20CrMO热处理实用工艺设计.docx

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20CrMO热处理实用工艺设计

前言

众所周知，齿轮是机械设备中关键的零部件，它广泛的用于汽车、飞机、坦克、轮船等工业领域。

它具有传动准确、结构紧凑使用寿命长等优点。

齿轮传动是近代机器中最常见的一种机械振动是传递机械动力和运动的一种重要形式、是机械产品重要根底零件。

它与带、链、摩擦、液压等机械相比具有功率X围大，传动效率高、圆周速度高、传动比准确、使用寿命长、尺寸结构小等一系列优点。

因此它已成为许多机械产品不可缺少的传动部件，也是机器中所占比例最大的传动形式。

由于齿轮在工业开展中的突出地位，使齿轮被公认为工业化的一种象征。

得益于近年来汽车、风电、核电行业的拉动，汽车齿轮加工机床、大规格齿轮加工机床的需求增长十分耀眼。

据了解，随着齿轮加工机床需求的增加，近年来涉与齿轮加工机床制造的企业也日益增多。

无论是传统的汽车、船舶、航空航天、军工等行业，还是近年来新兴的高铁、铁路、电子等行业，都对机床工具行业的快速开展提出了紧迫需求，对齿轮加工机床制造商提出了新的要求。

据权威部门预测2012年将达到200万吨。

20CrMo钢作为一种典型的低合金渗碳结构钢在工程中广泛用于制造轴类、齿轮类零件。

由于齿轮的工作条件复杂，所以要求齿轮既要具有优良的耐磨性又要具备高的抗接触疲劳和抗弯曲疲劳性能。

在齿轮热处理工艺显著提高的背景下，我国已能自行生产各类高参数的齿轮。

但我国齿轮的质量与其他兴旺国家的同类产品相较还是具有一定的差距，主要表现在齿轮的平均使用寿命、单位产品能耗、生产率这几方面上。

要提高齿轮的质量，除了要选材适宜之外，必须对材料的热处理工艺进展优化，通过新工艺和新设备引进吸收和自主创新，实现齿轮热处理工艺朝节能、环保、智能化方向开展。

本设计是在课堂学习热处理知识后的探索和尝试，其内容讨论如何设计齿轮的热处理工艺，重点是制定合理的热处理规程，并按此设计齿轮的热处理方法。

1齿轮热处理概述

齿轮或一般都要承受交变载荷甚至冲击载荷，接触应力大，齿面易磨损。

因此，对齿轮的要求是外表硬且耐磨，心部强而韧，具有高的抗疲劳强度，外表不崩裂，不压陷，不点蚀，为了满足这些性能的要求，常常采用低碳钢经正火、渗碳、淬火加低温回火的热处理工艺。

正火是一次预备热处理，主要目的是为了提高钢的硬度，便于钢坯的切削加工。

渗碳的目的是提高工件外表材料的含碳量，以便在后续淬火工序中得到高的外表硬度，同时保持芯部韧性，淬火的目的是使过冷奥氏体进展马氏体或贝氏体转变，得到马氏体或贝氏体组织，然后配合以不同温度的回火，以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以与韧性等，回火目的是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，提高零件尺寸的稳定性。

通过齿轮的热处理的分析，更加明确在执行热处理工艺过程中所需要注意的问题。

能够正确确定加热温度、时间，保温时间，冷却方式，其目的就是通过正确的热处理工艺，使金属材料的潜在能力得到充分的发挥。

根据齿轮的工作条件，失效形式与性能要求，本设计选择20CrMo钢作为渗碳齿轮材料；在设计正火-渗碳-淬火-低温回火热处理工艺中，借鉴了《热处理工程师手册》，《钢的热处理》，《金属材料学》，《机床零件用钢》，《齿轮热处理译文集》等。

根据工艺设计的理论根底设定了完整的热处理工艺流程，使热处理的20CrMo齿轮外表除具有高硬度，高耐磨性外高的疲劳强度，还要使心部具有高的强度和韧性，从而满足齿轮的质量要求。

2齿轮热处理工艺设计

2.1齿轮的服役条件、失效形式与性能要求

2.1.1服役条件、失效形式

齿轮工作时，全部扭矩作用在啮合的轮齿的齿根上，使其承受很大的弯曲应力和交变应力，而且是周期性地作用于每一个轮齿上，使其承受复交变应力的作用。

齿轮在啮合传递扭矩的过程中转速变化X围广，齿轮外表承受较大的接触应力，并在高速下承受强烈的摩擦力。

齿轮有时在过载和强烈冲击条件下工作，使齿轮出现多种不同的失效形式如下：

1.接触疲劳：

在齿面上出现浅层麻点和深层剥落。

主要发生在高速长时间运行之后。

2.弯曲疲劳：

局部或整个牙断裂。

主要出现在过载、冲击的使用条件下。

3.磨损：

齿面相互滑动造成的擦伤和磨损。

主要发生在载荷过大、转速较低的情况下。

此外，变速箱齿轮端部会发生撞击磨损。

2.1.2性能要求

外表要求耐磨，心齿硬度为58-63HRC;齿根硬度为33-45HRC；其余力学性能要求为：

抗拉强度σb≥1000MPa；屈服强度σs：

≥490MPa伸长率δ5（%）：

≥11；断面收缩率ψ（%）：

≥45；冲击功Akv（J）：

≥55；冲击韧性值αkv（J/cm2）：

≥69（7）

2.2齿轮材料的选择

1.根据齿轮的承载能力：

具体齿轮材料的选用主要是根据齿轮工作时载荷的大小、转速的上下与齿轮的精度要求来确定的。

载荷大小主要是指齿轮传递转矩的大小。

通常以齿面上单位压应力作为衡量标志。

一般分为:

轻载荷、中载荷、重载荷和超重载荷。

齿轮工作时转速越大,齿面和齿根受到的交变应力次数越多、齿面磨损越严重。

因此可以把齿轮转动的圆周速度v的大小作为材料承受疲劳和磨损的尺度。

一般分为低速齿轮（1～9m/s）、中速齿轮（6～10m/s）、高速齿轮（10～15m/s）。

齿轮的精度高,如此齿形准确,公差小,啮合严密,传动平稳且无噪声。

机床齿轮精度一般为6～8级（中、低速）和8～12级（高速）。

拖拉机小齿轮精度一般为6～8级。

2.根据齿轮的失效形式：

由齿轮的失效形式可知齿轮的根本要求为：

〔1〕齿面应有足够的硬度；〔2〕齿芯应有足够的强度和韧性；〔3〕应有良好的加工工艺性能与热处理性能。

3.根据齿轮的工作条件来选择：

对于一般比拟简单的小磨具渗碳齿轮，心部主要保证有足够的韧性，采用低碳钢即可，但对于受载荷较大的齿轮来说，不仅仅要求心部有足够的硬度，外部还要有高的强度。

常见用来制作齿轮金属的金属材料为锻钢〔软齿面，硬齿面〕，铸钢，铸铁，齿轮它的受力较大、受冲击较频繁因此对材料要求较高。

由于弯曲与接触应力都很大,所以重要齿轮都需要渗碳、淬火处理以提高耐磨性和疲劳抗力。

为了保证心部有足够的强度与韧性、材料的淬透性要求较高,心部硬度应在HRC35～45。

所以选择20CrMo作为制造齿轮的材料。

通过查找《热处理手册》获得20CrMo的C曲线：

2.320CrMo齿轮的热处理工艺设计

2.3.120CrMo的工艺流程

1.下料--毛坯锻造--正火--加工齿形--渗碳--预冷淬火--低温回火--喷丸--磨齿

2.锻造工艺设计造齿轮轴的毛坯经过锻造后获得根本的形状。

锻造是利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形，已获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸的锻件的加工方法。

齿轮轴的锻造工艺与齿轮相差不大，用棒料镦经切削加工制成的齿轴，其纤维组织弯曲呈放射状，所有齿部的正应力都平行于纤维组织的方向，力学性能得到很大的提高。

《热查阅处理工艺规X数据手册》可以找出20CrMo钢的锻造工艺的加热温度、始锻温度冷却方式，本设计具体的锻造工艺参数如下表所示

20CrMo钢的热加锻造工艺规X图

项目

加热温度

始锻温度

终锻温度

钢坯

1200℃

1240～1260℃

>750℃

经锻造将获得最大外径约是88mm，高26mm的齿坯，采用缓冷。

如下图是20CrMo齿轮零件图。

图220CrMo拖拉机齿轮零件图

2.3.220CrMo的热处理工艺设计

1．正火处理

正火处理可消除齿轮内部过大的应力,目的是为了细化晶粒、改善组织，增加齿轮的韧性、改善材料的切削性能，为最终热处理做好准备。

2．20CrMo的渗碳处理：

常用的渗碳方法有：

固体渗碳、液体渗碳、气体渗碳。

气体渗碳最为常用其所用渗剂的原始状态可以是气体，也可以是液体如煤油。

但在化学热处理炉内均为气态。

对所用渗剂要求能易于分解为活性原子，经济，易于控制，无污染，渗层具有较好性能。

由于含碳量低，塑性和韧性较高，硬度和耐模性差，所以使用气体外表渗碳热处理，在外表层可获得板条状的马氏体体组织，即高硬度达到58HRC以上，但心部仍然是较高塑性和韧性，硬度为33-45HRC，屈服强度σs：

≥490MPa伸长率δ5（%）：

≥11。

面获得高硬度、强度、耐磨性和抗接触疲劳性能，心部仍高强韧性。

要求淬火后心齿硬度为58-63HRC;齿根硬度为33-45HRC；其余力学性能要求为：

抗拉强度σb≥1000MPa；屈服强度σs：

≥490MPa伸长率δ5（%）：

≥11。

4．低温回火

回火可以降低内应力，稳定组织和尺寸，大大提高韧性和得到良好的综合力学性。

抗拉强度σb≥1000MPa；屈服强度σs：

≥885伸长率δ5（%）：

≥11；断面收缩率ψ（%）：

≥45；冲击功Akv（J）：

≥55；冲击韧性值αkv（J/cm2）：

≥69（7）

图3热处理总工艺曲线

2.420CrMo齿轮的热处理工艺理论根底

2.4.120CrMo的正火工艺理论根底

：

降低材料的硬度，便于切削加工，去除材料的内应力和组织硬化现象，为下一步的渗碳处理做准备。

2.正火温度的选择：

20CrMo约为825℃，为促使奥氏体均匀化，增大过冷奥氏体稳定性，选择的加热温度在930~950℃。

图4铁碳相图

3.加热方法与保温时间：

采用到温加热的方法，是指当炉温加热到指定温度时，再将工件装进热处理炉进展加热。

这样做的原因是防止金属组织的出现不需要的相转变，加热速度快，节约时间。

便于小批量生产。

选定的依据：

加热时间可按如下公式进展计算：

t=a×K×D,式中t为加热时间〔min〕，K为反映装炉时的修正系数，可根据表2.2取K为1.4。

a为加热系数min/mm，加热系数a可根据钢种与加热介质、加热温度进展取值，参数见表2.3。

D为工件的有效厚度〔mm〕，由公式可知，工件厚度=〔工件最厚处直径+工件最薄处直径〕/2。

可得t=a×K×D。

4.冷却方式：

出炉后空气冷却。

正火组织：

细珠光体+铁素体

2.4.220CrMo的气体渗碳工艺理论根底

（1）渗碳的目的：

渗碳后进展淬火与回火，使其心部保持良好的韧性的同时，表层获得高的强度、硬度和耐磨性

（2）渗碳温度：

进展气体渗碳，加热900~920℃，以计保温时间，加热温度不超过920℃，以防止晶粒粗大。

渗碳进展淬火回火处理，淬火加热820~850℃，保温后油冷，180℃低温回火。

（3）渗碳介质：

甲醇和煤油

（4）渗碳温度时间：

渗碳温度在Ac3以上，考虑碳在钢中的扩散速度等因素，目前再生产上广泛采用温度为910~930℃。

随着渗碳层深度的升高，碳在钢中的扩散系数呈指数上升，渗碳速度加快，蛋渗碳温度过高会使晶粒粗大，工件畸变增大，设备寿命降低等负面影响。

渗层厚度为0.8~1.2mm，可以选取t=920℃。

保温时间：

5小时

（5）渗碳工艺:

装炉后排气，滴油量35~65滴/分钟，保温时间160~180滴/分钟，渗层达到要求后降温到850±10℃预冷30分钟，为淬火做准备。

渗碳工艺曲线见图5。

图5

2.4.320CrMo渗碳后淬火工艺原理根底

〔1〕淬火目的:

淬火的目的是为了使过冷奥氏体进展马氏体〔或贝氏体〕转变，得到马氏体〔或贝氏体〕组织，然后配合以不同温度的回火，以提高工件的硬度、强韧性、弹性、耐蚀性和耐磨性等，获得所需的力学性能。

〔2〕淬火温度：

淬火温度：

840±10℃

依据：

20CrMo为低碳钢，加热温度t=Ac3+30~50℃

〔3〕淬火介质：

油冷

〔3〕保温时间：

20～30min

为工件在渗碳炉中保温的时间已经足够长无需再加热很长时间。

〔4〕淬火后组织：

渗碳淬火后齿轮由外表至心部的组织依次为：

马氏体+碳化物〔少量〕+剩余奥氏体→马氏体+剩余奥氏体→马氏体→低碳马氏体〔心部〕。

图6