬火温度偏低，淬火油温太高或淬火油特性变差，以及淬火时间不足引起。可采取的措施有：调节温度控制仪表或对温度仪表进行校核，使温度显示准确；检测淬火油的油温，或者必要时更换淬火油，使用其他淬火特性更好的淬火油。此外防渗涂料对淬火油质量及淬火工件淬后质量影响较大，可以通过减少防渗涂料使用，提高淬火油的质量和使用寿命，并可以减少资金成本。
③淬后开裂。这种情况下除改善热处理工艺外，与进料时铸钢件的产品质量有很大关系，如铸件组织不均匀，有砂眼、气孔，或杂质元素含量超标等，可以通过更换铸钢件，提高原材料的质量来加以解决。
④芯部硬度偏低。齿轮芯部硬度低，主要与材料的淬透性，淬火冷却速度不足有关。由于主动锥齿轮的模数大，齿形厚，齿轮芯部冷却条件差，需采用冷却能力更强的淬火油或及时缩短淬火油的使用周期来解决。
4）校直。用百分表检验，并用200t校直机（压力机）进行校直。若工件在校直允许范围内则进行校直，否则作为废件处理。
5）清洗。去除表面淬火油和附着的杂质，为后续进行低温回火做准备。
6）低温回火。对于20CrMoH淬火后低温回火，目的是为了获得回火马氏体，降低淬火应力，以使工件具有高的硬度和耐磨性，工件的韧性和稳定性也可以得到改善。回火温度采用190℃；回火设备为箱式低温回火炉。回火后，可能产生的缺陷和处理方法：
①回火时间不足。工件表面仍存在未回火的马氏体。主动锥齿轮经表面热处理后，其表面组织应为回火马氏体+少量碳化物+残留奥氏体。若回火后工件表层仍存在未回火的马氏体，往往引起表面剥落以及零件使用寿命的缩短。主要原因是在淬火过程中形成的残留奥氏体在随后的回火工序转变成淬火马氏体，因回火时间不足，这部分马氏体未能充分的回火。可采取的措施：延长回火时间，在工件淬火后进行充分的回火。
②表面黑色组织严重超标。主要原因是在气体渗碳过程中氧化，形成了淬火托氏体、淬火贝氏体组织，该组织的出现导致齿轮过早出现疲劳裂纹而引起点蚀和表面剥落等缺陷。可采取的措施有：提高淬火冷却能力。使用淬火冷却能力更强的淬火油，另外在淬火油槽安装螺旋式搅拌设备，对改善工件淬后力学性能有很好的作用；提高炉内的碳势控制精度；适当改善渗碳工艺，采用碳势值更容易控制的渗碳气体；此外提高渗碳气体的纯度，对防止黑色组织出现有很好的作用。
③部分碳化物，残留奥氏体，马氏体超过标准要求。对于主动锥齿轮金相检验后应达到：碳化物≤5级，残留奥氏体≤5级，其具体的预防措施同②中出现黑色组织所采取措施相同。
渗碳处理，淬火及回火的热处理工艺曲线，如图B.44所示。
图B.44 渗碳淬火及回火工艺
7）喷丸强化。全部淬火回火工件在相同工艺条件下进行强化喷丸，其作用是清除表面氧化皮和杂质，并且使工件表面产生残余压应力，提高硬度和耐磨性。具体强化喷丸工艺参数如下：丸粒种类为铸钢丸；喷丸强度为0.5A；覆盖率为200%～300%；喷丸设备选择强化喷丸机。
8）局部退火。在渗碳过程中，螺纹处即使涂有防渗涂料，但仍会受影响而使硬度增加，因此，应对螺纹进行局部退火以降低其硬度和脆性。局部退火的设备为电磁感应炉；基本工艺参数为：加热温度880℃，然后空冷。加热至880℃可以使螺纹部分完全奥氏体化，并使碳原子固溶；而空冷则可以使得组织均匀，晶粒细化，降低材料的硬度和脆性。
9）检验。通常采用磁力探伤仪检验是否有裂纹、夹层等缺陷。对于无法补救的缺陷，作废品处理。
（7）磨削加工 磨削加工所要达到的技术指标如下：
1）外圆ϕ75mm处表面粗糙度Ra=.8。
2）外圆ϕ60mm处表面粗糙度Ra=0.8。
3）花键底径处表面粗糙度Ra=1.2。
4）花键两侧处表面粗糙度Ra=0.8。
具体的磨削工艺流程如图B.45所示。
图B.44 渗碳淬火及回火工艺
7）喷丸强化。全部淬火回火工件在相同工艺条件下进行强化喷丸，其作用是清除表面氧化皮和杂质，并且使工件表面产生残余压应力，提高硬度和耐磨性。具体强化喷丸工艺参数如下：丸粒种类为铸钢丸；喷丸强度为0.5A；覆盖率为200%～300%；喷丸设备选择强化喷丸机。
8）局部退火。在渗碳过程中，螺纹处即使涂有防渗涂料，但仍会受影响而使硬度增加，因此，应对螺纹进行局部退火以降低其硬度和脆性。局部退火的设备为电磁感应炉；基本工艺参数为：加热温度880℃，然后空冷。加热至880℃可以使螺纹部分完全奥氏体化，并使碳原子固溶；而空冷则可以使得组织均匀，晶粒细化，降低材料的硬度和脆性。
9）检验。通常采用磁力探伤仪检验是否有裂纹、夹层等缺陷。对于无法补救的缺陷，作废品处理。
（7）磨削加工 磨削加工所要达到的技术指标如下：
1）外圆ϕ75mm处表面粗糙度Ra=.8。
2）外圆ϕ60mm处表面粗糙度Ra=0.8。
3）花键底径处表面粗糙度Ra=1.2。
4）花键两侧处表面粗糙度Ra=0.8。
具体的磨削工艺流程如图B.45所示。
图B.45 磨削加工工艺流程
（8）终检 在检查机上与配偶齿轮有隙啮合时，观察接触斑点，以保证侧隙在0.20～0.40范围内。
选用数据啮合检验机，由啮合检验机自动测得齿轮最终啮合状态下安装距修正量ΔA，以保证装配质量。
图B.45 磨削加工工艺流程
（8）终检 在检查机上与配偶齿轮有隙啮合时，观察接触斑点，以保证侧隙在0.20～0.40范围内。
选用数据啮合检验机，由啮合检验机自动测得齿轮最终啮合状态下安装距修正量ΔA，以保证装配质量。
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