# Engrenage de transmission automobile : étude de cémentation 20CrMnTi

> Usinage d'engrenages de transmission automobile en acier 20CrMnTi : taillage, cémentation, rectification DIN 5-6 et documentation PPAP conforme IATF 16949.

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## On This Page

  - Paramètres clés
  - Dimensions critiques
- 1. Choix matière : comparaison des aciers de cémentation
- 2. Why 20CrMnTi for This Application
  - Carburizing Depth Control
- 3. Machining Strategy
  - 3.1 The Core Challenge: Heat Treatment Distortion
  - 3.2 Recommended Process Chain
- 4. Contrôles qualité
- 5. Facteurs de coût : où se concentre la dépense
- 6. Erreurs courantes qui réduisent le rendement premier article
- 7. Calendrier de production
  - Matériaux associés · Services associés · Études de cas associées
- Besoin d'un devis pour des engrenages de transmission ?

# Engrenage de transmission automobile : cémentation 20CrMnTi
Cet engrenage hélicoïdal d'arbre d'entrée transmet le couple moteur dans la boîte de vitesses. Il travaille en charge cyclique continue, avec des contraintes de contact répétées sur les flancs de dents et des chocs ponctuels lors des changements de rapport. La matière et la gamme de fabrication visent une surface de dent dure et résistante à l'usure, associée à un noyau tenace capable d'absorber les chocs. Aperçu du projet
### Paramètres clés

|  Élément |  Spécification
|  Application |  Engrenage hélicoïdal d'arbre d'entrée de transmission
|  Matière |  Acier allié 20CrMnTi (GB/T 3077)
|  Module |  2.5
|  Nombre de dents |  32
|  Angle de pression |  20°
|  Largeur de denture |  28 mm
|  Dureté surface dent |  HRC 58–62 (cémenté)
|  Dureté du noyau |  HRC 30–35
|  Volume annuel |  5,000 – 50,000 pièces/an

### Dimensions critiques

|  Caractéristique |  Tolérance
|  Classe qualité engrenage |  DIN 5–6 (ISO 1328)
|  Précision du profil de dent |  ±0.005 mm
|  Précision du pas |  ±0.008 mm
|  Faux-rond (référence alésage) |  ≤ 0.01 mm
|  Diamètre d'alésage (ajustement arbre) |  H7 (+0.021 / 0)
|  Profondeur de couche cémentée |  0.8–1.2 mm
|  Dimensions des cannelures |  Selon spécification client

## 1. Choix matière : comparaison des aciers de cémentation
Les engrenages de transmission exigent une combinaison spécifique de propriétés : une surface de dent dure et résistante à l'usure, et un cœur ductile capable d'absorber les chocs lors des passages de vitesses. La cémentation — diffusion de carbone dans la couche superficielle à haute température, suivie d'une trempe — est l'approche standard. La matière de base détermine l'efficacité de ce procédé et les performances de l'engrenage fini. Quatre aciers alliés courants sont comparés ci-dessous.
|  Matière |  Réponse à la cémentation |  Ténacité du noyau |  Dureté surface après cémentation |  Usinabilité avant traitement |  Indice coût
|  20CrMnTi |  Excellent -- uniform case depth, Ti refines grain |  Good -- adequate for shift shock |  HRC 58–62 |  Good -- comparable to 4140 |  1.0x
|  20CrMo |  Good -- Mo improves hardenability |  Good -- similar core toughness |  HRC 56–60 |  Good |  1.1x
|  40Cr |  Fair -- higher carbon content, risk of retained austenite in case |  Moderate -- through-hardening steel, core can be brittle |  HRC 55–58 |  Good |  0.9x
|  8620H |  Very good -- Ni improves toughness |  Very good -- best core impact resistance here |  HRC 58–62 |  Fair -- slightly tougher to machine |  1.4x
Why 20CrMnTi is the standard for automotive gears in China and Asia: The titanium addition in 20CrMnTi pins grain boundaries during carburizing, preventing excessive grain growth at the 920°C carburizing temperature. This produces a fine-grained case with consistent hardness -- a practical advantage in production. The material is widely available from Chinese steel mills, well-understood by heat treatment shops, and priced competitively. For most passenger-car transmission gears, it provides the right balance of performance and cost.
## 2. Why 20CrMnTi for This Application
20CrMnTi (GB/T 3077) is a low-carbon alloy steel containing approximately 0.17–0.23% C, 0.80–1.10% Cr, 0.80–1.10% Mn, and 0.04–0.10% Ti. It is the de facto standard material for automotive transmission gears manufactured in China and much of Asia. The rough Western equivalent is 20MnCr5 (DIN EN 10084), though the titanium addition in 20CrMnTi gives it distinct grain-refining behavior during high-temperature carburizing.
|  Propriété |  Valeur |  Impact conception
|  Density |  7.85 g/cm³ |  Standard steel density
|  Tensile Strength (pre-heat-treat) |  800–1100 MPa |  Adequate for handling and fixturing before carburizing
|  Surface Hardness (post-carburize) |  HRC 58–62 |  Resists tooth flank wear and pitting under Hertzian contact stress
|  Core Hardness (post-carburize) |  HRC 30–35 |  Absorbs impact loads during gear shifts without cracking
|  Effective Case Depth |  0.8–1.2 mm |  Sufficient for module 2.5 gear tooth loading
|  Carburizing Temperature |  920 °C |  Standard temperature for this material
|  Grain Size (post-carburize) |  6–8 (ASTM) |  Ti addition prevents grain coarsening at temperature

### Carburizing Depth Control
La profondeur de la couche cémentée doit être adaptée à la charge appliquée. Pour un engrenage de module 2.5, la contrainte de contact maximale de Hertz se situe à environ 0.5–0.7 mm de la surface de la dent. Une couche de 0.8–1.2 mm apporte un soutien suffisant sous cette zone de contraintes tout en gardant un gradient de transition maîtrisable. Si la couche est trop mince par rapport à la charge appliquée, les contraintes de cisaillement en subsurface peuvent provoquer un écaillage — des morceaux de la couche trempée qui s'effritent sous charge. Si la couche est trop profonde, la zone de transition se rapproche du cœur et le matériau devient plus fragile dans son ensemble. Pourquoi pas les aciers trempés à cœur ? Les aciers à trempe traversante comme le 40Cr ou le 45# atteignent une dureté uniforme dans toute la section. La surface de dent est certes assez dure, mais le cœur est tout aussi fragile. Sous les chocs qui se produisent lors des passages de vitesses, un engrenage trempé à cœur est plus sujet à la rupture de dent — la fissure s'amorce dans le congé de pied de dent et se propage dans le cœur fragile. Les engrenages cémentés conservent un cœur tenace qui arrête la propagation des fissures. C'est la raison fondamentale pour laquelle la cémentation est préférée pour les engrenages de transmission.
## 3. Machining Strategy

### 3.1 The Core Challenge: Heat Treatment Distortion
Every thermal operation -- carburizing at 920°C, oil quenching, tempering -- introduces dimensional change. Gears grow, warp, and distort. The amount of distortion depends on geometry (thin-walled gears distort more than solid blanks), fixturing during heat treatment, and quench severity. The key insight is that you cannot prevent distortion entirely -- you must plan for it by leaving grinding stock after rough machining.
### 3.2 Recommended Process Chain
1- Blank preparation: Forged or hot-rolled 20CrMnTi bar stock, turned to blank diameter on a CNC lathe. Bore is rough-machined to leave stock for finish grinding. Face surfaces are also left with grinding allowance.
1- Gear hobbing (rough): Cut gear teeth using a CNC gear hobbing machine. This is the roughing operation -- leave 0.15–0.20 mm per flank as grinding stock. Tooth profile at this stage is DIN 7–8, intentionally loose to allow for post-heat-treat correction.
1- Cémentation et trempe : 920 °C pendant 6–8 heures (four à atmosphère contrôlée avec suivi du potentiel carbone), trempe à l'huile pour durcir la couche, revenu à 180 °C pendant 2 heures pour détendre les contraintes de trempe et réduire l'austénite résiduelle. Les pièces sont posées sur des plaques de sole dédiées ou suspendues verticalement pour minimiser le voilage.
1- Gear grinding (finish): The most critical and expensive operation. CNC gear grinding machine removes the 0.15–0.20 mm per flank to final DIN 5–6 profile accuracy. Generating grinding (continuous) or form grinding (single-index) depending on gear geometry and volume. This operation corrects the heat treatment distortion and achieves the final tooth geometry.
1- Spline broaching: Internal or external splines for shaft connection are broached after heat treatment. Broaching is preferred because the hardened case is too hard for conventional cutting tools. If splines are internal, they may be broached before carburizing if the spline walls are thin enough to carburize through.
1- Deburring: Remove all burrs from tooth edges, bore edges, and spline features. Vibratory finishing or manual deburring. Burrs left on tooth flanks become stress concentrators under load and initiate pitting.
1- Inspection finale : machine de mesure d'engrenages pour profil, pas et faux-rond. Contrôle de dureté, examen métallographique et mesure MMT dimensionnelle. Inspection premier article selon les exigences PPAP.
Distortion is predictable, not random. For a given gear geometry and fixturing method, the distortion pattern is consistent from batch to batch. Experienced shops track distortion data across batches and compensate the hobbing cutter geometry accordingly. If a particular gear consistently shows 0.03 mm of bore shrinkage after carburizing, the pre-heat-treat bore is machined 0.03 mm oversize. This compensation approach reduces grinding time and improves process capability.
## 4. Contrôles qualité

|  Test |  Method |  Criteria |  Frequency
|  Gear profile (tooth form) |  Gear measuring machine (CNC) |  ISO 1328 Grade 5–6: profile error fα ≤ 6–8 μm, helix error fβ ≤ 5–7 μm |  Premier article + 2 pièces/poste
|  Pitch error |  Gear measuring machine |  ISO 1328 Grade 5–6: cumulative pitch Fp ≤ 20–28 μm |  Premier article + 2 pièces/poste
|  Runout |  Gear measuring machine |  ≤ 0.01 mm (radial runout, bore reference) |  Premier article + 2 pièces/poste
|  Surface hardness (HRC) |  Rockwell hardness tester |  HRC 58–62 on tooth flank |  Per heat treat batch (3 pcs)
|  Case depth (metallographic) |  Cross-section, microhardness traverse |  Effective case depth 0.8–1.2 mm (HV 550 cutoff) |  Per heat treat batch (1 pc destructive)
|  Core hardness |  Rockwell hardness tester |  HRC 30–35 (at mid-tooth or core location) |  Per heat treat batch (3 pcs)
|  Noise test |  Gear rolling tester (single flank) |  Transmission error within spec, no abnormal gear whine |  Premier article + périodique
|  Dimensional (CMM) |  Coordinate measuring machine |  All critical dimensions per drawing |  Premier article + 5 pièces/poste
Inspection premier article selon PPAP : pour une production conforme IATF 16949, le rapport premier article doit inclure les données complètes de métrologie d'engrenage (profil, hélice, pas, faux-rond), la validation de dureté (surface et noyau), la métallographie de profondeur de couche et les données MMT. Les résultats sont documentés dans le PSW du dossier PPAP. Le client demande généralement un contrôle complet sur 3–5 pièces consécutives avant validation production.
## 5. Facteurs de coût : où se concentre la dépense

|  Cost Driver |  % of Unit Cost |  Notes
|  Raw material (20CrMnTi forging/bar) |  10–15% |  Forged blanks preferred for gear blanks -- better grain flow and less machining stock than bar stock. Material cost is moderate; 20CrMnTi is a standard grade widely produced in China.
|  Gear hobbing (rough) |  15–20% |  CNC gear hobbing machine with carbide hobs. Cycle time depends on module, number of teeth, and face width. For module 2.5 / 32 teeth / 28 mm face width, expect 3–5 minutes per part.
|  Heat treatment (carburizing + quench + temper) |  15–20% |  Controlled atmosphere furnace with carbon potential monitoring. Oil quench. 6–8 hour cycle at 920 °C. Batch process -- cost per part drops with batch size.
|  Gear grinding (finish) |  20–25% |  The most expensive single operation. CNC gear grinding machine removes 0.15–0.20 mm per flank. Cycle time 8–15 minutes per part depending on gear size and required accuracy. Grinding wheel wear and dressing add to cost.
|  Spline broaching |  5–8% |  Broach tool is a significant upfront cost ($2,000–8,000) but per-part cost is low. Amortized over production volume.
|  Inspection and metrology |  10–15% |  Le temps machine de mesure d'engrenages est le coût principal. L'inspection premier article exige une documentation complète. Le SPC en série impose des contrôles périodiques de métrologie d'engrenage.
|  Tooling and gauges |  5–10% |  Hob cutters, grinding wheels, broach tools, inspection gauges. Hob cost $800–2,000, grinding wheels $200–500. Spread over production volume.
Ce qui pilote le coût : la rectification d'engrenages est l'opération unitaire la plus coûteuse, représentant généralement 20–25% du coût unitaire. Le temps de rectification est directement lié à la quantité de matière à enlever et à la précision requise. Des tolérances plus serrées (DIN 5 contre DIN 6) augmentent le temps de rectification de 30–50%. Le principal levier de réduction des coûts est la maîtrise de la déformation de traitement thermique — moins de déformation signifie moins de matière de rectification, donc des cycles de rectification plus courts. L'investissement en gabarits et en maîtrise de procédé en amont se rentabilise par une réduction du coût de rectification en aval.
## 6. Erreurs courantes qui réduisent le rendement premier article
1. Surépaisseur de rectification insuffisante après traitement thermique. Si la surépaisseur de rectification (0.15–0.20 mm par flanc) est inférieure à la déformation réelle provoquée par la cémentation et la trempe, la rectification ne peut pas rattraper le profil de dent jusqu'à la précision DIN 5–6 requise. Il en résulte une pièce qui passe les contrôles dimensionnels localement mais présente des zones où la couche cémentée a été entièrement percée par la meule, exposant le cœur plus tendre. Suivez les données de déformation dès le premier lot et ajustez la surépaisseur de rectification en conséquence. Pour une nouvelle géométrie d'engrenage, démarrez à 0.20 mm par flanc et réduisez une fois le profil de déformation compris. 2. Profondeur de cémentation erronée. Trop mince (moins de 0.8 mm pour un module 2.5) et la couche ne peut pas supporter la contrainte de contact de Hertz — la fissuration en subsurface conduit à l'écaillage sous charge. Trop profonde (plus de 1.2 mm) et la zone de transition se déplace vers l'intérieur, rendant la dent plus fragile et réduisant sa capacité à absorber les chocs. La profondeur de couche doit être spécifiée en profondeur effective de cémentation (ECD) à la coupure HV 550, mesurée par parcours de microdureté sur une pièce détruite — et non estimée à partir du seul couple temps/température. 3. Omettre l'essai de bruit. Un engrenage peut passer tous les contrôles dimensionnels et de dureté et malgré tout produire un bruit inacceptable dans le véhicule. Le bruit d'engrenage (sifflement) est causé par l'erreur de transmission — l'écart entre le contact réel des dents et le schéma théorique idéal. De petites erreurs de profil de dent ou d'hélice, pourtant à l'intérieur de la bande de tolérance DIN 5–6, peuvent produire un sifflement audible à certaines vitesses. Les essais de roulage mono-flanc sur banc de contrôle d'engrenages sont la méthode standard pour détecter cela avant la mise en assemblage des pièces. 4. Inadequate deburring. Machining burrs on tooth edges, root fillets, or spline features become stress concentrators under cyclic loading. In service, these burrs can cause micro-cracking that progresses to pitting or tooth breakage. Burrs are particularly problematic on the tooth root fillet -- the area of highest bending stress. Vibratory finishing or manual deburring under 10x magnification should be a standard step before final inspection. 5. Non-compensation de la déformation de traitement thermique dans la conception des gabarits. Des engrenages simplement posés à plat sur une plaque de sole de four pendant la cémentation se déforment de manière inégale — la face inférieure refroidit plus vite pendant la trempe, créant une contraction différentielle. Des gabarits dédiés (montage vertical suspendu, ou gabarits contraints assurant un écoulement de trempe uniforme) réduisent sensiblement la déformation. La conception des gabarits doit tenir compte de la géométrie de l'engrenage : les engrenages à faible largeur de denture ont besoin de soutien contre le voilage ; les engrenages à caractéristiques asymétriques exigent un écoulement de trempe équilibré. Le développement des gabarits fait partie de l'ingénierie du procédé, pas une réflexion après coup.
## 7. Calendrier de production

|  Phase |  Durée |  Livrable
|  DFM review and quotation |  3–5 days |  Updated drawing with DFM notes, material and heat treatment confirmation, formal quote
|  Fixture design and manufacture |  7–10 days |  Hobbing fixtures, heat treatment fixtures, grinding fixtures, broach tools, inspection gauges
|  First-article machining (hobbing + carburizing + grinding) |  7–10 days |  5–10 FAI parts, in-process dimensional reports at each stage
|  First-article testing and metrology |  3–5 days |  Full gear metrology (profile, helix, pitch, runout), hardness, case depth metallography, noise test
|  PPAP documentation |  5–7 days |  PSW, control plan, PFMEA, MSA studies, material certs, dimensional layout
|  PPAP review and approval |  3–5 days |  Customer review and sign-off on PPAP package
|  Total (DFM to PPAP approval) |  5–7 weeks |  Approved for production
Délai prototype : Pour des quantités prototype (5–20 pièces) sans dossier PPAP complet, le délai est typiquement de 10–14 jours. Cela suppose que la matière est en stock et que la géométrie de l'engrenage reste dans les capacités standards de taillage. Le délai de production après approbation PPAP est de 4–6 semaines, selon la quantité commandée et le planning de production en cours. À propos de cette étude de cas Cette analyse technique est basée sur un programme d'engrenage de transmission automobile produit chez Sinbo Precision. Les détails client, références exactes de pièces et éléments de conception propriétaires ont été modifiés ou omis. Les paramètres de process, données matière et valeurs de tolérance sont représentatifs des exigences typiques d'un engrenage de transmission automobile.
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