20CrMO热处理工艺设计.docx

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