金属材料综合课程设计化学热处理.docx

1、金属材料综合课程设计化学热处理J I A N G S U U N I V E R S I T Y金属材料综合课程设计汽车变速箱齿轮热处理工艺 所属学院： 材料学院 专业班级： 金属1002* 学 号：* 2013年6月27日1、零件图2、零件服役条件齿轮是机械设备及汽车中的重要零件，变速箱齿轮为汽车、拖拉机等发动机的重要部件，用于改变发动机曲轴和传动轴的速度比。故齿面在较高的载荷(冲击载荷和交变载荷等)下工作，因此磨损快。在工作过程中，通过齿面的接触传递动力，两齿面在相对运动过程中既有滚动也有滑动，存在较大的压应力和摩擦力经常换挡使齿端部受到冲击。要求变速箱齿轮具有高的抗弯强度、接触疲劳强度和

2、良好的耐磨性，心部有足够的强度和冲击韧性。齿轮在传递力及改变速度的运动过程中啮合齿面之间既有滚动，又有滑动r而且齿面还受到脉动或交变弯曲应力的作用.在变速器中，齿轮可改变传动比，扩大驱动轮转矩和转速的变化范围，以适应经常变化的行驶条件，同时使发动机在有利的工况下工作。差速器中，通过车桥齿轮增加扭矩，并调节左右轮的转速。全部发动机的动力均通过齿轮传给车轴，推动汽车运动。所以汽车齿轮的受力较大，受冲击频繁，其耐磨性、疲劳强度、冲击韧性等均要求比机床齿轮高。同时由于汽车行驶状况随路况随机变化，因而汽车齿轮的工作状况非常复杂。服役条件（1）汽车齿轮的工作条件比机床要繁重得多，它们经常在较高的载荷下工作

3、,磨损亦较大。（2）在汽车运行中由于齿根受着突然变载的冲击载荷以及周期变动的弯曲载荷，会造成轮齿的脆性断裂或弯曲疲劳破坏.(3)轮齿的工作面承受着较大的压应力及摩擦力，会造成麻点、接触疲劳破坏及深层剥落，由于经常换档，齿的端部经常受到冲击，也会造成轮齿的端部破坏。因此在耐磨性、疲劳强度、心部强度和冲击韧性等方面的要求均比机床齿轮高.3、所需性能汽车变速齿轮工作条件比机床齿轮差,特别是主传动系统中的齿轮,受力较大,受冲击较频繁,因此对材料要求较高。由于弯曲与接触应力都很大,所以重要齿轮都需渗碳、淬火处理,以提高耐磨性和疲劳抗力。为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35

4、45HRC之间。另外,汽车生产批量大,因此选钢材时,在满足力学性能的前提下对工艺性能必须予以足够重视。汽车齿轮工作时，啮合齿面间既有滚动，又有滑动，轮齿根部还受到脉动或交变弯曲的作用。在由此而引起的各种应力的作用下，齿轮经常发生失效的情况。根据工作条件的不同，汽车齿轮的失效形式主要是齿面磨损和断齿。图1.1是四种主要的失效形式。 a 轮齿根部弯曲疲劳断裂 b 齿面严重磨损、齿厚变小 c 齿面剥落 d 轮齿冲击断裂 美国的一个关于齿轮失效形式及原因的统计资料的结果表明，疲劳断裂占失效齿轮总数的三分之一以上，居首位；其次是表面损伤。总的来说，断裂是齿轮失效的主要形式。齿轮在传递动力及改变速度的运行

5、过程中，周期的受到弯曲应力，接触应力以及摩擦力的作用。齿面和齿根在上述应力的作用下导致齿面剥落或轮齿折断而失效。因此，改善材料的冶金质量和通过热处理强韧化技术以提高齿轮的弯曲程度，接触疲劳强度及耐磨性，从而达到提高齿轮寿命的目的。对齿轮材料的性能要求是：(1) 高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度(抗疲劳点蚀)，除材料本身性能外，还可依靠齿轮的表面强化处理来实现；(2) 齿面具有较高的硬度和耐磨性，以防止粘着磨损和磨粒磨损。耐磨性的提高，主要依靠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，以提高齿轮的承载能力。此外，还要求齿轮具有高的传动精度，材料具有较好的切削加工及热处理工

6、艺性等，例如热处理变形小，或变形有一定规律等。4、选择材料 制造齿轮常用的钢有20Cr、20CrMnMo、18Cr2Ni4WA、20CrMnTi。4.1 20Cr与15Cr钢相比，有较高的强度及淬透性，在油中临界淬透直径达4 22mm，在水中临界淬透直径达1140mm，但韧性较差，此钢渗碳时仍有晶粒长大倾向，降温直接淬火对冲击韧性影响较大，所以渗碳后需二次淬火以提高零件心部韧性，无回火脆性；钢的冷应变塑性高，可在冷状态下拉丝；可切削性在高温正火或调质状态下良好，但退火后较差；20Cr为珠光体，焊接性较好，焊后一般不需热处理，但厚度大于15mm的零件在焊前需预热到100150，焊后也可不进行回火

7、热处理。 4.2 20CrMnMo20CrMnMo是高强度的高级渗碳钢。强度高于15CrMnMo，塑性及韧性稍低，淬透性及力学性能比20CrMnTi高，淬火低温回火后具有良好的综合力学性能和低温冲击韧度。渗碳淬火后具有较高的抗弯强度和耐磨性能，但磨削时易产生裂纹。焊接性不好，适于电阻焊接，焊前需预热，焊后需回火处理。切削加工性和热加工性良好。常用于制造高硬度、高强度、高韧性的较大重要渗碳件（其要求均高于15CrMnMo），如曲轴、凸轮轴、连杆、齿轮轴、齿轮、销轴，还可代替12Cr2Ni4使用。4.3 18Cr2Ni4WA18Cr2Ni4WA属于高强度中合金渗碳钢。要使C化物及奥氏体含量不超标可

8、采用渗碳后高温回火900920渗碳，600650回火，深冷处理，油淬后的硬度也就是48左右，想要达到HRC58-63，必须要进行表面渗碳。18Cr2Ni4WA钢常用合金渗碳钢,强度,韧性高,淬透性良好,也可在不渗碳而调质的情况下使用,一般用做截面较大,载荷较高且韧性良好,缺口敏感性低的重要零件。4.4 20CrMnTi20CrMnTi是渗碳钢，渗碳钢通常为含碳量为0.17%-0.24%的低碳钢。是中淬透性渗碳钢中Cr Mn Ti 钢，其淬透性较高，在保证淬透情况下，具有较高的强度和韧性，特别是具有较高的低温冲击韧性。20CrMnTi表面渗碳硬化处理用钢。良好的加工性，加工变形微小，抗疲劳性能相

9、当好。 特性及适用范围： 是性能良好的渗碳钢，淬透性较高，经渗碳淬火后具有硬而耐磨的表面与坚韧的心部，具有较高的低温冲击韧性，焊接性中等，正火后可切削性良好。用于制造截面30mm的承受高速、中等或重载荷、冲击及摩擦的重要零件，如齿轮、齿圈、齿轮轴十字头等。 是18CrMnTi的代用钢，广泛用作渗碳零件，在汽车.拖拉机工业用于截面在30mm以下，承受高速.中或重负荷以及受冲击.摩擦的重要渗碳零件，如齿轮.轴.齿圈.齿轮轴.滑动轴承的主轴.十字头.爪形离合器.蜗杆等。20CrMnTi钢始锻温度1200，终锻温度900，锻造后直尺寸100mm以下堆积冷却，直径尺寸100mm以上缓慢冷却。化学成份 表

10、1 20CrMnTi钢成分及含量（质量分数%）化学成分C SiMnCrSPTiCu/Ni20CrMnTi0.170.230.170.370.801.101.001.300.0350.0350.040.100.06表2 20CrMnTi钢的临界点（）Ac1Ac3Ar1Ar3Ms740825650730330 化学元素作用 20CrMnTi钢中加入Cr、Mn元素，主要是提高钢的淬透性。 20CrMnTi钢中加入Ti元素主要是为了细化晶粒。 20CrMnTi钢淬火加热时，Cr、Mn、Si元素完全固溶于奥氏体中，提高钢的淬透性。Ti元素以碳化TiC形式钉扎于奥氏体晶界，阻止奥氏体晶粒的长大。 20Cr

11、MnTi钢淬火后，Cr、Mn、Si元素固溶强化基体组织，并改善基体组织的回火稳定性。 20CrMnTi钢低温回火时，部分Cr、Mn元素从基体组织中扩散到析出的渗碳体Fe3C中，形成合金渗碳体（Cr、Mn、Fe）3C，改善其硬度。合金渗碳体（Cr、Mn、Fe）3C与碳化物TiC同基体组织一起共同作用，使钢产生较高的强度、硬度与耐磨性，同时保持良好的韧性。 20CrMnTi钢渗碳或碳氮共渗后碳层均匀，加工和热处理工艺性能优良，不易出现过热，渗碳后可直接淬火，淬火变形小。 20CrMnTi钢正火后切削加工性能优良，相对加工性能为75%，表面粗糙度低。 由于Cr、Mn元素的加入，20CrMnTi钢易出

12、现回火脆性，故回火温度须严格控制，一般控制在180200范围内。 Ti是强化铁素体的元素，它对钢的机械性能的影响取决于Ti在钢中存在的形态，也取决于Ti、c含量的比率。20CrMnTi钢中含有微量的钛(0 06 012)，其淬火温度一般在86O900 ，避免了碳化钛过多地溶于奥氏体，与不舍Ti的钢相比，其强度将有所提高，同时不影响钢的担性和韧性。由于具有细化晶粒的作用，Ti虽然在一定程度上提高钢的强度，但对钢的韧性，特别是低温冲击韧性，不一定有所改善，因为固溶于铁素体中的 的脆化作用，会抵消因晶粒细化时对冲击韧性所起的有利作用。Ti可减低20CrMnTi钢在200400回火脆性，例如加Ti的钢

13、比不加Ti的钢，回火脆性有明显改善，而且以加入Ti+B的钢效果最为显著。对于汽车来说，由于其使用条件复杂，采用调质钢高频淬火不能保证要求，所以选用渗碳钢来作重要齿轮较为合适。影响汽车渗碳齿轮失效和齿轮疲劳强度的因素主要有心部硬度、有效层深度、渗层和心部的金相组织、表面硬度和表层残余应力分布等。根据汽车齿轮渗碳要求，选用低碳合金钢作为汽车齿轮材料最为理想。实践证明,20CrMnTi钢具有较高的力学性能,在渗碳、淬火、低温回火后,表面硬度可达5862HRC,心部硬度3045HRC,正火态切削加工工艺性和热处理工艺性均较好。为提高齿轮的耐用性,渗碳、淬火、回火后,还可采用喷丸处理,增大表面压应力。5

14、、热处理工艺 传统的齿轮材料的工艺路线：下料锻造正火切削加工渗碳、淬火及低温回火喷丸磨削加工。虽然传统工艺已经比较完善，但部分中间过程已不再适合现代化的大批量生产要求。当前的技术要求齿坯在热处理后能获得均匀的组织和硬度，以保证获得良好的切削加工性能及稳定的淬火变形规律。因此有必要对传统工艺进行改进，以获得质量良好的产品。5.1 正火将工件加热至Ac3以上3050，保温一段时间后，从炉中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风冷却的金属热处理工艺。其目的是在于细化晶粒，消除组织缺陷，以获得珠光体+少量铁素体组织。正火与退火的不同点是正火冷却速度比退火冷却速度稍快，因而正火组织要比退火组织更细一些，其机械性

15、能也有所提高。另外，正火炉外冷却不占用设备，生产率较高，因此生产中尽可能采用正火来代替退火。5.1.1正火的目的（1）细化晶粒，消除组织缺陷。以获得珠光体+少量铁素体组织，并使加工硬度适中，有利于切削（2）去除材料的内应力。（3）降低材料的硬度。这样是为了接下来的加工做准备。和退火差不多的作用，只是为了提高效率，降低成本。5.1.2正火设备选用RX3箱式电炉参数见表3表3 RX3-30-9箱式电炉5.1.3正火温度20CrMnTi钢Ac3约为825，为促使奥氏体均匀化，增大过冷奥氏体的稳定性，选择的加热温度在930950。5.1.4 加热方法采用到温加热的方法，是指当炉温加热到指定的温度时，再

16、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出现不需要的相转变，加热速度快，节约时间，便于小批量生产。5.1.5加热介质加热介质为空气5.1.6保温时间保温时间：230min选定的依据：加热时间可按下列公式进行计算：t=a*K*D，式中t为加热时间（min）,K为反应装炉时的修正系数，D为工件有效厚度（mm）,由公式可计算出 t=a*K*D=1.4*1.0*163230min5.1.7冷却方式及冷却介质采用出炉空冷，冷却介质为空气5.1.8正火工艺曲线如图所示图1 正火处理工艺曲线5.2 渗碳工艺5.2.1渗碳目的心部保持良好韧性的同时，表层获得高的强度，硬度与耐磨性5.2.2渗碳温

17、度 气体渗碳 加热900920，以0.150.2mm/h计保温时间 加热温度不超过920，以避免晶粒长不大。5.2.3渗碳设备选用RQ3-60-9D型井式气体渗碳炉炉参数见表4表4 RQ3-60-9D型井式气体渗碳炉说明：炉温均匀，介质流动性好，加热速度，温度均匀，工件变形小，加热质量好，利于提高产品质量，炉膛容积有效利用率高，产量大，耗电量少，可节省电能与筑炉材料，电极寿命长，减少停炉时间，适用于中，小型工件或批量生产。5.2.4加热方法 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，这样做的原因是避免金属组织出现不需要的相转变，加热速度快，节约时间，便于批

18、量生产。5.2.5装炉方法筐装，10/次，垂直放入渗碳炉中，齿轮一个一个叠放，要注意每垛之间齿轮的轮齿不要接触，避免齿渗不上碳。5.2.6渗碳温度渗碳温度选定为92010渗碳温度在Ac3以上，考虑碳在钢中的扩散速度等因素，目前在生产上广泛采用的温度为910930。随着渗碳程度的升高，碳在钢中的扩散系数呈指数上升，渗碳速度很快，但渗碳温度过高会造成晶粒粗大，工件畸变增大，设备寿命降低等负面效应，渗层厚度为0.81.2，可以选取t=920。5.2.7渗碳介质渗碳介质：煤油渗碳煤油在不同温度下的分解产物及含量见表5表5渗碳煤油在不同温度下的分解产物及含量参数见表6表65.2.8渗碳工艺装炉后排气，滴

19、油量3565滴/分钟，保温时间160180滴/分钟，一小时后查看式样，渗层厚度达到1.0mm时滴油量为140160滴 /分钟，渗层达到要求后降温到85010预冷30分钟，为淬火做准备。5.2.9 渗碳工艺曲线渗碳工艺曲线图见图2图2 渗碳工艺曲线5.2.10 渗碳后的组织表面：碳化物+珠光体+铁素体心部：珠光体+铁素体5.3 淬火把钢加热到Ac3或Ac1以上，保温一定时间，以大于临界冷却速度的冷速冷却，从而获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。组织：主要为M、B或M+B的混合物目的：提高零件的硬度、强度和耐磨性；如刃具、量具、模具等；获得良好的综合力学性能；如各种机器零件；改善钢的物理和化学性能

20、；如用高碳钢和磁钢制的永久磁铁、不锈钢和耐热钢。 为正确进行淬火，必须考虑以下三个因素：淬火加热温度，保温时间和冷却速度 1）淬火加热温度820850 2）保温时间淬火加热时间实际上是将试样加热到淬火温度所需的时间及在淬火温度停留所需时间的总和。 3）冷却速度应大于临界冷速，以保证获得马氏体组织，在这个前提下又应尽量缓慢冷却，以减小内应力，防止变形和开裂。为了保证淬火效果，应选用适当的冷却介质。淬火冷却速度太快，奥氏体向马氏体转变剧烈、积收体缩，引起很大的内应力，容易造成齿轮的变形和开裂，由于20CrMnTi是合金钢，淬透性较好，故选择油冷减小冷却速度，防止淬火造成齿轮变形或开裂。时也能获得马

21、氏同体组织，达到较高的硬度。 钢的加热温度一般可根据Fe-Fe3C相图选择,亚共析钢淬火加热温度选择Ac3以上3050,过共析钢淬火加热温度选择Ac1以上3050。根据渗碳后齿轮的表层含碳量的分布状况及实践经验从900预冷到820左右进行油冷可以得到好的效果。加热温度过高或保温时间过长,会引起奥氏体的晶粒粗大引起过热或晶界氧化并部分熔化的过烧现象。过热时奥氏体的晶粒粗大不仅降低齿轮力学性能, 也容易引起齿轮的变形和开裂。过烧后的工件只能报废。加热温度过低、保温时间不足会引起硬度不足。故可选择900温度渗碳,预冷8 2 0 左右油冷淬火。淬火冷却速度太快,奥氏体向马氏体组织转变剧烈、体积收缩,引

22、起很大的内应力,容易造成齿轮的变形和开裂,由于20CrMnTi是合金钢,淬透性较好,故选择油冷减小冷却速度,防止淬火造成齿轮变形或开裂。同时也能获得马氏体组织,达到较高的硬度。5.4 低温回火 将淬火后的钢在A1以下温度加热、保温并以适当速度冷却低温（150250）消除淬火应力，稳定组织，减少残余奥氏体的数量，达到所需要的性能。低温回火时，工件表面马氏体中过饱和碳原子以碳化物的形式逐步析出，马氏体晶格畸变程度减弱，内应力有所降低。此时的回火组织由马氏体和碳化物组成，称为回火马氏体。虽然马氏体的分解使Fe中碳的过饱和程度降低，钢的硬度相应下降，但析出的碳化物又对基体起强化作用，部分的残余奥氏体分

23、解为回火马氏体，所以钢仍保持很高的硬度和耐磨性。同时芯部为原始组织淬火加低温回火所得到的低碳回火马氏体+残余奥氏体+铁素体，具有较好的任性。淬火后的钢组织是马氏体及少量残余奥氏体,它们都是不稳定的组织,有向稳定组织转变的趋势,同时淬火时产生内应力。为了减小或消除淬火内应力, 稳定组织和尺寸,获得所需的力学性能,实践证明重载齿轮选择在200进行4小时低温回火工艺较好。低温回火时马氏体中过饱和碳原子以碳化物的形式逐步析出, 马氏体晶格畸变程度减弱,内应力有所降低。此时的回火组织由马氏体和碳化物组成, 称为回火马氏体。虽然马氏体的分解使-Fe中碳的过饱和程度降低,钢的硬度相应下降,但析出的碳化物又对基体起强化作用, 部分的残余奥氏体分解为回火马氏体, 所以钢仍保持很高的硬度和耐磨性和一定的韧性。回火的过程中要注意防止低温回火脆性，防止低温回火脆性可采取下列措施： (1)减少P、N等杂质，可以减轻回火脆性； (2)不在300左右范围内回火，避开低温回火脆性区。 (3)添加元素si，可使碳化物变稳定，抑制渗碳体的析出和成长，使脆化区向高温一侧移动。6、热处理卡片7、车间平面示意图