20CrMnMo齿轮热处理.docx
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20CrMnMo齿轮热处理
20CrMnMo齿轮热处理
20CrMnMo齿轮热处理工艺设计
1绪论
1.1热处理工艺课程设计的目的
热处理工艺课程设计是高等工业学校金属材料工程专业一次专业课设计练习，是热处理原理与工艺课程的最后一个教学环节。
其目的是：
（1）培养学生综合运用所学的热处理课程的知识去解决工程问题的能力，并使其所学知识得到巩固和发展。
（2）学习热处理工艺设计的一般方法、热处理设备选用和装夹具设计等。
（3）进行热处理设计的基本技能训练，如计算、工艺图绘制和学习使用设计资料、手册、标准和规范。
因此，本课程设计要求我们综合运用所学来的知识解决生产实践中的热处理文艺，包括工艺设计中的细节问题，如设备的选用，为何选用该设备温度调节，。
要求我们设计工艺流程，并且需要我们翻阅大量文献。
灵活运用书籍中的资料，精简知识，精要描绘并且完整体现出来，不能一蹴而就。
1.2课程设计的任务
进行零件的加工路线中有关热处理工序和热处理辅助工序的设计。
根据零件的技术要求，选定能实现技术要求的热处理方法，制定工艺参数，画出热处理工艺曲线图，选择热处理设备，设计或选定装夹具，作出热处理工艺卡。
最后，写出设计说明书，说明书中要求对各热处理工序的工艺参数的选择依据和各热处理后的显微组织作出说明。
1.3热处理工艺设计的方法
热处理工艺的最佳方案是在能够保证达到根据零件使用性能和由产品设计者提出的热处理技术要求的基础上，设计的一种高质量、低成本、低能耗、清洁、高效、精确的热处理工艺方法，通过综合经济技术分析，确定最佳热处理工艺方案。
最后，编写主要热处理工序的操作守则。
2热处理工艺课程设计内容和步骤
2.1课题工件简图
课题工件简图如图2.1
图2.1工件示意图（单位：
mm）
材料：
20CrMnMo
2.2技术要求：
1.由于齿面硬度很高，具有很强的抗点蚀和耐磨损性能；心部具有很好的韧性，表面经硬化后产生的残余应力，大大提高了齿根强度；一半齿面硬度范围56～63HRC。
2.简要流程：
下料-锻造-正火-粗加工-渗碳-淬火-低温回火-精磨-成品。
2.3特点
1.加工性能好。
2.热处理畸变较大，热处理后应磨齿，可以获得高的精度。
2.4适用范围
广泛用于要求承载能力高，抗冲击性能好，精度高，体积小的中型一下齿轮，多出应用于汽车变速器，分动箱，起动机及驱动桥的各类齿轮以及拖拉机的动力传送装置的各类齿轮，20CrMnMo的性能要比20CrMnTi的性能相对较硬。
2.5齿轮的性能要求及为何选用20CrMnMo
为保证齿轮的正常工作,齿轮应具备以下主要性能:
1.高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强。
除材料本身性能外，还可以依靠齿轮的表面强化处理来实现。
2.齿面具有高的硬度和耐磨性，以防止黏着磨损和应力磨损。
耐磨性的提高，主要依靠提高表面硬度和降低摩擦因数来实现。
3.齿轮心部具有足够的强度和韧性，以提高承载能力。
常用的渗碳钢有20CrMnMo，20CrMnTi。
本次设计我用的是20CrMnMo。
20CrMnMo淬火温度850℃，只需要一次，冷却方式与20CrMnTi一样，都采用油冷，一般可制造小雨300mm的高速，中载，受冲击和磨损的重要零件，适用于拖拉机变速箱齿轮，离合器轴和车辆上的主动轴，但某些方面优于20CrMnTi。
表2.120CrMnMo的化学成分[1]
C
Si
Mn
Cr
Mo
P,S
Ni
C
0.17～0.23
0.17～0.37
0.90～1.20
1.10～1.40
0.20～0.30
≤0.0.35
≤0.30
≤0.30
2.6化学成分作用
铬（Cr的影响）
铬为碳化物形成元素。
它能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性；阻止晶粒长大，增加钢的淬透性，降低钢的临界冷却速度。
因而，使钢在热处理时，退火、正火、淬火的加热温度有所提高。
并使它在油中便能淬硬。
但它降低了钢的马氏体点，因而增加了钢残余奥氏体量。
使钢的奥氏体不稳定区域变为700-500℃和400-250℃。
提高了钢的硬度和强度，增加了钢在高温回火时强度降低的抗力。
钼（Mo的影响）
提高钢的淬透性，热强性，有二次硬化的作用，能降低回火脆性。
锰（Mn）
降低钢的Ac1和Ac3而使钢在热处理时的温度有所降低。
增加奥氏体的稳定性，降低钢的临界冷却速度，但它使参与奥氏体量增加。
可以减少钢在淬火时的变形和增加钢的强度和硬度。
使钢的回火脆性与晶粒长大的作用增大。
表2.220CrMnMo的热处理基本参数[2]
临界温度
Ac1
Ac3
Ar1
Ar3
Ms
温度/℃
710
830
620
740
--
20CrMnMo属于亚共析钢，缓慢冷却到室温后的组织为铁素体+珠光体，从钢的分类来看，20CrMnMo钢属于高级渗碳结构钢，以加工和加热并且性能良好，强度，塑性和韧性都比较高，过热倾向小，无回火脆性，即可做渗碳钢使用，也可作为调质钢使用，渗碳淬火后具有较高的抗弯强度和耐磨性，但是磨削时容易产生裂纹，淬火以及低温挥霍具有良好的综合力学性能和低温冲击任性。
20CrMnMo钢采用低温回火，表面可获得60-65HRC的高硬度。
20CrMnMo的含碳量为0.2%属于低碳钢，渗碳时保证了碳元素的正常渗入。
钢中合金元素为Cr小于1.4%，Mn小于1.2%,Mo小于0.3%。
加工时要对20CrMnMo进行表面渗碳处理，渗碳淬火后表面得到高谈马氏体，具有较高的耐磨性。
2.720CrMnMo钢的淬透性曲线
如图2.220CrMnMo钢淬透性曲线
图2.2钢淬透性曲线[3]
2.8淬透性
淬透性：
淬透性随着淬火温度提高而增加，因为温度升高，奥氏体晶粒尺寸增大，淬透性提高。
但是如果温度过高，奥氏体晶粒过于粗大淬火后会产生开裂或者变形。
2.9渗碳热处理工艺规范
表2.3渗碳热处理工艺规范[3]
渗碳/℃
淬火温度/℃
淬火冷却/℃
回火温度/℃
回火冷却
920～940
炉内降温至830～850
油冷
180～200
空冷
2.10钢的等温转变和连续冷却转变
如图2.3钢的等温转变图和连续冷却转变
图2.3钢的等温转变和连续冷却转变[3]
3热处理工艺方案以及参数论述
3.1热处理工艺流程
简要流程：
下料-锻造-正火-粗加工-渗碳-淬火-低温回火-精磨-成品。
3.2热处理工艺方案论证
3.2.120CrMnMo处理温度以及冷却方式
表3.120CrMnMo处理温度以及冷却方式[4]
正火
渗碳
870±10℃
925±10℃
35min
2.5h
空冷
空冷
低温回火
160±10℃
0.5h
空冷
3.2.2热处理方案制定
20CrMnMo钢经热加工后,必须经过预备热处理来降低硬度,消除热加工时造成的组织缺陷,细化晶粒,改善组织,为最终热处理做好准备,对于20CrMnMo钢而言,正火可以细化晶粒,是组织均匀化,消除切削加工后的组织樱花现象和去除内应力.接着进行渗碳淬火,得到高强度,高硬度,高抗弯强度和耐磨性,满足加工齿轮的使用要求。
经过渗碳后,仅使表面层的含碳量提高0.7%～1.05%,仍达不到表层高硬度和耐磨的要求.因此,渗碳后还需要淬火和低温回火,使工件表层具有高的硬变和耐磨性.渗碳的目的是提高工件表面碳浓度,以便淬火后达到提高表面硬度和耐磨性的目的.渗碳后淬火加低温回火是达到表层高硬度的热处理方式,淬火后低温回火,表层得到回火马氏体组织,耐磨性达到较高水平,淬火的目的是提高硬度,淬火使得到尽量多的马氏体组织,得到高硬度,回火是为了马氏体二次分解形成索氏体,以便得到良好的机械性能。
3.3热处理方案
3.3.1正火
1.正火的目的
①正火可以细化晶粒,使组织均匀化。
②消除切削加工后的组织硬化现象和去除内应力。
③消除共析钢中的网状硬化物,为热处理做好组织准备。
2.加热温度
加热温度:
870±10℃因为20CrMnMo是亚共析钢，钢中含有碳化物形成元素。
为使合金中难溶的特殊碳化物溶入奥氏体中，使奥氏体合金化程度增高，正火的加热温度为Ac3以上30～50℃，20CrMnMo的含碳量为0.20%，Ac3为830℃，所以将钢件的加热温度确定为870℃。
3.加热方式
采用到温加热的方法,是指当炉温加热到指定的温度时,再将工件装进热处理炉进行加热,原因是加热速度过快,节约时间。
保温时间=保温时间系数×有效尺寸，保温时间用τ表示。
合金钢保温时间系数α（mm/min） 保温时间=保温时间系数×装炉修正系数×工件厚度。
工件加热保温时间与加热介质，材料成分，炉温，工件的形状和大小，装炉量和装炉量等因素有关。
一般用经验公式来计算保温时间：
保温时间=保温时间系数×装炉系数×工件的有效厚度。
合金结构钢选择750~900℃井式电阻炉加热的保温时间系数α选为1.5，装炉系数K一般选择1.4。
工件的有效厚度为D=（10*3）／2=15mm
所以τ=α×K×D=1.5×1.4×15=31.5min取35min。
3.3.2正火工艺曲线
如图3.1正火工艺曲线
图3.1正火工艺曲线
3.3.3正火冷却
⑴冷却方式采用出炉空冷⑵冷却介质是空气⑶正火组织产生细珠光体。
3.420CrMnMo的渗碳工艺
3.4.1渗碳的目的
渗碳的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表面获得很高的硬度，提高其耐磨程度。
渗碳可以在多方面提高钢件的机械性能,可以提高钢件的硬度和耐磨性,降低冲击任性和断裂韧性（冲击韧性和断裂任性随着表面碳含量的越高,碳层越深,降低的越多）,同事可以提高疲劳强度.采用炉内滴注式气体渗碳，高温下甲醇的裂解产物H2O,CO2等将CH4和[C]氧化。
可使炉气成分和碳势保持在一定范围内
渗碳温度:
目前在生产上广泛使用的温度920-940℃.通常渗碳的温度选择要根据渗层的深度确定。
根据本次材料以及用途决定渗层深度为0.9-1.2，渗碳温度为925±10℃。
3.4.2渗碳过程
1.保温时间;
采用的渗碳介质是煤油,并且渗碳保温时间是2.5小时。
公式为：
δ（mm）：
渗碳层深度；K：
与渗碳温度有关的系数925℃时K=0.633；t（min）：
渗碳保温时间。
经计算选渗碳时间t=（0.9/0.63）×（0.9/0.63）=2.01h≈2.5h。
2.冷却方法
空冷。
3.渗碳后的组织
表面为碳化物+珠光体，心部为珠光体;
4.20CrMnMo钢渗碳工艺曲线
如图3.220CrMnMo钢渗工艺曲线
温度925℃
30min1h2h
850℃
排气强渗降温保温
图3.2钢渗碳工艺曲线
5.渗碳后的组织性能分析
降低渗碳温度,具有节能降耗、减小工件变形、减小材料晶粒粗化倾向、细化组织等优点渗碳层硬度梯度趋于平缓。
3.520CrMnMo的淬火工艺
3.5.1渗碳后一次重新加热淬火的目的
提高硬度和耐磨性，如刃具，量具，模具等；
提高强韧性，提高耐腐蚀性和耐热性。
3.5.2淬火事项
1.淬火温度
840±10℃，依据亚共析钢加热温度选用AC3+（30-50℃），这样既能保证充分奥氏体化，又保持奥氏体晶粒细小。
2.保温时间
淬火加热时间包括升温和保温时间两个时间段，升温时间包括想变重结晶时间，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。
公式：
t=
×K×D
t:
保温时间（min），a：
钢在不同介质中加热时的保温系数（min／mm）（这里取1.2），k：
零件装炉调整系数（1.3），D：
零件有效厚度（15mm），，因此此次保温时间为t=23.4min，所以时间为0.5h。
3.淬火后组织
表面是高碳马氏体+碳化物+残余奥氏体；
心部是低碳马氏体+残余奥氏体。
4.淬火工艺曲线
如图3.3淬火工艺曲线
图3.3淬火工艺曲线
5.淬火过程中组织转变分析
正常加热冷却：
工件加热到860℃后珠光体转变为奥氏体，保温时组织不变，晶粒细化，出炉油冷到室温可以获得马氏体和少量残余奥氏体，具有很高的耐磨性和硬度。
3.6低温回火工艺
3.6.1回火的目的
回火是将淬火后的零件加热到A1一下的某一温度，保温一定时间后，以适当的形式冷却到室温的热处理工艺。
回火的主要目的是使零件有高的硬度和耐磨性,消除了淬火应力与脆性，改善了零件淬火后的韧性及组织稳定性。
并且，降低或消除淬火引起的残余应力。
由于淬火马氏体和残余奥氏体都是不稳定组织，在工件中会发生分解，从而导致工件的尺寸不精确。
某些碳含量较高的钢制大型零件或复杂零件甚至淬火后在等待回火的期间就发生突然爆裂。
所以说，淬火零件不经回火就投入使用时危险地，也是不允许的。
渗碳和碳氮共渗淬火后的零件，一般要进行低温回火处理。
低温回火时，马氏体发生分解，得到回火马氏体，淬火内应力得到部分消除，淬火时产的微纹也大部分得到愈合，因此低温回火也可以在很少降低硬度的同时使钢的韧性明显提高。
3.6.2回火温度
回火加热温度选择160±10℃。
依据：
在低温回火时马氏体发生分解，析出碳化物成为马氏体，淬火内应力得到部分消除，淬火时产生的微纹也大部分也得到愈合，因此低温回火也可以在很少降低硬度的同时使钢的韧性明显提高。
通常渗碳和渗氮零件的回火温度是﹤180℃。
3.6.3加热介质
加热介质：
空气。
3.6.4保温时间
保温时间为1.5h
确定回火保温时间一般的做法是根据工件的截面厚度而定，一般每25mm厚度保温1-2h，温度高可酌情缩短。
回火的保温时间一般为1-3小时。
3.6.5回火工艺曲线
回火工艺曲线如图3.4所示
图3.4回火工艺曲线
3.6.6冷却方式
冷却方式：
出炉空冷。
4总的热处理工艺曲线
4.1热处理总工艺曲线
如图4.1热处理总工艺曲线
图4.1热处理总工艺曲线
4.2选择加热设备
4.2.1装置选择：
井式电阻炉
表4.1RJ3-75-9井式电阻炉产品规格及技术参数[5]
型号
功率/kw
电压/V
相数
额定温度/℃
炉膛尺寸（直径
深度）/mm
mm
炉温850℃时的指标
空炉损耗功率/kw
空炉升温时间/h
最大装载量/kg
RJ2-40-9
40
380
3
950
600×800
9
2.5
350
材料是20CrMnMo，它的正火温度在870℃左右。
考虑到中温炉在中温测量时比较准确，因而选用中温井式炉。
4.2.2井式炉示意图
如图4.2井式炉示意图
如图4.2井式炉示意图[6]
4.3井式渗碳炉
渗碳炉是新型节能周期作业式热处理电炉，主要供钢制零件进行气体渗碳。
由于选用超轻质节能卢琛材料和先进的一体化水冷炉用密封风机，渗碳炉炉温均匀，升温快，保温好，工件渗碳速度加快，渗碳气氛均匀，渗层均匀，在炉压提高时，无任何泄漏。
提高了生产效率和渗碳质量。
4.3.1井式气体渗碳炉型号规格及技术数据
表4.2RQ3-75-9950℃井式气体渗碳炉的型号规格及技术数据[7]
额定功率KW
额定电压V
额定温度℃
加热区数
电热原件接法
工作空间尺寸（直径×深）
空炉升温时间h
空炉损耗功率KW
最大装载量
75
380
950
1
Y
450×900
≦2.5
≦14
≦220
4.4井式气体渗碳炉
如图4.3井式气体渗碳炉
如图4.3井式气体渗碳炉[8]
1—渗碳工件2—耐热罐3—加热元件4—风扇5—液体渗碳剂6—废气7—沙封。
5工装图
5.1工装图及装件
如图5.1工装图
如图5.1工装图
5.2装件
底面一圆盘中，中间两个圆盘通孔若干，整个工装筐由底盘，中间支撑轴以及工件固定杆组成，使用时将工装筐置于平地，将每个齿轮水平套进工件固定杆，每个工件固定杆之间距离固定，防止工件与工件之间相互接触，磨损，导致淬火不均匀，每个工件之间摆放位置井然有序，节省空间，大量提升了空间利用率。
中间轴设计为弯钩，方便勾吊。
装炉量：
16*6=96.
6工序质量检验
检查主轴的外观表面，渗层深度，硬度，金相组织是否达到设计的要求
1.外观：
表面无损伤，烧伤，眼中腐蚀等缺陷；使用测量工具测量，用显微镜看表面是否有裂纹。
2.渗层深度的检测。
打断试样，磨光，腐蚀。
3.硬度的检测。
60-65HRC，洛氏硬度计打硬度
4.金相组织：
马氏体，残余奥氏体以及少量条状碳化物采用《重载齿轮渗碳金相检验》评定。
5.工件变形检验：
根据图样技术检验工件挠曲变形，尺寸及几何形状的变化。
7热处理工艺过程中常见缺陷分析
7.1常见的淬火及防护措施
表7.1淬火缺陷及其产生的原因及预防措施[9]
缺陷
产生原因
预防措施
硬度不足
①亚共析刚加热不足，有未溶铁素体
②冷却速度不够
③在淬火介质中停留时间不够
④氧化和脱碳导致淬火后的硬度降低
①正确选择并严格控制加热温度，保留时间和炉温的均匀性
②合理选择淬火介质；控制淬火介质的温度不超过最高使用温度；定期检查或更换淬火介质
③正确控制在淬火介质中的停留时间
④采取防氧化脱碳措施；采用下线加热温度；在600℃左右预热，然后再加热到淬火温度，缩短高温加热时间
7.2常见的渗碳缺陷及防护措施
表7.2常见渗碳缺陷原因以及防止措施[10]
常见缺陷
产生原因
防止方法
表面碳质量分数低
1.炉温低
2.渗剂滴量少
3.炉子漏气
4.工件表面不干净
1.校检仪表，调整温度
2.按工艺规范调整滴量
3.检查炉子密封性
4.清理工件表面，补渗
渗层深度不够
1.保温时间不够
2.表面碳质量分数低
1.适当延长保温时间
2.按正常渗剂滴量补渗
渗层不均匀
1.炉温不均匀
2.零件表面不清洁，有锈点、油污
1.合理装炉，尽量使工件之间间隙均匀
2.装炉前严格清洗零件表面
碳化物出现网状分布
1.淬火温度低或保温时间不够
2.淬火冷却过程慢
.渗层表面浓度过高
1.适当提高淬火温度，采用两次淬火
2.冷却操作要迅速，正确
3.降低渗剂活性，严格控制碳势
淬火后变形
1.淬火方式错误
2.淬火冷却速度过大
3淬火加热温度过高
1.制定正确的淬火方式，严格按照操作流程进行
2.选择合适的淬火介质，
3.选择正确的淬火加热温度
表面贫碳或脱碳
1.炉内气氛碳势过低
2.高温出炉后在空气中缓冷时氧化脱碳
1.在碳势较高的渗碳介质中进行补碳
2.脱碳层小于0.02mm下采用磨去或喷丸等方法补救
8心得体会
通过3周的课程设计，让我学到了很多。
在这3周之中不仅让我见识到了热处理这项工艺的严谨性。
也检验我所学的知识，还培养了我如何从不同角度思考一件事情，然后动脑去完成这件事情。
我十分享受这个过程，什么都靠自己动手，还可以和同学互相探讨，相互学习。
通过这次课程设计，本人在多方面都有所提高，无论是课程上的理论知识还是实际操作本领，掌握了许多以前不懂得计算机知识，绘图能力，熟悉了规范和标准，同事也了解各科相关的知识，也让我认清自己，认识到自己的不足。
我发现了以前很多搞不懂的更加清晰的呈现在我眼前，让我学习更加有动力，也让我今后在我从事的岗位更有信心。
热处理是一门很有技术含量，很有发展潜力的技术，在这门技术发展这么多年来，依然有这么高的魅力，由于自己的设计能力有限，在设计中也难免出现错误，恳请老师们多多指点。
最后谢谢老师给我这次机会来锻炼我们，辛苦为我们选课。
9参考文献
[1]杨满.实用热处理技术手册.机械工业出版社.2010：
100—110
[2]胡光立.钢铁热处理实用技术.化学工业大学出版社，2008年：
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[3]任颂赞，张静江，陈质如.钢铁的金相图谱.上海科技文献出版社.2003年6
[4]《热处理工艺手册》编写组，热处理手册1-4，机械工业出版社，1982年12
[5]叶宏.金属热处理原理与工艺[M].北京：
化学工业出版社.2011.6：
137-138
[6]《齿轮热处理手册》陈保华，热处理，机械工业出版社
[7]范逸明。
简明金属热处理手册。
国防工业出版社，2006年3月
[8]樊东黎，徐跃明，杨满.热处理技术数据手册.机械工业出版社，2006：
158—187
[9]叶宏.金属热处理原理与工艺[M].北京：
化学工业出版社.2011.6：
137-138
[10]李国斌.热处理工艺规范与数据手册.北京：
化学工业出版社.2012.9:
85-85
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