1、20CrMO热处理工艺设计众所周知,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、是机械产品重要基础零件。它 与带、链、摩擦、液压等机械相比具有功率范围大,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。由于齿轮在工业发展中的突出地位,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
2、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,近年来涉及齿轮加工机 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发展提出了紧迫需求,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 齿轮的质量与其他发达国
3、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,除了要选材合适之外, 必须对材料的热处理工艺进行优化,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、智能化方向发展。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.2齿轮热处理工艺设计2.1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齿轮材料的选择 2.3 20CrMo齿轮的热处理工艺设计2.3.12
4、0CrMo的工艺流程 2.3.220CrMo的热处理工艺设计.2.4 20CrMo齿轮的热处理工艺理论基础2.9 热处理工艺卡 2.9.120CrMo正火工艺卡2.9.220CrMo渗碳工艺卡2.9.320CrMo淬火工艺卡2.9.420CrMo回火工艺卡3.参考文献.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 齿轮的要求是表面硬且耐磨,心部强而韧,具有高的抗疲劳强度,表面不崩裂,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。
5、渗碳 的目的是提高工件表面材料的含碳量, 以便在后续淬火工序中得到高的表面硬度, 同时保 持芯部韧性,淬火的目的是使过冷奥氏体进行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、疲劳强度以及 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,失效形式及性能要求,本设
6、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 的理论基础设定了完整的热处理工艺流程,使热处理的20CrMo齿轮表面除具有高硬度, 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、失效形式及 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
7、过程中转速变化范围广,齿轮表面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性能要求表面要求耐磨,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C b 1000MPa;屈服强度oS: 49CMPa伸长率 S 5 (%
8、:) 11;断面收缩率 书(%) 45;冲击功 Akv (J): 55;冲击韧性值 okv (J/cm2): 692.2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、转速的高低及齿轮的精度 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 (19 m/ S)、中速齿轮(610 m/ S)、高速齿轮(1015 m/ s
9、)。齿轮的精度高,则齿形准确,公差小,啮合紧密,传动平 稳且无噪声。机床齿轮精度一般为68级(中、低速)和812级(高速)。拖拉机小齿 轮精度一般为68级。2.根据齿轮的失效形式:由齿轮的失效形式可知齿轮的基本要求为:(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及热处理性能。3.根据齿轮的工作条件来选择:对于一般比较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
10、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及 韧性、材料的淬透性要求较高,心部硬度应在HRC3545。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:70 10so卿版屮I鹹TII IF 10ZOCrMo钢连续洽却转曲线即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
11、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。热查阅处理工艺规范数据手册可以找出 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20CrM钢的热加锻造工艺规范图项目加热温度始锻温度终锻温度钢坯1200 C12401260 r750 r经锻造将获得最大外径约是88mm,高26mm的齿坯,采用缓冷。下图是20CrMo齿 轮零件图。2 X 45心058图2 20CrMo拖拉机齿轮零件图2.3.2 20CrMo 的热处理工艺设计1.正火处理正火处理可消
12、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,所以使用气体表面渗碳热处理,在表 面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 於:49CMPa伸长率 S
13、5 (%:) 113.淬火处理面获得高硬度、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o b 1000MPa;屈服强度 oS: 490MPa 伸长率 S 5 (%:) 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C b 1000MPa;屈服强度08:为85伸长率 S 5 (%) 11;断面收缩率 书(%) 45;冲击功 Akv (J): 55;冲击韧性值 okv (J/cm2): 692.4 20 CrMo齿轮的热处理工艺理论基础2.4.1
14、 20 CrMo的正火工艺理论基础1.正火目的: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勺为825r,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 930950 C。I +O0 dI1 Mo -I 200 -I loO FeO.? I Q 1.5 2.U 2 J J.CJ J 5-5.j5 6.0 & 斡图4铁碳相图3.加热方法及保温时间: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行 加热。这样做的原因是避免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
15、量生产。选定的依据:加热时间可按下列公式进行计算:t=a X KX 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、加热温度进行取值,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 X KX Do4.冷却方式:出炉后空气冷却。正火组织:细珠光体+铁素体2.4.2 20CrMo的气体渗碳工艺理论基础渗碳的目的:渗碳后进行淬火与回火,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:进行气体渗碳,加热900920C,以0.150.2mm/h计保温时间,加热温度不超过 920E,以 避免晶粒粗大。渗碳进行淬火回火处理,淬火加热 820850E,保温后油冷,180E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910930C
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