采煤机传动齿轮的材料选择与热处理工艺.docx
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采煤机传动齿轮的材料选择与热处理工艺
分类号：
无锡职业技术学院
毕业设计（论文）
题目采煤机传动齿轮的材料选择与热处理工艺
英文并列题目MaterialSelectionandHeatTreatmentProcessofCoalMiningMachineTransmissionGear
院系机械技术学院班级材料11532
学生姓名学号
指导老师
（1）职称
指导老师
（2）职称
答辩委员会主任主答辩人
二零年月
毕业设计（论文）开题报告
学生姓名
学号
班级
材料11532
所属院系专业
机械技术学院
指导教师
宋佳娜
职称
讲师
所在部门
机械技术学院
毕业设计（论文）题目
采煤机传动齿轮的材料选择与热处理工艺
题目类型
工程设计（项目）□
论文类□√
作品设计类□
其他□
1、选题简介、意义
1：
选题简介：
在煤矿采煤机械中，齿轮传动系统是一个应用广泛，又十分重要的部分。
由于采煤机械工作环境恶劣，传动齿轮基本处于低转速、重负荷等工况下运转。
所以齿轮就显得十分重要，如果齿轮的质量不合格，采煤机很难发挥作用，因此采煤机传动齿轮的任何制造环节都非常重要，尤其是热处理工艺。
本文主要通过对齿轮材料的选择以及热处理工艺的介绍，进而探讨了提高采煤机传动齿轮性能途径。
2：
意义：
齿轮传动是机械传动中常用的传动系统。
为了充分发挥齿轮的承载能力、提高传动效率、保证预期的工作寿命，必须保证良好的传动齿轮质量。
本课题进行相关设计，设计一种高性能的采煤机传动齿轮。
二、课题综述（课题研究，主要研究的内容，要解决的问题，预期目标，研究步骤、方法及措施等）
课题研究：
针对采煤机传动齿轮的工作环境，性能要求进行分析。
选择40Cr，20CrMnMo，45钢进行对比分析，最后选定一种材料作为采煤机传动齿轮的制作材料。
主要研究内容：
采煤机传动齿轮的的工作环境，及失效形式。
齿轮的材料性能要求及热处理工艺分析。
解决的问题：
（1）具有高的疲劳极限
（2）具有高的抗弯强度（3）具有较高的韧性（4）具有高的耐磨性（6）具有高温下的高强度（7）具有一定的精度
预期目标：
选出采煤机传动齿轮的材料，并设计出热处理工艺的相关步骤
研究步骤：
备料→锻造→正火→粗、半精加工→制齿→调质→低温回火→精机加工磨齿
方法及措施：
淬火后表面硬度偏低。
渗碳齿轮表面硬度偏低，将会导致齿轮耐磨性和抗疲劳性能降低①对已造成齿轮表面含碳量低的齿轮采取适当增碳处理。
②选择淬透性合适的材料和冷却能力适当的冷却介质，淬火冷却;渗层深度不够或不均匀，渗碳时，要注意炉内气氛充分循环，炉内各部分温度要均匀，各区风扇要按照相关规定定期检查。
另外要选择合理的炉内前后压力比;经淬火后零件硬度偏低和出现软点等问题,其中最有效的办法是采用盐浴或可控气氛或真空加热。
3、设计（论文）体系、结构（大纲）
引言
1传动齿轮的材料选择与热处理工艺概述
2采煤机传动齿轮齿轮材料选择与热处理工艺设计
2.1传动齿轮的服役条件、失效形式及性能要求
2.1.1服役条件、失效形式
2.1.2性能要求
2.2传动齿轮材料的选择
2.2.1选择原则
2.340Cr的性能及热处理工艺分析
2.3.140Cr的正火工艺理论基础、原则
2.3.240Cr调质工艺理论基础、原则
2.3.340Cr感应加热淬火工艺原理
2.3.440Cr回火工艺理论基础、原则
2.445钢的性能及热处理工艺分析
2.4.145钢的正火工艺理论基础、原则
2.4.245钢调质工艺理论基础、原则
2.4.345钢感应加热淬火工艺原理
2.4.445钢回火工艺理论基础、原则
2.520CrMnMo的性能及热处理工艺分析
2.5.120CrMnMo的正火工艺理论基础、原则
2.5.220CrMnMo调质工艺理论基础、原则
2.5.320CrMnMo感应加热淬火工艺原理
2.5.420CrMnMo回火工艺理论基础、原则
2.6选择设备、仪表
2.6.1设备
2.6.2仪表
2.7采煤机传动齿轮热处理质量检验项目、内容及要求
2.8采煤机传动齿轮热处理常见缺陷的预防和补救方法
2.8.1加热时常见的缺陷的预防及补救方法
2.8.2调质时常见的缺陷的预防及补救方法
2.8.3感应加热淬火缺陷与预防、补救
2.9热处理工艺卡
2.9.1正火工艺卡
2.9.2调质工艺卡
2.9.3感应淬火工艺卡
2.9.4低温回火工艺卡
结论
参考文献
指导教师意见：
签字：
年月日
院（系）审批意见：
签章：
年月日
毕业设计（论文）任务书
2018年1月19日
毕业设计（论文）题目
采煤机传动齿轮的材料选择与热处理工艺
题目来源
企业
指导教师
宋佳娜
职称
讲师
所在部门
机械技术学院
学生姓名
周渊
学号
1040153237
班级
材料11532
所属院系专业
材料系
外语翻译要求
对论文标题和摘要、关键词进行翻译
课题需要完成的任务
1．搜集、整理毕业设计（论文）资料；
2．完成毕业设计（论文）一篇；
3．完成热处理工艺卡一份；
4．完成毕业设计小结一份。
课题
计划安排
序号
内容
时间安排
1
搜集、整理毕业设计（论文）资料
2018.1.19-2018.2.15
2
拟写毕业设计（论文）大纲，完成开题报告
2018.2.16-2018.3.1
3
进行毕业设计（论文）撰写
2018.3.2-2018.3.20
4
递交毕业设计（论文）初稿
2018.3.21-2018.4.5
5
进行毕业设计（论文）修改、最终定稿
2018.4.6-2018.4.20
计划答辩
时间
2018.4.24
答辩提交资料
毕业设计（论文）、毕业设计小结
教研室主任审核意见
签名：
采煤机传动齿轮的材料选择与热处理工艺
摘要:
该论文对采煤机的材料选择和热处理工艺进行分析。
提高产品的使用价值，降低其生产成本，可以提高产品的核心竞争力。
只有这样，才能提高企业的效率，提高企业的竞争力。
本文通过对采煤机传动齿轮的工作环境和性能要求的分析，提出了齿轮的性能要求，并对各种材料进行了机械、技术和经济的比较。
制定合理的加工工艺路线，在生产过程中，考虑了材料的性能和热处理工艺的可操作性和经济性。
对比得出最后最适宜的材料并对工件的热处理及零件常见热处理缺陷与预防措施进行了分析与讨论。
关键词:
传动齿轮材料；分析；热处理；工艺；
MaterialSelectionandHeatTreatmentProcessofCoalMiningMachineTransmissionGear
Abstrack:
Thispaperanalyzesthematerialselectionandheattreatmentprocessofcoalminingmachine.Increasingitsusevaluewhilereducingitsproductioncostcanenhancethecorecompetitivenessofaproduct.Onlyinthiswaycantheefficiencyoftheenterpriseincreasethecompetitivenessoftheenterprise.Thisarticlethroughtothecoalminingmachinegearworkingconditionsandperformancerequirementsanalysis,putforwardtherequirementsfortheperformanceofthegear,throughmechanicalpropertiesofallkindsofmaterials,technology,economy,formulatethereasonableprocessingcraftroute,andintheprocessofproductionconsideringtheperformanceofthematerialandheattreatmentprocessofmaneuverabilityandeconomy,comparingconcludedtheoptimummaterialandheattreatmentofworkpieceandthecommonheattreatmentdefectpartsandpreventivemeasuresareanalyzedanddiscussed.
Keywords:
Transmissiongearmaterial,Design,Heattreatment,process
引言8
1传动齿轮的材料选择与热处理工艺概述8
2采煤机传动齿轮齿轮材料选择与热处理工艺设计9
2.1传动齿轮的服役条件、失效形式及性能要求9
2.2传动齿轮材料的选择9
2.345钢的性能及热处理工艺分析.............................................................................................
2.440Cr的性能及热处理工艺分析10
2.520CrMnMo性能及热处理工艺分析………………………………………………………8
2.6三种材料的性能对比分析………………………………………………………………9
2.7材料的最终确定…………………………………………………………………………15
3、20CrMnMo齿轮轴热处理工艺方案分析……………………………………………………15
3.120CrMnMo预先热处理工艺……………………………………………………………16
3.220CrMnMo最终热处理工艺……………………………………………………………16
3.3热处理工艺曲线图……………………………………………………………………18
4、采煤机传动齿轮的常见热处理缺陷…………………………………………………………20
5、结论…………………………………………………………………………………………24
参考文献26
引言
自从改革开放以来，我国齿轮行业伴随国民经济的快速发展取得了很大的进步。
齿轮产品种类齐全，广泛应用于航空、船舶、兵器装备、汽车摩托、农机、机床工具、工程机械等领域，形成了独立完整的工业体系。
齿轮应具有较高的接触疲劳和弯曲疲劳强度，以及良好的耐磨性和冲击韧性。
齿轮质量的优劣，直接影响到各种机器使用的可靠性及经济性。
热处理是提高齿轮强度、硬度、耐磨性、韧性及综合疲劳性能的重要工艺方法。
但是，在热处理过程中，常用原材料、设计、工艺等操作方面的问题，导致齿轮产生裂纹而报废，给企业造成了较大的经济损失。
在热处理时要根据齿轮材料及结构和技术的要求，制定合适的热处理工艺并认真进行生产，以达到要求。
在工艺设计、选材、材料分析与加工、热处理规范的制定与实施、加热与冷却方式和淬火介质的选用。
组织与性能控制、热处理装备的可靠性，以及热处理质量检验环节的重视。
并对热处理生产过程实施全面质量管理，以提高齿轮热处理质量，延长使用寿命，减少废品，降低成本。
1传动齿轮的材料选择与热处理工艺概述
Shearer现在是一个非常重要的机械化和现代化的煤炭生产设备。
使用采煤机可以尽量减少工人的体力劳动，提高煤矿开采的安全性，增加产量和销量，降低采取的成本。
传动系统是其中一个很重要的部分。
由于采煤机的工作环境恶劣，传动齿轮处于低转速和高负荷的工作情况下运转。
所以需要选择高强度的齿轮材料和对齿轮进行合理的热处理来提高齿轮的承载能力并增加齿轮的使用寿命。
2采煤机传动齿轮齿轮材料选择与热处理工艺设计
2.1传动齿轮的服役条件、失效形式及性能要求
2.1.1服役条件、失效形式
采煤机是现代化开采煤矿中的关键设备，采煤机的现代智能还处于很低的水平，只要采煤机出现一点问题，整个煤矿开采工作将会暂停，导致很多资金损失。
采煤机传动齿轮的强度和寿命直接决定了煤矿开采的数量。
采煤机的传动齿轮在运转时主要处于低速高载荷。
在工作过程中的主要失效形式主要有以下几种：
（1）磨损：
采煤机的工作环境十分恶劣且工作时间很长。
（2）表面点蚀：
两个齿面在接触时产生的接触应力超过材料所能承受的解除疲劳极限时，齿面会出现裂纹，时间长了会导致齿面损坏，导致最后传动齿轮没有办法工作。
（3）胶合：
采煤机在工作时，在超负荷工作的作用下会导致两齿轮直接接触在一起，齿面会进行相对滑动形成损伤。
（4）塑性变形：
在传动齿轮重载的作用下，齿轮偏软的部分会塑性变形，导致齿轮变形。
2.1.2性能要求
（1）齿轮具有较高的弯曲疲劳强度，齿轮根部处要有足够的强度，使工作时所产生的弯曲应力还不足够造成疲劳断裂。
（2）齿轮具有足够高的齿轮心部强度和冲击韧度，防止工作时的过载与冲击断裂。
（3）齿轮应该有良好的切削加工性，热处理淬火加工形变要小，获得更高的加工精度来提高齿轮抗磨损能力。
（4）齿轮具有高的疲劳极限，表面具有足够的硬度和耐磨性，防止齿面因为互相摩擦带来损伤。
（5）价格便宜，来源方便
2.2传动齿轮材料的选择
2.2.1选择原则
采煤机的传动齿轮材料的选择根据采煤机传动齿轮的工作条件，要求和性能来决定。
现在的传动齿轮主要是由传动工作时的传动速度和载荷大小来决定的。
传动工作时的载荷大小主要是由齿轮传递转动扭矩的大小。
大部分齿轮都是使用的渗碳钢或者调质钢系列。
碳钢比合金钢价格便宜，对应力集中的敏感性低，可以通过热处理来改善他的性能，碳钢的加工工艺好。
合金钢力学性能和淬火性能要比碳钢好，但是对应力集中相对于来说比较敏感，而且价格很高。
用于强度较高和耐磨性强的齿轮。
渗碳处理后可以提高他的耐磨性。
所选材料的工艺性能代表了材料本身所能承受的加工工艺标准。
传动齿轮的加工经过锻造制坯、车削加工和热处理等几种加工工序，所以选材时要注意材料的工艺性能。
总的来说，碳钢的锻造、切削加工等工艺性能比较好，碳钢的机械性能可以满足很多加工工艺。
但是缺点是强度不高，淬透性不好。
而合金钢淬透性好、强度高，但是锻造和切削加工性能比较差。
我们可以通过改变加工的工艺流程和热处理的一些方法来改善材料的工艺性能。
齿轮属于易耗品应该考虑其经济效益，在满足使用性能的前提下，选材还应该注意降低零件的成本来达到利益最大化。
采用不同的热处理方法使用费用也不同，选择钢类种类集中可以使我们方便购买，还可以通过热处理工艺来降低成本。
传动齿轮的材料选择主要由工作条件和工作状况来决定。
需要考虑传动齿轮的弯曲疲劳强度、接触疲劳强度及耐磨性能。
我们初步选定两种材料作为采煤机的传动齿轮：
（1）45钢
（2）20CrMnMo（3）40Cr
2.345钢的性能及热处理工艺分析
45钢的化学成分见表1：
表1：
45钢的化学成分
化学成分
C
Si
Mn
Cr
Ni
Cu
含量（％）
0.42~0.50
0.17~0.37
0.5~0.80
≤
0.25
≤0.30
≤0.25
Si：
Si的脱氧能力很强，可以溶于铁素体来提高电阻率、淬透性、提高钢的强度和硬度。
Si的含量增加时，会导致冷脆。
中碳钢和高碳钢容易在回火热处理的时候产生石墨化。
Mn：
Mn的脱氧能力很强，可以溶于铁素体，细化珠光体组织导致改善力学性能，可以提高钢的淬透性，降低s对钢的危害。
但是会有增加晶粒粗化和回火脆性的坏处。
Cr：
可以提高钢的淬透性，并有二次硬化的作用，增加高碳钢的耐磨性，含量超过12％时，使钢具有良好的高温抗氧化性和耐氧化性介质腐蚀作用，提高钢的热强性，是不锈耐酸钢及耐热钢的主要合金元素，但含量高时易产生脆性。
Ni：
提高塑性及韧性（提高低温韧性更明显），改善耐蚀性能，与铬、钼联
合使用，提高热强性，是热强钢及不锈耐酸钢的主要合金元素之一。
Cu：
含量低时，其作用和镍相似；含量较高时，对热变形加工不利。
如超过0.30％时，在热变形加工时导致高温铜脆现象；含量高于0.75％时，经固溶处理和时效后可产生时效强化作用。
在低碳合金钢中，特别是与磷同时存在，可提高钢的抗大气腐蚀性；2％～3％的铜在不锈钢中可提高对硫酸、磷酸及盐酸等的抗腐蚀性及对应力腐蚀的稳定性。
2.440Cr的性能及热处理工艺分析
40Cr的化学成分见表2：
表2：
40Cr的化学成分
化学成分
C
Si
Mn
Cr
S
P
Ni
Cu
含量（％）
0.37~0.44
0.17~0.37
0.5~0.80
0.8~1.1
≤0.035
≤0.035
≤0.30
≤0.30
C：
随着C的含量变高，钢的强度、硬度增加，塑性、韧性减少。
Si：
Si的脱氧能力很强，可以溶于铁素体来提高电阻率、淬透性、提高钢的强度和硬度。
Si的含量增加时，会导致冷脆。
中碳钢和高碳钢容易在回火热处理的时候产生石墨化。
Cr：
提高钢的淬透性，并有二次硬化的作用，增加高碳钢的耐磨性，含量超过12％时，使钢具有良好的高温抗氧化性和耐氧化性介质腐蚀作用，提高钢的热强性，是不锈耐酸钢及耐热钢的主要合金元素，但含量高时易产生脆性。
S：
会导致热脆性增加，在钢中算是有害物。
但是能改善钢的切削性能。
P：
可以溶于铁素体，与铜联合使用，提高低合金高强度钢耐腐蚀性能；与硫、锰联合使用，增强切削性，增加回火脆性。
提高强度硬度。
Ni：
提高塑性及韧性（提高低温韧性更明显），改善耐蚀性能，与铬、钼联
合使用，提高热强性，是热强钢及不锈耐酸钢的主要合金元素之一。
Cu：
含量低时，其作用和镍相似；含量较高时，对热变形加工不利。
如超过0.30％时，在热变形加工时导致高温铜脆现象；含量高于0.75％时，经固溶处理和时效后可产生时效强化作用。
在低碳合金钢中，特别是与磷同时存在，可提高钢的抗大气腐蚀性；2％～3％的铜在不锈钢中可提高对硫酸、磷酸及盐酸等的抗腐蚀性及对应力腐蚀的稳定性。
2.520CrMnMo的性能及热处理工艺分析
20CrMnMo的化学成分如表3：
表3：
20CrMnMo的化学成分
化学成分
C
Si
Mn
Cr
Mo
含量（％）
0.17～0.23
0.17～0.37
0.9～1.20
1.00～1.40
0.20～0.30
C：
随着C的含量变高，钢的强度、硬度增加，塑性、韧性减少。
Si：
Si的脱氧能力很强，可以溶于铁素体来提高电阻率、淬透性、提高钢的强度和硬度。
Si的含量增加时，会导致冷脆。
中碳钢和高碳钢容易在回火热处理的时候产生石墨化。
Mn：
Mn的脱氧能力很强，可以溶于铁素体，细化珠光体组织导致改善力学性能，可以提高钢的淬透性，降低s对钢的危害。
但是会有增加晶粒粗化和回火脆性的坏处。
Cr：
提高钢的淬透性，并有二次硬化的作用，增加高碳钢的耐磨性，含量超过12％时，使钢具有良好的高温抗氧化性和耐氧化性介质腐蚀作用，提高钢的热强性，是不锈耐酸钢及耐热钢的主要合金元素，但含量高时易产生脆性。
Mo：
当钢含量较低时，与铁、碳形成复合的渗碳体；含量较高时可形成钢的特殊碳化物，钼提高钢的淬透性，其作用较铬强．而稍逊于锰钼提高钢的回火稳定性，作为单一合金元素存在时，增加钢的回火脆性；与铬、锰等并存时，钼又降低或抑止因其他元素所导致的回火脆性，钼对铁素体有固溶强化作用．同时也提高碳化物的稳定性．从而提高钢的强度，钼对改善钢的延展性和韧性以及耐磨性起到有利作用，由于钼使形变强化后的软化和恢复温度以及再结晶温度提高，并强烈提高铁素体的蠕变抗力，有效抑制渗碳体在450-600℃下的聚集．促进特殊碳化物的析出，因而成为提高钢的热强性的最有效的合金元素
2.6三种材料的性能对比分析
2.6.145钢、20CrMnMo和40Cr的力学性能
45钢、20CrMnMo和40Cr的力学性能分析见表4
表4：
20CrMnMo和40Cr的力学性能分析
材料
屈服强度σs（MP）
抗拉强度σb（MP）
伸长率δs（％）
断面收缩率Ψ（％）
冲击功Akv（J）
硬度HRC
20CrMnMo
355
600
14
35
39
42～52
40Cr
785
980
9
45
47
56～61
45钢
355
600
16
40
39
42～46
2.6.245钢、20CrMnMo和40Cr的热处理性能
45钢、20CrMnMo和40Cr的热处理性能分析见表5
表5：
45钢、20CrMnMo和40Cr的热处理性能分析
材料
预先热处理
最终热处理
原材料价格（元/吨）
加工工艺经济成本
性
能
工艺
硬度（HBS）
工艺
硬度（HRC）
20CrMnMo
去应力退火
≤217
渗碳淬火+低温回火
渗碳表面：
56～63
一次淬火﹥30
低温回火50～61
4700
低
金相组织：
细针状回火马氏体+粗状碳化物+少量残余奥氏体。
表面有较高的硬度和耐磨性，心部有较高韧性和强度。
40Cr
调质
≤280
感应加热表面淬火+低温回火
45～55
6200
高
金相组织：
索氏体+少量托氏体。
综合力学性能良好，淬透性较低。
45钢
正火
1706～230
调制、高频感应加热、回火
526～58
6000
高
金相组织：
片状珠光体+块状铁素体。
表面硬度增强，心部疲劳强度和韧性加强。
2.6.3热处理工艺分析
金属材料的热处理是将固态金属或合金，采用适当的方式进行加热、保温和冷却，有时并兼之以化学作用和机械作用，使金属合金内部的组织和结构发生改变，从而获得改善材料性能的工艺。
热处理工艺是使各种金属材料获得优良性能的重要手段。
热处理是机械工业的一项重要基础技术，通常像轴、轴承、齿轮、连杆等重要的机械零件和工模具都是要经过热处理的，而且，只要选材合适，热处理得当，就能使机械零件和工模具的使用寿命成倍、甚至十几倍的提.高，实现“搞好热处理，零件一顶几”的目标，收到事半功倍的效果。
热处理对于充分发挥金属材料的性能潜力，提高产品的内在质量，节约材料，减少能耗，延长产品的使用寿命，提高经济效益都具有十分重要的意义。
2.6.4传动齿轮加工工艺主要步骤：
备料→锻造→正火→粗、半精加工→制齿→调质→低温回火→精机加工磨齿
2.6.5材料加工工艺路线分析
（1）锻造，锻钢是
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