齿轮热处理Word下载.docx
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20CrMnTｉ钢采用渗碳+淬火+低温回火,齿轮表面可以获得５5~６3HRC的高硬度,因淬透性较高，齿心部具有较高的强度和韧性。
因而选用２０CrMnＴi钢。
2预氧化的作用与目的
２。
1预氧化的作用
预氧化使工件表面获得一层致密结构的氧化薄膜（3Fe+2o２→Ｆｅ3Ｏ４）,其再随后的渗碳初期被渗碳气氛还原,生成洁净的初生态的铁（Ｆe3Ｏ4+２［C]→3Ｆe+２CＯ2）,呈现出很高的化学活性,产生大量能够吸附渗剂的活性位置。
同时,工件表面轻度氧化,可适当提高工件表面粗糙度,形成微孔，人为增加表面缺陷，还可提供位错露头、台阶和各种表面缺陷,形成具有较低“势垒"
的活性中心,使渗剂的被吸附概率和吸附量大大增加，从而加快活性碳原子渗入过程和表面碳浓度梯度的形成,有效地提高零件的吸碳活性,适应新型渗碳工艺要求，获得合格的渗碳性能．
２.２渗碳前预处理目的
1零件进炉渗碳前加以预热，同时还能烧掉未清洗掉的油脂,不容易形成炭黑;
2使氧气与铁发生反应,生成Fe３Ｏ４膜,提高渗碳零件表面活性，加快钢件表面吸附碳原子速度，可以提高渗碳速度和均匀性；
3Fe3O４是一层致密氧化膜，可以防止进一步的氧化和脱碳。
4消除应力，减少变形（500时效果不明显,5５0-60０去应力较好，超过5０0易被氧化，造成氧化脱碳。
预氧化本身不是为了去应力。
间接如果为了去应力,应该选用较高
5Ｆe３O4是一层致密氧化膜,可以防止进一步的氧化和脱碳。
6消除应力,减少变形（500时效果不明显，5５0-６００去应力较好，超过500易被氧化，造成氧化脱碳.预氧化本身不是为了去应力。
间接如果为了去应力，应该选用较高温度、加保护气体氮气好些）
3渗碳的工艺介绍及原理
3。
1渗碳的工艺介绍
渗碳：
是对金属表面处理的一种，采用渗碳的多为低碳钢或低合金钢，具体方法是将工件置入具有活性渗碳介质中，加热到９0０——９5０摄氏度的单相奥氏体区,保温足够时间后,使渗碳介质中分解出的活性碳原子渗入钢件表层,从而获得表层高碳,心部仍保持原有成分.相似的还有低温渗氮处理。
这是金属材料常见的一种热处理工艺,它可以使渗过碳的工件表面获得很高的硬度，提高其耐磨程度。
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html图1渗碳工艺介绍
也是使低碳钢的工件具有高碳钢的表面层，再经过淬火和低温回火，使工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性。
渗碳工件的材料一般为低碳钢或低碳合金钢（含碳量小于0.25％）。
渗碳后﹐钢件表面的化学成分可接近高碳钢。
工件渗碳后还要经过淬火﹐以得到高的表面硬度﹑高的耐磨性和疲劳强度﹐并保持心部有低碳钢淬火后的强韧性﹐使工件能承受冲击载荷.渗碳工艺广泛用于飞机﹑汽车和拖拉机等的机械零件﹐如齿轮﹑轴﹑凸轮轴等。
渗碳工艺在中国可以上溯到２00０年以前.最早是用固体渗碳介质渗碳.液体和渗碳是在２0世纪出现并得到广泛应用的.美国在２０年代开始采用转筒炉进行气体渗碳。
30年代﹐连续式气体渗碳炉开始在工业上应用.60年代高温（9６０～１10０℃）气体渗碳得到发展.
2渗碳的原理
１。
渗碳与其他化学热处理一样﹐也包含3个基本过程.
2.1分解:
渗碳介质的分解产生活性碳原子。
2 吸附:
活性炭原子被钢件表面吸收后即溶到表层奥氏体中﹐使奥氏体中含碳量增加。
2。
3扩散：
表面含碳量增加便与心部含碳量出现浓度差﹐表面的碳遂向内部扩散。
碳在钢中的扩散速度主要取决于温度﹐同时与工件中被渗元素内外浓度差和钢中合金元素含量有关。
渗碳零件的材料 一般选用低碳钢或低碳合金钢（含碳量小於０。
２5%）。
渗碳后必须进行淬火才能充分发挥渗碳的有利作用。
工件渗碳淬火后的表层显微组织主要为高硬度的马氏体加上残余奥氏体和少量碳化物﹐心部组织为韧性好的低碳马氏体或含有非马氏体的组织﹐但应避免出现铁素体．一般渗碳层深度范围为0。
8~1。
2毫米﹐深度渗碳时可达2毫米或更深．表面硬度可达HRC58~6３﹐心部硬度为HRC30～4２。
渗碳淬火后﹐工件表面产生压缩内应力﹐对提高工件的疲劳强度有利.因此渗碳被广泛用以提高零件强度﹑冲击韧性和耐磨性﹐借以延长零件的使用寿命。
３碳浓度的高低及防止方法
1。
碳浓度过高和防止方法
产生原因及危害：
如果渗碳时急剧加热,温度又过高或固体渗碳时用全新渗碳剂，或用强烈的催渗剂过多都会引起渗碳浓度过高的现象.随着碳浓度过高，工件表面出现块状粗大的碳化物或网状碳化物。
由于这种硬脆组织产生，使渗碳层的韧性急剧下降.并且淬火时形成高碳马氏体,在磨削时容易出现磨削裂纹。
防止的方法:
①不能急剧加热,需采用适当的加热温度,不使钢的晶粒长大为好。
如果渗碳时晶粒粗大，则应在渗碳后正火或两次淬火处理来细化晶粒。
②严格控制炉温均匀性,不能波动过大，在反射炉中固体渗碳时需特别注意.
渗碳零件的材料一般选用低碳钢或低碳合金钢（含碳量小於0。
2５%）。
工件渗碳淬火后的表层显微组织主要为高硬度的马氏体加上残余奥氏体和少量碳化物﹐心部组织为韧性好的低碳马氏体或含有非马氏体的组织﹐但应避免出现铁素体.一般渗碳层深度范围为0。
8~1.2毫米﹐深度渗碳时可达2毫米或更深.表面硬度可达HRC5８～63﹐心部硬度为HRC30~42。
２.碳浓度过低和防止方法
产生的原因及危害:
温度波动很大或催渗剂过少都会引起表面的碳浓度不足.最理想的碳浓度为0。
9—１。
0％之间，低于0。
8％C，零件容易磨损。
由于在实际生产中几乎不会出现碳浓度过低现象,即使出现后期也很难处理，冷冻处理可以提高硬度.
3．渗碳的工艺发展
渗碳工艺是一个十分古老的工艺,在中国，最早可上溯到2000年以前。
起先是用固体渗碳介质渗碳。
在20世纪出现液体和气体渗碳并得到广泛应用。
后来又出现了真空渗碳和离子渗碳．到现在,渗碳工艺仍然具有非常重要的实用价值,原因就在于它的合理的设计思想，即让钢材表层接受各类负荷（磨损、疲劳、机械负载及化学腐蚀）最多的地方，通过渗入碳等元素达到高的表面硬度﹑高的耐磨性和疲劳强度耐蚀性﹐而不必通过昂贵的合金化或其它复杂工艺手段对整个材料进行处理。
４.气体渗碳的目的
气体渗碳是为了增加钢件表层的含碳量和一定的碳浓度梯度,将钢件在渗碳介质中加热并保温使碳原子渗入钢件表层的化学热处理工艺称为渗碳,渗碳钢一般采用普通碳钢、优质碳素结构钢和低碳合金结构钢，也可采用Q235钢。
ﻫ开炉前的准备：
ﻫ
（1）渗碳工件表面不应有锈蚀、污垢、裂纹及伤痕等缺陷。
ﻫ（２）工件表面不需渗碳部分可采用表面镀铜或涂防渗碳涂料防止渗碳,也可在渗碳后,对不需要渗碳的部分切削去渗碳层。
镀铜层的厚度一般应大于０。
03mm；
防渗碳涂料的厚度一般应大于0.３mm，要求涂层致密.
（3）采用滴注式渗碳时,渗碳剂一般是RX（形成载气）ＲX;
煤油或丙酮、醋酸乙酯（形成富化气），有条件时也可以采用其他方式的可控气氛渗碳。
5。
开炉前的注意事项
①开炉前检查设备
②根据停炉时间和炉罐情况,按工艺文件规定，进行炉罐渗碳。
炉罐渗碳时间,对于新炉罐一般为6-１2ｈ,对于旧炉罐一般为2—４h左右。
ﻫ③装炉:
a。
将材质相同、渗碳层技术要求相同、渗碳后热处理方式相同的工件,放在同一炉生产。
试样放在料筐的有代表性的位置。
每炉装载量和装料高度应小于设备规定的最大装载量和装料高度。
ﻫ
b。
为保证炉内渗碳气氛的循环畅通，使渗碳层均匀,工件间应留有纵横大于５ｍm的间隙。
ｃ。
料筐装入炉内时，要垂直摆放，各层料筐应齐整,不得有间隙,同时悬吊放入中间试样棒.ﻫ
ｄ。
工件入炉后，将炉盖盖紧,不允许有漏气现象，滴入渗碳剂后,应保持炉内压力为１96-490Ｐａ.
4变速器齿轮的热处理工艺分析
4。
1变速器齿轮的淬火
淬火是把合金加热到固溶体溶解曲线上,保温一段时间,然后以大于临界冷却速度急速冷却,从而得到过饱和固溶体的热处理方法。
淬火的目的：
强化钢件，充分发挥钢材性能的潜力。
如:
提高钢件的机械性能，诸如硬度、耐磨性、弹性极限、疲劳强度等,改善某些特殊钢的物理或者化学性能，如增强磁钢的铁磁性,提高不锈钢的耐蚀性等.
淬火后对不同合金的性能也有所不同：
ﻩ对铝合金及大多数有色金属合金而言,经过淬火，不同合金也有不同①σ增加, δ或ψ减少 ②σ减少,δ或ψ增加ﻭ③σ增加,δ或ψ增加ﻩﻩ④σ、δ、ψ基本不变ﻭ淬火后性能出现差异的原因:
固溶强化与第二相（或称过剩相,表示与固溶体平衡的其他相）强化之间的差异造成的.若淬火前第二相的强化效果〈淬火后固溶强化效果,则淬火后合金强度增加；
反之淬火前第二相的强化效果〉淬火后固溶强化效果，则淬火后合金强度减少。
钢的淬火：
将钢件加热到AC3或AＣ1相变点以上的某一温度,保持一段时间,然后以大于Vk的速度冷却,获得马氏体或下贝式体组织的热处理工艺。
淬火是提高材料的强度和硬度，就是材料抗弯曲扭曲变形的能力和抗划痕的能力,可淬火后材料内部有很高的内应力,容易降低材料的疲劳强度（就是材料抵抗中高频率轻微震动产生裂纹的能力）,回火可以有效的去处材料的内应力一般根据具体应用不同可以分为淬火＋高温回火（就是调质处理）,淬火+中温回火和淬火+低温回火，淬火的目的是使材料内部形成马氏体组织，不同材料的结晶温度也不一样,要使此种材料在何种温度下及在某一温度段保温时间都很有讲究，是非常专业的一门学科,所以选用的淬火介质和多少材料使用多少淬火介质溶液都有相当高的要求。
淬火具有如下优点：
ﻫ1。
热源在工件表层，加热速度快，热效率高ﻫ2。
工件因不是整体加热,变形小ﻫ3．工件加热时间短,表面氧化脱碳量少ﻫ4。
工件表面硬度高，缺口敏感性小,冲击韧性、疲劳强度以及耐磨性等均有很大提高。
有利于发挥材料地潜力，节约材料消耗，提高零件使用寿命ﻫ5。
设备紧凑，使用方便，劳动条件好
６。
便于机械化和自动化ﻫ 钢的加热温度一般可根据Ｆe－Fｅ3C相图选择,２0CrMnTi钢为亚共析钢,淬火加热温度选择Ac3以上3０℃~5０℃。
根据渗碳后齿轮的表层含碳量的分布状况及实践经验从930℃预冷到860℃左右进行油冷可以得到好的效果。
淬火冷却速度太快,奥氏体向马氏体组织转变剧烈、体积收缩,引起很大的内应力，容易造成齿轮的变形和开裂，由于20ＣrＭnＴi是合金钢，淬透性较好,故选择油冷减小冷却速度,防止淬火造成齿轮变形或开裂.同时也能获得马氏体组织,达到较高的硬度。
保温时间的确定 淬火加热时间包括升温和保温时间两段时间，升温时间包括相变重结晶时间，保温时间实际上只考虑碳化物溶解和奥氏体成分均匀化所需要的时间。
表4—1常用钢的加热系数
工件材料
工件直径
/mm
<
600℃箱式炉中加热
750~850℃盐炉中加热或预热
８０0～９00℃箱式炉或井式炉中加热
10００~1300℃高温盐炉中加热
碳钢
≤50
0。
3~0。
４
0~１.2
>
50
0.4~0。
５
１.2～１。
5
合金钢
≤5０
０。
45～0.5０
2~1。
0.5０~０。
55
1.5~1。
8
高合金钢
３0～0。
40
30~0.35
0.17～０.2
高速钢
30~0。
３５
0．1６~０．1８
２变速器齿轮的回火
回火又称配火。
金属热处理工艺的一种.将经过淬火的工件重新加热到低于下临界温度的适当温度,保温一段时间后在空气或水、油等介质中冷却的金属热处理.或将淬火后的合金工件加热到适当温度，保温若干时间，然后缓慢或快速冷却。
一般用以减低或消除淬火钢件中的内应力,或降低其硬度和强度,以提高其延性或韧性。
根据不同的要求可采用低温回火、中温回火或高温回火.通常随着回火温度的升高，硬度和强度降低,延性或韧性逐渐增高。
工件在淬火后具有以下特点：
①得到了马氏体、贝氏体、残余奥氏体等不平衡（即不稳定）组织。
②存在较大内应力。
③力学性能不能满足要求。
因此，钢铁工件淬火后一般都要经过回火．
回火的作用在于:
①提高组织稳定性,使工件在使用过程中不再发生组织转变,从而使工件几何尺寸和性能保持稳定。
②消除内应力,以便改善工件的使用性能并稳定工件几何尺寸。
③调整钢铁的力学性能以满足使用要求.
回火之所以具有这些作用,是因为温度升高时，原子活动能力增强,钢铁中的铁、碳和其他合金元素的原子可以较快地进行扩散,实现原子的重新排列组合,从而使不稳定的不平衡组织逐步转变为稳定的平衡组织．内应力的消除还与温度升高时金属强度降低有关。
一般钢铁回火时,硬度和强度下降，塑性提高。
回火温度越高,这些力学性能的变化越大。
有些合金元素含量较高的合金钢,在某一温度范围回火时,会析出一些颗粒细小的金属化合物，使强度和硬度上升。
这种现象称为二次硬化。
要求用途不同的工件应在不同温度下回火,以满足使用中的要求。
①刀具、轴承、渗碳淬火零件、表面淬火零件通常在250℃以下进行低温回火.低温回火后硬度变化不大,内应力减小,韧性稍有提高.②弹簧在３50~5００℃下中温回火,可获得较高的弹性和必要的韧性。
③中碳结构钢制作的零件通常在500~600℃进行高温回火，以获得适宜的强度与韧性的良好配合．淬火加高温回火的热处理工艺总称为调质。
回火脆性：
淬火钢在回火时,随着回火温度的升高，硬度降低,韧性升高,但是在许多钢的回火温度与冲击韧性的关系曲线中出现了两个低谷,一个在200～350℃之间，另一个在4５0~6５0℃之间.随回火温度的升高，冲击韧性反而下降的现象,回火脆性可分为第一类回火脆性和第二类回火脆性。
第一类回火脆性又称不可逆回火脆性,低温回火脆性，主要发生在回火温度为２50～4００℃时,特征:
（1）具有不可逆性;
（2）与回火后的冷却速度无关;
（3）断口为沿晶脆性断口。
产生的原因三：
（１）残余A转变理论２）碳化物析出理论（3）杂质偏聚理论。
2、防止方法
无法消除，不在这个温度范围内回火,没有能够有效抑制产生这种回火脆性的合金元素．
（1）降低钢中杂质元素的含量;
（2）用Al脱氧或加入Ｎb、V、Ti等合金元素细化A晶粒；
（3）加入Mｏ、W等可以减轻；
（４）加入Cｒ、Si调整温度范围（推向高温）；
（5）采用等温淬火代替淬火回火工艺。
第二类回火脆性又称可逆回火脆性，高温回火脆性。
发生的温度在 400~650℃，
特征:
（1）具有可逆性；
（２）与回火后的冷却速度有关;
回火保温后，缓冷出现,快冷不出现，出现脆化后可重新加热后快冷消除。
（３）与组织状态无关,但以M的脆化倾向大;
（4）在脆化区内回火，回火后脆化与冷却速度无关;
（5）断口为沿晶脆性断口。
3、影响第二类回火脆性的因素
（１）化学成分（２）A晶粒大小（3）热处理后的硬度
产生的机理：
（1）出现回火脆性时,Ni、Cr、Ｓｂ、Sn、P等都向原Ａ晶界偏聚，都集中在２~3个原子厚度的晶界上,回火脆性随杂质元素的增多而增大。
Nｉ、Cr不仅自身偏聚,而且促进杂质元素的偏聚。
（2）淬火未回火或回火未经脆化处理的，均未发现合金元素及杂质元素的偏聚现象.（3）合金元素Mo能抑制杂质元素向Ａ晶界的偏聚，而且自身也不偏聚。
以上说明:
Sｂ、Sn、P等杂质元素向原Ａ晶界偏聚是产生第二类回火脆性的主要原因,而Ni、Cr不仅促进杂质元素的偏聚,且本身也偏聚,从而降低了晶界的断裂强度,产生回火脆性。
防止方法
（1）提高钢材的纯度,尽量减少杂质;
（2）加入适量的Mo、Ｗ等有益的合金元素；
（3）对尺寸小、形状简单的零件,采用回火后快冷的方法;
（4）采用亚温淬火（A1~A３）:
细化晶粒,减少偏聚。
加热后为A+Ｆ（Ｆ为细条状）,杂质会在F中富集,且F溶解杂质元素的能力较大，可抑制杂质元素向A晶界偏聚。
（5）采用高温形变热处理，使晶粒超细化，晶界面积增大,降低杂质元素偏聚的浓度。
热处理—常见问题
过热
从托辊配件轴承零件粗糙口上可观察到淬火后的显微组织过热。
但要确切判断其过热的程度必须观察显微组织.若在GCｒ１5钢的淬火组织中出现粗针状马氏体，则为淬火过热组织。
形成原因可能是淬火加热温度过高或加热保温时间太长造成的全面过热；
也可能是因原始组织带状碳化物严重,在两带之间的低碳区形成局部马氏体针状粗大，造成的局部过热.过热组织中残留奥氏体增多,尺寸稳定性下降。
由于淬火组织过热，钢的晶体粗大,会导致零件的韧性下降，抗冲击性能降低,轴承的寿命也降低。
过热严重甚至会造成淬火裂纹。
欠热
淬火温度偏低或冷却不良则会在显微组织中产生超过标准规定的托氏体组织，称为欠热组织,它使硬度下降，耐磨性急剧降低，影响托辊配件轴承寿命.
淬火裂纹
托辊轴承零件在淬火冷却过程中因内应力所形成的裂纹称淬火裂纹。
造成这种裂纹的原因有:
由于淬火加热温度过高或冷却太急,热应力和金属质量体积变化时的组织应力大于钢材的抗断裂强度;
工作表面的原有缺陷（如表面微细裂纹或划痕）或是钢材内部缺陷（如夹渣、严重的非金属夹杂物、白点、缩孔残余等）在淬火时形成应力集中；
严重的表面脱碳和碳化物偏析；
零件淬火后回火不足或未及时回火;
前面工序造成的冷冲应力过大、锻造折叠、深的车削刀痕、油沟尖锐棱角等.总之,造成淬火裂纹的原因可能是上述因素的一种或多种，内应力的存在是形成淬火裂纹的主要原因.淬火裂纹深而细长,断口平直,破断面无氧化色。
它在轴承套圈上往往是纵向的平直裂纹或环形开裂;
在轴承钢球上的形状有S形、T形或环型。
淬火裂纹的组织特征是裂纹两侧无脱碳现象,明显区别与锻造裂纹和材料裂纹．
热处理变形
NACHI轴承零件在热处理时,存在有热应力和组织应力,这种内应力能相互叠加或部分抵消,是复杂多变的，因为它能随着加热温度、加热速度、冷却方式、冷却速度、零件形状和大小的变化而变化,所以热处理变形是难免的。
认识和掌握它的变化规律可以使轴承零件的变形（如套圈的椭圆、尺寸涨大等）置于可控的范围，有利于生产的进行.当然在热处理过程中的机械碰撞也会使零件产生变形,但这种变形是可以用改进操作加以减少和避免的。
表面脱碳
托辊配件轴承零件在热处理过程中,如果是在氧化性介质中加热，表面会发生氧化作用使零件表面碳的质量分数减少，造成表面脱碳。
表面脱碳层的深度超过最后加工的留量就会使零件报废。
表面脱碳层深度的测定在金相检验中可用金相法和显微硬度法。
以表面层显微硬度分布曲线测量法为准,可做仲裁判据。
6.软点
由于加热不足，冷却不良,淬火操作不当等原因造成的托辊轴承零件表面局部硬度不够的现象称为淬火软点。
它象表面脱碳一样可以造成表面耐磨性和疲劳强度的严重下降.
热处理 - 防火安全
（1）热处理厂房建筑防火要求:
热处理车间或工段应设在厂房外围,并用防火墙与其它车间隔开,应备有存放易燃或可燃液体，符合防火要求的专用仓库。
淬火用可燃油料贮存槽，一般应设在车间外面采用地下或半地下式。
（２） 主要设备和操作防火要求:
①粹火用油料应具有较高的闪点，一般应采用闪点在１80℃~200℃以上的油料,淬火油槽不要放满，至少应留有四分之一高度，为防止淬火油温度升高发生自燃,应采取循环冷却措施使油槽油温控制在80℃以下.
②硝盐槽炉的构造必须根据设计的安全要求,严防漏泄,防止水分和杂物吹入硝盐内发生爆炸,操作时严格控制硝盐槽温度不得超过550℃，入槽处理的零件和使用工具必须干燥清洁无油污,严防可燃物质掉入槽内;
硝盐槽内不准添入大于300毫米硝盐块,加入的硝盐必须予热至100~200℃,硝盐的液面应低于槽边100毫米．
操作规程
１、清理好操作场地,检查电源、测量仪表和各种开关是否正常,水源是否通畅。
２、操作人员应穿戴好劳保防护用品,否则会有危险。
3、开启控制电源万能转换开关,根据设备技术要求分级段升、降温,延长设备寿命和设备完好.
４、要注意热处理炉的炉温和网带调速，能掌握对不同材料所需的温度标准，确保工件硬度及表面平直度和氧化层,并认真做好安全工作。
5、要注意回火炉的炉温和网带调速,开启排风,使工件经回火后达到质量要求。
６、在工作中应坚守岗位。
７、要配置必要的消防器具,并熟识使用及保养方法。
5结束语
以上就齿轮热处理工艺进行了分析,不同厂家对齿轮的热处理工艺都不尽相同。
近年来,我国热处理生产技术通过对引进先进技术的消化吸收，已有了突出的变化,取得长足发展。
由于过去的起点低、底子薄，就整体来说，热处理生产
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