螺旋锥齿轮热处理生产工艺过程设计Word文件下载.docx
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3材料的选择
3.1初步选材
根据螺旋锥齿轮的技术要求：
选定的材料应该具有高强度、高韧性以及良好的淬透性。
又根据螺旋锥齿轮的性能要求：
为满足以上条件初步确定符合要求的材料为渗碳轴承钢【1】。
3.2确定材料
42CrMo、12CrNi3和20Cr2Ni4A都属于渗碳轴承钢，通过对各个材料的性能进行分析对比选出最佳材料。
（1）42CrMo属于超高强度钢，具有高强度和韧性，淬透性也较好，无明显的回火脆性。
调制处理后有较高的疲劳极限个抗多次冲击能力，低温冲击韧性良好。
适宜制造要求一定强度和韧性的大、中型塑料模具。
强度、淬透性高，韧性好，淬火时变形小，高温时有高的蠕变强度和持久强度。
用于制造要求较35CrMo钢强度更高和调质截面更大的锻件，如机车牵引引用的大齿轮、增压器传动齿轮、压力容器齿轮、后轴、受载荷极大地连杆及弹簧夹，也可用于2000m以下石油深井钻杆接头与打捞工具，并且可以用于折弯机的模具等。
（2）12CrNi3钢属于合金渗碳钢有高淬透性。
该钢淬火低温回火或高温回火后都具有良好的综合力学性能，钢的低温韧性好，缺口敏感性小，切削加工性能良好，当硬度为HB260～320时，相对切削加工性为60%～70%。
此钢退火后硬度低、塑性好。
为提高模具型腔的耐磨性，模具成型后需要进行渗碳处理，然后再进行淬火和低温回火，从而保证模具表面具有高硬度、高耐磨性而心部具有很好的韧性，该钢适宜制造大、中型塑料模具。
（3）20Cr2Ni4A是优质合金钢有良好的力学性能，强度高有良好的心部硬度，韧性好有有良好的抗冲击性能及热变形性能，淬透性好有良好的渗碳淬火性能。
渗碳后不能直接淬火，以减少表层参与奥氏体。
切削性及冷变形塑性一般。
用于大截面渗碳件，如大型齿轮、轴类以及要求强度高、韧性好的调质零部件等。
此轴承钢是特大型轴承用的低碳高合金渗碳轴承钢，不管是在工艺性上还是经济性上都是很符合我们的要求，因此综合分析20Cr2Ni4A是最佳材料。
3.320Cr2Ni4A的化学成分、相变点及合金元素作用
3.3.1钢的化学成分
表120Cr2Ni4A的化学成分【2】
牌号
化学成分（%）
C
Si
Mn
S
P
Cr
Ni
20Cr2Ni4A
0.17～0.23
0.17～0.37
0.30～0.60
≤0.03
1.25～1.65
3.25～3.65
3.3.220Cr2Ni4A的相变点
表220Cr2Ni4A的相变点【3】
相变点
Ac1
Ac3
Ar1
温度/℃
720
780
575
3.3.3化学元素作用
C元素：
提高屈服点和抗拉强度，增加钢的冷脆性和时效敏感性，降低塑性、冲击性以及耐大气腐蚀能力。
Si元素：
提高钢的回火稳定性、提高钢的抗氧化性、提高钢的淬透性和淬透温度。
Mn元素：
提高钢的淬透性，从基体组织中扩散到析出的渗碳体中，形成合金渗碳体,改善其硬度。
S元素:
使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，改善切削加工性。
P元素：
增加钢的冷脆性，使焊接性变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。
Cr元素:
提高钢的淬透性,固溶强化基体组织，并改善基体组织的回火性和硬度。
Ni元素：
提高钢的淬透性，有助于改善钢的韧性。
4确定加工路线
确定零件加工路线加工工艺主要包括机加工和热处理工艺。
机加工是指通过加工机械精确去除材料的加工工艺。
它直接改变毛坯的形状、尺寸和表面质量等，使其成为零件的过程称为机械加工工艺过程。
热处理工艺是将金属材料放在一定的介质内加热、保温、冷却，通过改变材料表面或内部的金相组织结构,来控制其性能的一种金属热加工工艺。
4.1初步确定加工路线
根据20Cr2Ni4A材料的性能以及技术要求，可初步确定其加工路线为：
下料→锻坯→预备热处理→高温回火→车齿坯→粗、精铣齿→渗碳→高温回火→淬火+低温回火→喷丸→磨端面及孔→磨齿→成品。
4.2每个步骤的作用
（1）下料的作用：
提供原料；
（2）锻坯的作用：
获得原料；
（3）预备热处理的作用：
为随后的机加或最终热处理提供一个良好的机加性能或良好的组织形态；
（4）高温回火的作用：
（1）消除淬火时产生的残留内应力，提高材料的塑性和韧性
（2）获得良好的综合力学性能（3）稳定工件尺寸，使钢的组织在工件使用过程中不发生变化。
（5）车齿坯与粗、精铣齿的作：
对材料进行机械粗加工，是以快速切除毛坯余量。
（6）渗碳的作用：
使机器零件获得高的表面硬度、耐磨性及高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度，渗碳后淬火、回火，心部保持良好韧性的同时提高工件的表面强度、耐磨性和硬度。
（7）高温回火的作用：
由于渗碳后表层组织为马氏体和大量残余奥氏体，对这种组织不能直接重新加热淬火，否则容易恢复渗碳时所形成的较粗大的奥氏体晶粒，即生成二次织构。
因此在淬火加热之前，需先进行一次高温回火，使马氏体和残余奥氏体分解为回火索氏体，降低基体中碳、铬的含量。
这样重新加热淬火时，由于奥氏体中融入的碳和铬等元素的含量减少，淬火后不仅残余奥氏体量减少，马氏体也细小。
（8）淬火+低温回火的作用：
通过淬火与不同温度的回火配合，可以大幅度提高金属的强度、韧性及疲劳强度，并可获得这些性能之间的配合（综合机械性能）以满足不同的使用要求。
（9）喷丸、磨端面及孔和磨齿的作用：
完成各主要表面的最终加工,使零件的加工精度和加工表面质量达到图样规定的要求。
5热处理工艺方法选择
5.1预备热处理工艺【4】的选择
一般预备热处理有这几种：
1、调质处理：
一航后面要进行表面淬火处理，其预备热处理的目的是为了使工件表面淬火前得到强韧性结合优良的心部性能，降低使用过程中的心部疲劳开裂。
2、正火处理：
一般后面进行的是化学热处理（渗碳+淬火）或者调质热处理，其预备热处理的目的就是细化晶粒、消除机加应力、均匀不平衡组织等，为后面的最终热处理奠定良好的组织基础。
3、退火处理：
后面最终热处理一般都是调质处理，其作为预备热处理的目的就是为了消除应力以及降低表面硬度。
正火与退火工艺相比，其主要区别是正火的冷却速度稍快，所以正火热处理的生产周期短。
故退火与正火同样能达到零件性能要求时，尽可能选用正火。
大部分中、低碳钢的坯料一般都采用正火热处理。
一般合金钢坯料常采用退火，若用正火，由于冷却速度较快，使其正火后硬度较高，不利于切削加工。
所以在此选用正火对钢进行预备热处理。
5.2渗碳工艺【5】的选择
齿轮渗碳过程温度较低，时间较长，容易造成较粗大和严重热处理变形等缺陷。
对其改进主要从两个方面入手。
一是利用催渗方法催渗以降低温变和缩短时间。
二是利用高温渗碳缩短时间。
稀土渗碳方法是主要的一种催渗方法，应用的比较多，工艺成熟，高温渗碳一般情况下很少采用。
因为高温下晶粒长大趋势严重且对设备有危害，如果能够排除这两项不利因素，则它也是可行的。
利用高温渗碳原理改进的高温渗碳方法既具有渗速快的优点，上述两项不利因素也不明显，在生产被采用的越来越多。
一些新型渗碳方法在简化热处理工艺的同时也改善了齿轮的质量。
5.3最终热处理【6】的选择
20Cr2Ni4A钢的热处理工艺的复杂主要体现在多次高温回火上，渗碳后冷却时以及淬火加热时在630～650℃均温均能达到高温回火的目的。
但在这方面仍需要进一步研究。
进行合理的渗碳工艺的选择，改善渗碳质量以达到直接淬火的目的是一个值得探索的方向。
此外，为了消除过多的残余奥氏体，深冷处理也是一种经常考虑的方法。
在此我们选择高温回火、淬火与低温回火。
6制定热处理工艺的制度
6.1正火工艺的制定
6.1.1正火加热温度
正火是将钢加热到Ac3以上30-50℃，保温后在空气中冷却的热处理工艺，由于该钢Ac3为780℃，所以其正火温度一般在910～930℃之间，但在实际生产中，正火的加热温度一般要高于其理论正火温度，所以设定正火的加热温度在950℃。
6.1.2正火加热时间
金属材料和铁制品加热所需时间包括从室温到炉温仪表指示达到所需温度的升温时间、炉料表面和心部温度均匀所需的均热时间以及内外达到温度后为了完成相变所需的保温时间三个部分。
加热时间的计算公式：
t=a×
k×
D
式中t——加热时间（min或s）、a——加热系数（min/mm或s/mm）、D——工件有效厚度（mm）、k——工件装炉条件修正系数，通常取1.0-1.5。
表3碳钢和合金钢在各种介质中的加热系数（a值）
【7】
钢材
每1mm有效厚度的加热时间
空气电阻炉
盐浴炉
碳钢
0.9-1.1min
25-30s
合金钢
1.3-1.6min
50-60s
15-20s（一次预热）
高速钢
--
8-15s（二次预热）
由上表可选取a=1.5min,通过查手册工件在炉内不同排布方式的加热时间修正
值知K=1（单件），工件有效厚度D=80mm，可得：
t=120min。
6.1.3正火处理工艺表
表4正火处理工艺
材料
加热温度（℃）
加热时间（h）
冷却方式
950
2
空冷
6.2高温回火工艺的制定
6.2.1高温回火温度
表5各种工件的回火温度及回火目的【8】
由上表可知齿轮回火温度为500-600℃，在此设定高温回火温度为650℃。
6.2.2高温回火时间
从工件入炉后炉温深至回火温度时开始计算。
可参考经验公式加以确定：
Tn=Kn+AnD
式中Tn——回火时间（min）、Kn——回火时间基数、An——回火时间系数、D——工件有效厚度（mm）,Kn和An推荐值见下表
表6Kn及An推荐值【9】
由上表可知。
450℃以上箱式电炉的Kn取10min，An值取1min/mm。
得回火加热时间为90min。
而高温回火保温时间一般为3-3.5h，则高温回火总加热时间为5h。
6.2.3高温回火处理工艺表
表7高温回火处理工艺
650
5
6.3渗碳工艺的制定
6.3.1渗碳温度
由式：
D=0.162exp（-16575/T）可知，随渗碳温度的升高，碳在钢中的扩散系数呈指数上升，渗碳速度加快，但渗碳温度过高会造成晶粒长大，工件畸变增大，设备寿命降低等负面效应，所以渗碳温度常控制在900-950℃。
选用常用的气体渗碳法，加热温度定为930℃。
6.3.2渗碳时间
渗碳时间与渗碳深度呈平方根关系，渗碳时间越短，生产效率越高，能耗越低，但对于浅层渗碳而言，渗碳时间太短，渗层深度控制难以准确。
应通过调整渗碳温度、碳势来延长渗碳时间，以便精确地来控制渗层深度。
表8强渗时间、扩散时间及渗碳层深度【10】
要求的渗层深度/mm
不同温度下的强渗时间
强渗后的渗层深度/mm
扩散时间/h
扩散后的渗层深度/mm
（920±
10）/℃
（930±
（940±
0.4-0.7
40min
30min
20min
0.20-0.25
1
0.5-0.6
0.6-0.9
1.5h
1h
0.35-0.40
1.5
0.7-0.8
0.8-1.2
2h
0.45-0,55
0.9-1.1
注：
若渗碳后直接降温淬火，则扩散时间应包括降温及降温后停留的时间。
经验计算按0.15-0.2mm/h来计算，因渗层深度为1.2mm，则渗碳时间T=7h。
6.3.3渗碳方法
甲醇-煤油滴注式渗碳法（甲醇为稀释剂，煤油为渗碳剂），甲醇-煤油滴注剂中煤油的含量一般在15﹪-30﹪范围内，高温下甲醇的裂解产物水、二氧化碳和甲烷、碳氧化，可使炉气成分和碳势保持在一定范围内，可以采用红外仪进行控制。
表9常用有机液体的渗碳特性【11】
为了保证甲醇与煤油裂解反应充分进行，炉体应保证四个条件：
炉内静压大于1500pa；
滴注剂必须直接滴入炉内；
加溅油板；
滴注剂通过400-700℃温度区的时间≦0.07s。
渗碳设备为RTJ-75-9T型井式渗碳炉。
滴注式可控气氛渗碳一般采用两种有机液体同时滴入炉内，一种液体产生的气体碳势较低，作为稀释气体；
另一种液体产生的气体碳势较高，作为富化气，改变两种液体的滴入比例，可使零件表面含碳量控制在要求的范围内。
采用红外仪控制碳势时，往往采用固定总滴量，调整稀释剂和渗碳剂相对滴量的办法来调整炉内碳势。
表10甲醇-煤油红外仪控制滴注式渗碳工艺【12】
6.3.4渗碳处理工艺表
表11渗碳处理工艺
渗碳温度（℃）
渗碳时间（h）
渗碳方法
930
7
甲醇-煤油滴注式渗碳法
6.4高温回火工艺的制定
下表为高温回火处理工艺的温度、时间及冷却方式。
表12高温回火处理工艺
6
6.5淬火工艺的制定
6.5.1淬火加热温度
钢的淬火是将钢加热到临界温度Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上某一温度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体1化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等温）进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理工艺。
由钢的相变点在此设定淬火加热温度为800℃。
高温下钢的状态处在单相奥氏体（A）区内，故称为完全淬火。
6.5.2淬火加热时间
淬火保温时间由设备加热方式、零件尺寸、钢的成分、装炉量和设备功率等多种因素确定。
淬火加热时间应包括工件整个截面加热到预定淬火温度，并使之在该温度下完成组织转变、碳化物溶解和奥氏体成分均匀化所需的时间，因此，淬火加热时间包括升温和保温两段时间。
在实际生产中，只有大型工件或装炉量很多情况下，才把升温时间和保温时间分别进行考虑，一般情况下把升温时间和保温时间统称为淬火加热时间。
在具体生产条件下，淬火加热时间常用经验公式计算，通过实验最终确定，常用经验公式为：
式中，T——加热时间（min或s）、a——加热系数（min/mm或s/mm）、D——工件有效厚度（mm）、k——工件装炉条件修正系数，通常用1.0-1.5
表13常用钢的加热系数【13】
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
≤50
＞50
0.3-0.4
0.4-0.5
1.0-1.2
1.2-1.5
0.45-0.50
0.50-0.55
1.5-1.8
由上表可选a为0.55，修正系数k取1，则加热时间为1h。
6.5.3淬火加热速度
对于形状复杂，要求畸变形小，或用合金钢制造的大型铸锻件，必须控制加热速度以保证减少淬火畸变及开裂倾向，一般以30-70℃/h速度升温到600-700℃，在均温一段时间后再以50-100℃/h速度升温。
形状简单的中、低碳钢，直径小于400mm的中碳合金结构钢可直接到温入炉加热。
6.5.4淬火冷却方法
工件在低温盐浴或碱浴炉中淬火，盐浴或碱浴的温度在Ms点附近，工件在这一温度停留2min～5min，然后取出空冷，这种冷却方式叫分级淬火。
对于形状复杂、畸变要求较严格的高合金工具钢，可以采用多次分级淬火。
分级冷却的目的，是为了使工件内外温度较为均匀，同时进行马氏体转变，可以大大减小淬火应力，防止变形开裂。
分级温度以前都定在略高于Ms点，工件内外温度均匀以后进入马氏体区。
现在改进为在略低于Ms点的温度分级。
实践表明，在Ms点以下分级的效果更好。
例如，高碳钢模具在160℃的碱浴中分级淬火，既能淬硬，变形又小，所以应用很广泛。
6.5.5淬火冷却介质
要使钢中高温相——奥氏体在冷却过程中转变成低温亚稳相——马氏体，冷却速度必须大于钢的临界冷却速度。
工件在冷淬火冷却却过程中，表面与心部的冷却速度有-定差异，如果这种差异足够大，则可能造成大于临界冷却速度部分转变成马氏体，而小于临界冷却速度的心部不能转变成马氏体的情况。
为保证整个截面上都转变为马氏体需要选用冷却能力足够强的淬火介质，以保证工件心部有足够高的冷却速度。
但是冷却速度大，工件内部由于热胀冷缩不均匀造成内应力，可能使工件变形或开裂。
冷却阶段不仅为了零件获得合理的组织，达到所需要的性能，而且要保持零件的尺寸和形状精度，在盐浴中进行。
为了保证获得优异的性能，应采用油作为淬火介质。
油的冷却特性对各种合金钢的淬火和薄壁碳钢零件淬火是很合适的，且油在珠光体（或贝氏体）转变温度区间有足够的冷却速度。
6.5.6淬火处理工艺表
表14淬火处理工艺
冷却方法
800
马氏体分级淬火
6.6低温回火工艺的制定
6.6.1低温回火温度
回火是将淬火后的钢重新加热到Ac1以下某一温度，保温后冷却到室温的热处理工艺。
根据回火温度的不同，可将回火分为低温回火、中温回火和高温回火。
其中低温回火是工件在150～250℃进行的回火。
目的是保持淬火工件高的硬度和耐磨性，降低淬火残留应力和脆性，回火后得到回火马氏体，力学性能：
58～64HRC，高的硬度和耐磨性。
20Cr2Ni4A钢是低碳钢，要求具有很高的硬度、耐磨性，同时要求心部具有较好的塑性和韧性，因此低温回火可以满足性能要求，故选择低温回火，T取200℃。
6.6.2低温回火时间
回火时间是从工件入炉后炉温升至回火温度时开始开始计算，可参考经验公式加以确定：
t=K+AD
T——回火时间（min）、K——回火时间基数、A——回火时间系数、D——工件有效厚度（mm）
表15回火保温时间参数表【14】
回火条件
300℃以上
300-450℃
450℃以上
箱式电炉
K/min
120
20
15
10
3
A/（min/mm）
0.4
低温回火（150-250℃）
有效厚度/mm
＜25
25-50
50-75
75-100
100-125
125-250
保温时间/min
30-60
60-120
120-180
180-240
240-270
270-300
6.2.3低温回火工艺表
表16低温回火热处理工艺
200
7热处理设备选择
7.1箱式电阻炉的选择
热处理电阻炉是以电为能源的，通过炉内电热元件将电能转化为热能而加热工件的炉子，是一种造价相对便宜的炉子，以降低成本。
高温回火、淬火及低温回火温度均不超过950℃，可以选用中温箱式电阻炉。
因为工件正火温度过高，箱式炉炉温不均，中温箱式电阻炉无法满足温度要求，故选用高温电阻炉。
高温箱式电阻炉最高工作温度有1200℃和1350℃两种，这类炉子的特点是在此温度下主要依靠辐射传热，因此电热元件直接布置在工作室内，，要求炉内有足够的辐射面积。
下表为各种电阻炉的技术参数。
螺旋锥齿轮的尺寸为502
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