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推荐汽车发动机齿轮材料的选择及工艺设计课程设计精品
专业课程设计任务书
姓名：
吕永丹班级：
材科102
设计题目：
汽车发动机齿轮材料的选择及工艺设计
设计内容：
1、根据零件工作原理，服役条件，提出机械性能要求和技术要求。
2、选材，并分析选材依据。
3、制订零件加工工艺路线，分析各热加工工序的作用。
4、制订热处理工艺卡，画出热处理工艺曲线，对各种热处理工艺进行分析，并分析所得到的组织，说明组织及性能的检测方法与使用的仪器设备。
5、分析热处理过程中可能产生的缺陷及补救措施。
6、分析零件在使用过程中可能出现的失效方式及修复措施。
1前言
本课程设计了20CrMnTi适用于汽车发动机齿轮的可靠性。
汽车发动机齿轮作为汽车发动机中的重要零部件，其材料是保证其本身工作性能和可靠性的基础。
对发动机齿轮的失效形式分析，其主要承受交变载荷，冲击载荷，剪切应力和接触应力大等，因此对齿轮在材料、精度、强度、耐久性和可靠性等方面提出了更高要求。
20CrMnTi合金钢是一种优良的渗碳钢，有高的淬透性，经渗碳淬火加低温回火后，表面硬度很高，心部强度和塑性，韧性配合很好。
关键词：
发动机齿轮，20CrMnTi，锻造，淬火+低温回火
2汽车发动机齿轮工作条件及性能要求
2.1汽车发动机齿轮工作条件
发动机和汽车的起动系统、燃油系统、滑油系统、液压系统等主要附件都是由发动机转子通过齿轮传动装置带动的。
在整个行驶过程中，齿轮传动都必须可靠地工作，以保证发动机和汽车所有附件的转速、转向和所需功率符合设计要求。
随着汽车发动机性能和可靠性要求的不断提高，齿轮承受的交变载荷和剧烈冲击载荷在不断增加，所受应力复杂，工况恶劣。
因此，要使齿轮在工作时，从它的失效形式方面的考虑，就必须保证它能在一定的高温环境中工作。
齿轮是机械工业中应用最广泛的重要零件之一。
其主要作用是传递动力，改变运动速度和方向。
是主要零件。
其服役条件如下：
齿轮工作时，通过齿面的接触来传递动力。
两齿轮在相对运动过程中，既有滚动，又有滑动。
因此，齿轮表面受到很大的接触疲劳应力和摩擦力的作用。
在齿根部位受到很大的弯曲应力作用；在运转过程中的过载产生振动，承受一定的冲击力或过载；变速齿轮在换档时，端部受冲击，承受一定冲击力；在一些特殊环境下，受介质环境的影响而承受其它特殊的力的作用。
2.2汽车发动机齿轮的机械性能要求及技术要求
根据齿轮的受力情况和失效分析可知,齿轮一般都需经过适当的热处理,以提高承载能力和延长使用寿命,齿轮在热处理后应满足下列性能要求:
①高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度（抗疲劳点蚀）。
②齿面具有较高的硬度和耐磨性。
③齿轮心部具有足够的强度和韧性。
高的淬透性。
20CrMnTi钢属于合金渗碳钢，有高的淬透性，经渗碳淬火加低温回火后，表面硬度很高，心部强度和韧、塑性配合很好，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%。
另外，钢退火后硬度低、塑性好。
为提高发动机齿轮的耐磨性，齿轮开齿后需要进行渗碳处理，然后再进行淬火和低温回火，从而保证齿轮表面具有高硬度、高耐磨性而心部具有很好的韧性。
对20CrMnTi钢的硬度要求齿面硬度：
58～64HRC；心部硬度：
ms≤8mm时，32～45HRC；ms＞8mm时，29～45HRC。
需要进行渗碳，渗碳层深度：
ms≤5mm时，0.9～1.3mm；5mm＜ms＜8mm时，1.0～1.4mm；ms＞8mm时，1.2～1.6mm。
（ms—端面模数）
表120CrMnTi钢的技术要求
试样取样位置
力学性能
条钢按GB2975，锻件按图样
零件表面
σbMPa
930
σ0.2MPa
685
δ5%
11
Ψ%
50
AkuJ
88
HB
≤217
HRC28～45
HRC≥56
2.3汽车发动机齿轮材料的选择及分析
2.3.1汽车发动机齿轮材料的选择
22CrMnMo、20CrMnMoH和20CrMoH钢由于有着较高淬透性而用于中型汽车齿轮。
此类钢可采用渗碳后直接淬火工艺。
由于铬锰钼钢和铬钼钢中含有铬和钼等形成碳化物的元素，在渗碳过程中将促使轮齿表面碳含量增加，容易在渗碳层组织中出现大量碳化物，使渗碳层性能恶化。
因此，齿轮采用铬锰钼钢和铬钼钢渗碳时，宜采用弱渗碳气氛，以防止形成过量碳化物。
22CrMnMo和20CrMnMoH齿轮锻坯正火后在650～670℃进行高温回火处理，金相组织为细片状珠光体+少量铁素体，硬度为171～229HB。
20CrMnH齿轮锻坯最好在连续式等温正火炉中处理，935～945℃加热，640～650℃先预冷后等温，可获得均匀的铁素体+珠光体组织，硬度为156～207HB。
文献指出，20CrMoTi钢冶炼工艺稳定，淬透性带较窄且易于控制，与20CrMnH钢齿轮比较，具有热处理畸变小；渗层有良好、稳定的淬透性；金相组织、渗碳淬火后的表面和心部硬度，均能较好地满足技术要求；疲劳性能好，比较适合汽车中小模数齿轮。
20CrMnTi是典型的中淬透性钢，该钢由于Cr、Mn多元复合合金化的作用，淬透性好，油淬临界直径为40mm左右。
渗碳后淬火回火具有较高耐磨性和抗弯强度以及高的强韧性，特别是良好的低温冲击韧性，钢的渗碳工艺性较好，晶粒长大倾向小，热处理工艺简单，但高温回火时有回火脆性倾向，渗碳后可直接淬火，变形比较小。
20CrMnTi的热加工和冷加工性能较好，正火后硬度为HB180～230，相对切削性能好，并可获得光洁的表面。
一般可用于制造截面在30mm以下的承受高速、中速及重载荷以及冲击和摩擦的重要渗碳零件，如齿轮、齿轮圈、离合器轴、液压马达转子等。
综合考虑齿轮的服役条件，既保证齿轮的疲劳寿命，又减少齿轮的热处理畸变，采用20CrMnTi作为本次课设的汽车发动机齿轮的材料。
2.3.2汽车发动机齿轮材料的分析
表220CrMnTi的化学成分（质量分数，%）
C
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
Cu
Ti
0.17～0.23
0.17～0.37
0.80～1.10
≤0.035
≤0.035
1.00～1.30
≤0.030
≤0.030
0.04～0.10
成分分析：
钢的含碳量可保证形成大量的合金碳化物，淬火加热时，一部分融入奥氏体中，提高其稳定性，同时也使马氏体中的合金元素含量增加，保证其硬度；而未溶的碳化物则起细化晶粒、提高韧性的作用．并提高钢的耐磨性。
Cr是20CrMnTi合金钢中主要的合金元素，它使钢的淬透性大大增加，提高其回火稳定性，并产生二次硬化现象。
钛与碳形成高硬度的碳化物，加热时未溶的碳化物可细化晶粒、提高钢的耐磨性的作用。
锰和硅是炼钢过程中必须加入的脱氧剂，用以去除溶于钢液中的氧。
它还把钢液中的氧化铁还原成铁，并形成氧化锰和二氧化硅。
锰除了脱氧作用外，还有除硫作用，即与钢液中的硫结合成MnS,从而在相当大成度上消除硫在钢中的有害影响。
这些反应产物大部分进入炉渣，小部分残留与钢中，成为非金属夹杂物。
脱氧剂中的锰和硅会有一部分溶于钢液中，冷至室温后即溶于铁素体中，提高铁素体的强度。
硅溶于铁素体中后有很强的固溶强化作用，显著提高钢的强度和硬度。
Ti也是20CrMnTi合金钢中的主要元素。
它的存在提高了钢的强度，而不降低其塑性，改善了钢铁的低温韧性降低了钢铁的临界冷却速度，提高铁的淬透性扩大奥氏体区，是奥氏体化的有效元素，此外其本身具有一定耐蚀性，对一些还原性酸类有良好的耐蚀能力。
3汽车发动机齿轮加工工艺
3.1汽车发动机齿轮加工工艺流程及各工序作用
（1）工艺路线
汽车发动机齿轮的制造工序基本上相同，对于不同的钢种，在其热处理时有些许差异。
一般都采用棒料经锻造—粗车—调质—半精车—粗磨基准—开齿（包括插齿、刨齿、滚齿、铣齿等）—磨齿—局部渗碳（渗氮或氰化）—低温回火（渗碳后扩散处理）—淬火—喷丸--精磨基准—磨齿。
（2）各工序作用
①锻造的作用：
通过锻造能消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷，优化微观组织结构，同时由于保存了完整的金属流线，锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件。
②正火的作用：
用于低碳钢，正火后硬度略高于退火，韧性也较好，可作为切削加工的预处理；用于中碳钢，可代替调质处理作为最后热处理，也可作为用感应加热方法进行表面淬火前的预备处理；用于工具钢、轴承钢、渗碳钢等，可以消降或抑制网状碳化物的形成，从而得到球化退火所需的良好组织；用于铸钢件，可以细化铸态组织，改善切削加工性能；用于大型锻件，可作为最后热处理，从而避免淬火时较大的开裂倾向；用于球墨铸铁，使硬度、强度、耐磨性得到提高，如用于制造汽车、拖拉机、柴油机的曲轴、连杆等重要零件；过共析钢球化退火前进行一次正火，可消除网状二次渗碳体，以保证球化退火时渗碳体全部球粒化。
③渗碳的作用：
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℃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获得很高的硬度，提高其耐磨程度。
④淬火的作用：
获得强度，硬度和塑性，韧性都较好的综合机械性能。
⑤回火的作用：
消除工件淬火时产生的残留应力，防止变形和开裂；调整工件的硬度、强度、塑性和韧性，达到使用性能要求；稳定组织与尺寸，保证精度；改善和提高加工性能。
⑥喷丸的作用：
是把金属毛坯，一般是铸件或锻件放入密闭的喷丸室内，金属颗粒（喷丸）在压力空气的作用下，撞击毛坯表面。
其作用是去除毛坯表面氧化皮，消除毛坯内部应力。
3.2汽车发动机齿轮具体热处理工艺及分析
3.2.1锻造
造齿轮的毛坯经过锻造后获得基本的形状。
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。
齿轮的锻造工艺是用棒料镦经切削加工制成的，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。
20CrMnTi合金钢的始锻温度为1180℃，中锻温度为850℃，锻后进行缓慢冷却。
接触疲劳试样由棒料，弯曲疲劳试样从GF齿圈上截取，改锻成齿轮式样毛坯。
20CrMnTi合金钢的终锻温度为850℃，锻后经880～920℃正火（空冷）和650～780℃退火（炉冷）处理。
表3锻造热处理温度
始锻温度
终锻温度
正火温度
退火温度
1180℃
850℃
880～920℃
650～780℃
3.2.2正火
锻坯等温正火是为消除内应力，改善、细化组织，为后续加做准备，便于切削加工。
①正火温度：
正火是将钢加热到Ac3以上30℃～50℃,保温足够的时间后出炉在空气中冷却到室温。
对于一般的齿轮采用正火,正火可以减少碳和其他合金元素的成分偏析;使奥氏体晶粒细化和碳化物的弥散分布,以便在随后的热处理中增加碳化物的溶解量。
由于正火的冷却速度较快,获得细小的片层状渗碳体珠光体,强度、硬度都较高,力学性能较好。
这里选择的正火温度为：
加热920～950℃。
②冷却方式：
空冷，由于正火的冷却速度较快,获得细小的片层状渗碳体珠光体,强度、硬度都较高,力学性能较好。
然而正火工艺是空冷,对于尺寸较大零件,内外温差大冷却速度不稳定,在连续冷却时,过冷奥氏体在A1-550℃温度范围内分解为珠光体,在550℃-Ms温度范围内,因转变温度较低转变为贝氏体组织（即含碳量具有一定过饱和度的铁素体和分散的渗碳体（或碳化物）的混合物）,其特征是过饱和碳的铁素体中分布粒状或长条状的碳化物。
锻造毛坯正火产生的粒状贝氏体引起硬度增高,导致了齿型加工困难,使刀具早期磨损。
对于车辆齿轮或大批量的小型齿轮越来越多采用等温正火工艺。
这样可以得到很硬的马氏体组织，从而能够减少变形和开裂。
③正火得到的组织：
珠光体+少量铁素体组织。
④硬度检测：
在正常情况下，用HRS-150洛氏硬度计测得的硬度值为156～207HBS。
设备：
RJX-75-9
t/h
图120CrMnTi的正火工艺曲线
3.2.3渗碳+淬火
渗碳：
使机械零件获得高的表面硬度，耐磨性和高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度。
渗碳温度：
920～950℃，保温时间按渗碳层深度确定，取t＝6h，渗碳层深度：
1.8～1.9mm
20CrMnTi渗碳采用井式气体渗碳炉渗碳，渗碳气体使用碳氢化合物有机液体，如煤油、丙酮等直接滴入炉内气体而得，为提高渗入速度，是表面达到合适的含碳量，将渗入过程分两个过程进行，即渗入阶段和扩散阶段。
淬火：
20CrMnTi经渗碳后直接进行淬火。
齿轮渗碳后可预冷到870～880℃并保温一段时间，预冷过程中渗碳层析出二次渗碳体，深层中残余奥氏体量减少，预冷温度不应过低，以免心部游离铁素体增多，降低心部硬度，预冷应在炉内进行，并应防止表面脱碳，选择870℃，预冷2h。
淬火介质选择10﹟机械油，因为20CrMnTi淬透性好，油淬临界直径DO≤40mm油淬后可减少渗碳层中残余奥氏体，提高耐磨性和接触疲劳强度而心部有较高强度和韧性，淬火表面硬度HRC58～63,心部HRC33～45。
设备：
RQ3-75-9T。
图220CrMnTi的渗碳工艺曲线
3.2.4低温回火
①回火温度：
160～180℃，在这个温度下，齿轮表面不仅硬而耐磨，同时心部有较好的韧性和塑性。
②冷却方式：
空冷。
③回火设备：
RJ2-75-6
④回火得到的组织：
表层：
回火马氏体+K+Ar；芯部：
低C-M。
⑤硬度检测：
在正常情况下，用HRS-150洛氏硬度计测得的硬度值为58～62HRC。
图320CrMnTi的低温回火工艺曲线
3.2.5各热处理工艺后的金相组织分析
①20CrMnTi等温正火后金相组织如下所示：
图4100×图5500×
浸蚀方法：
4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：
均匀细小等轴状的珠光体和铁素体组织
20CrMnTi是一种渗碳用钢，渗碳前一般应进行正火处理，以细化晶粒、改善组织分布，为正常渗碳作好组织准备。
②20CrMnTi（930℃渗碳后淬火、回火处理）金相组织如下图：
图6100×图7400×
浸蚀方法：
4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：
图6：
表面渗碳层至心部组织分布形貌，回火温度较低，表面合金高碳马氏体区较难浸蚀。
图7：
齿的节圆处渗碳层组织，针状及隐针状马氏体（3～4级），残余奥氏体（8级），白色小条状碳化物（4～5级）。
图8：
齿角处渗碳层组织，基本与节圆相同，但碳化物趋网状分布，可评为7～8级。
图8400×
3.2.6热处理工艺过程中可能产生的缺陷及处理措施
①渗碳淬火后齿轮的检验项目、内容和要求
检验项目
检验内容及要求
原材料质量
用试样检查化学成分﹑低倍组织﹑晶粒度、淬透性、带状组织
毛坯力学性能
用试样检查检查布氏硬度，按图样检查σb、σ0.2、δ、Ψ、Ak
外观质量
用齿轮检查渗碳淬火后100％检查表面氧化、裂纹及碰伤
渗层深度
用试样检查按图样要求，从表面测到HV550深度处为有效硬化层深度，显微检查渗碳总深度时，碳钢为过共析＋共析＋1/2过渡区；合金钢为过共析＋共析＋全部过渡区。
过共析＋共析层应占总深度为50％～70％
表面硬度
用齿轮检查按图样要求，为HRC58～62
心部硬度组织
用齿轮检查按图样要求，为HRC33～45
心部组织为板条马氏体＋少量铁素体
表面碳浓度
用试样检查按图样要求，为0.75％～1.0％
表层显微组织
用试样检查按ZB/T04001-1988检查，细针马氏体＋分散细小碳化物＋少量残余奥氏体为佳，按标准图，马氏体和残余奥氏体1～5
表面裂纹
不允许有裂纹,100﹪磁粉探伤,批量件≥5件可抽查
齿部磁粉探伤
模数/mm缺陷最大尺寸/mm
≤2.50.8
＞2.5～81.6
＞82.4
畸变
用齿轮检查按图样和工艺要求检查
②渗碳齿轮的常见缺陷及防止措施
缺陷名称
产生原因
防止措施
毛坯硬度偏高
正火温度偏低或保温时间不足使组织中残留少量硬度较高（HV≥250）的魏氏组织，正火温度超过钢材晶粒显著长大的温度
应重新制订正火工艺；检查控温仪表，校准温度，控制正火冷却速度
毛坯硬度偏低
正火冷却过缓
重新正火，加强冷却
带状偏析
钢材合金元素和杂质偏析，一般正火难以消除
更换材料
层深不足
碳势偏低；温度偏低或渗期不足
提高碳势；检查炉温，调整工艺，延长渗碳时间
渗层过深
碳势过高，渗碳温度偏高；渗期过长
降低碳势；缩短周期，调整工艺
渗层不均
炉内各部分温度不均；碳势不均；炉气循环不佳；工件相互撞碰；齿面有脏物；渗碳时在齿面结焦
齿轮表面清洗干净；合理设计夹具；防止齿轮相互碰撞；在齿轮料盘上加导流罩，保证炉内各部温度均匀；严格控制渗碳剂中不饱和碳氢化合物
过共析＋共析层比例过大（大于总深度的3／4）
炉气碳势过高；强渗和扩散时间的比例选择不当
降低碳势；调整强渗与扩散期的比例，如果渗层深度允许，可返修进行扩散处理
过共析＋共析层比例过小（小于总深度的1／2）
炉气碳势过低，强渗时间过短
提高炉气碳势；增加强渗时间；可在炉气碳势较高的炉中补渗
表面碳浓度过高形成大块碳化物网
炉气碳势过高，强渗时间过长
降低碳势，缩短强渗时间；如果渗层深度允许，可在较低碳势炉中进行扩散处理；适当提高淬火温度；进行一次渗层的球化退火
表面残留奥氏体过多
碳含量过高；渗后冷却过快，碳量析出不够，淬火温度偏高
调整渗碳工艺控制碳含量；从渗碳炉或预冷炉中出炉的温度不宜过高；降低淬火温度
表面含碳量过低
炉气碳势过低，炉温偏高；扩散时间过长
提高碳势；检查炉温，调整强渗与扩散时间的比例
表层马氏体针粗大
淬火温度偏高
降低淬火温度
表层出现非马氏体组织
升温排气不充分；炉子密封性差，漏气，使表层合金元素氧化，淬火冷却速度低
从设备和工艺操作上减少空气进入炉内；适当提高淬火冷却速度；在渗碳最后10min左右通入适量氨气
表层脱碳
渗后出炉温度过高；炉子出现严重漏气；淬火时产生氧化
防止炉子漏气；降低出炉温度；控制淬火时炉内气氛；盐炉淬火脱氧要充分；补渗碳
心部硬度偏低
淬火温度过低；冷却速度不当，心部游离铁素体过多；选材不当
提高淬火温度；加强淬火冷却；采用两次淬火；更换材料
畸变
淬火温度偏高；冷却方法不当；夹具设计不合理，材料选择不当
调整淬火工艺，合理设计夹具，改善冷却条件，改换钢材
4汽车发动机齿轮使用过程中可能出现的失效方式及预防措施
（1）疲劳断裂
齿轮在交变应力和摩擦力的长期作用下，导致齿轮点面接疲劳断裂。
其产生是由于当齿轮受到弯曲应力超过其持久极限就出现疲劳破坏而超过材料抗弯强度时，就造成断裂失效；处理措施：
直接更换零件。
（2）表面损伤
点蚀：
是闭式齿轮传动中最常见的损坏形式，点蚀进一步发展，表现为蚀坑至断裂;
硬化层剥落：
由于硬化层以下的过渡区金属在高接触应力作用下产生塑性变形，使表面压应力降低，形成裂纹造成碳化层剥落；预防措施是适当提高齿面硬度和光洁度，大小齿轮应采取不同钢种，低速传动采用粘度大的润滑油，高速转动时，设法降低油温，并采用活化性润滑油，设计上采取措施提高制造精度和装配质量。
（3）磨损失效
摩擦磨损：
汽车、拖拉机上变速齿轮属于主载荷齿轮，受力比较大，摩擦产生热量较大，齿面因软化而造成塑性变形，在齿轮运转时粘结而后又被撕裂，造成齿面摩擦磨损失效；预防措施是在相同油膜温度和压力下，保证油的高粘度。
避免在低速、重载、极端温度、相对比较粗糙不规则的表面、供油不足和油粘度太低的情况下使用。
磨粒磨损：
外来质点进入相互啮合的齿面间，使齿面产生机械擦伤和磨损，比正常磨损的速度来得更快。
预防措施是保证润滑油的清洁度，并且避免外来颗粒的影响。
另外，齿轮除上述失效形式外，还有在换档时，齿端相互撞击，而造成的齿端磨损，或因换档过猛或过载造成断裂以及齿面塑性变形，崩角等失效形式；应对措施：
预防措施是适当提高齿轮的模数，且重合度大于2，对防止断齿较有利，控制齿宽，采用大尺寸倒角，并对齿端锐角齿面进行修磨。
5心得体会
通过分析可知，20CrMnTi钢经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。
目前导致模具损坏的因素很多，但主要的还是锻造工艺或热处理工艺不尽合理而造成的。
零件的综合性能处理与组成其本身的元素基体外，最主要的影响因素是热处理工艺。
通过良好的热加工工艺，可以有效的将合金材料的综合性能提高。
从而使零件的寿命得以延长，从而获得更好的效益。
通过对汽车发动机齿轮的工艺设计，综合了《材料科学基础》、《金属热处理工艺学》、《失效分析》、《金属力学性能》等知识。
更重要的是使我懂得了运用知识的重要性和理论联系实际的妙处。
经过这次课程设计，我学到了不少的东西，同时也发现了不少的问题。
主要的问题就是找来工具书以后，不知道怎样找到自己所需要的内容，同时在对知识的汇总时，总觉得自己有些混乱，不知道从何处下手。
其实有问题并不可怕，只要找到解决的方法，就能不断地提高自己。
最终，在老师的指导下，我也算是顺利的完成了这次课程设计。
我还发现，课程设计中细节问题还真是不少，尤其是课程设计报告的格式问题让我觉得有些不习惯，但老师着重强调这个问题，也是让我们关注细节，也是让我们为做准备。
最后，我还要感谢老师的细心指导和帮助，使我解决了一个个困惑，让我在知识和能力方面都有不少的提升，为我以后的学习生活打下了很好的基础。
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