20CrMO热处理工艺设计

1、盐城工学院课程设计说明书（论文）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

2、轮加工机 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

3、发达国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。3目录1齿轮热处理概述 12齿轮热处理工艺设计 22.1齿轮的服役条件、失效形式及性能要求 22.1.1 服役条件、失效形式 22.1.2性能要求 22.2齿轮材料的选择 22.3 20CrMo齿

4、轮的热处理工艺设计 32.3.1 20CrMo的工艺流程 32.3.2 20CrMo的热处理工艺设计 42.4 20CrMo齿轮的热处理工艺理论基础 52.5.1 20CrMo的正火工艺理论基础 62.5.2 20CrMo的气体渗碳工艺理论基础 72.5.3 20CrMo渗碳后淬火工艺原理基础 82.5.4 20CrMo回火工艺理论基础 92.6选择设备、仪表和工夹具 92.6.1 设备 92.6.2 仪表 112.6.3设计工夹具 122.7 20CrMo齿轮热处理质量检验项目、内容及要求 122.8 20CrMo齿轮热处理常见缺陷的预防及补救方法 132.8.1马氏体粗大及奥氏体过量 13

5、2.8.2碳氮化合物过量 132.8.3渗层不均匀 132.8.4热处理畸变 132.9 热处理工艺卡 12.9.1 20CrMo正火工艺卡 12.9.2 20CrMo渗碳工艺卡 12.9.3 20CrMo淬火工艺卡 22.9.4 20CrMo回火工艺卡 23.参考文献 20盐城工学院课程设计说明书（论文）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

6、为了提高钢的硬度，便于钢坯的切削加工。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

7、的工作条件，失效形式及性能要求，本设计选择 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。32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

8、交变应力的作用。齿轮在啮合 传递扭矩的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c 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；

9、屈服强度os： >49CMPa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): > 692.2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

10、为低速齿轮(19 m/ s)、中速齿轮(610 m/ s)、高速齿轮(1015 m/ s)。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

11、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:700BOO二0.511()< IQ*图1*2-147 20CrMo钢逛续冷即转烫曲线师2.3 20 CrMo齿轮的热处理工艺设计2.3.1 20CrMo的工艺流程盐城工学院课程设计说明书(论文)1下料-毛坯锻造-正火-

12、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 °C124

13、01260 C>750 C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。其余V4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

14、。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：>490MPa伸长率 S 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c b> lOOOMPa；屈服强度 於：>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

15、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os：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 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825C，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 IO0斗t&g

16、t;03 002&01110I912I fiCO I皿 1 500 眨n Ii Mi 1 souI 200三目 tod600I JO 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4 0 4 5 5 0 5.5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

17、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 920C，以 避免晶粒粗大。渗碳进行淬火回火处理，淬火加热 820850C，保温后油冷，180C低温回火。(3) 渗碳介

18、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。随着渗碳层深度的升高，碳在钢中的扩散系数呈指数上升，渗碳速度加 快，蛋渗碳温度过高会使晶粒粗大，工件畸变增大，设备寿命降低等负面影响。渗层厚 度为0.81.2mm,可以选取t=920 C。保温时间：5小时(5) 渗碳工艺：装炉后排气，滴油量3565滴/分钟，保温时间160180滴/分钟，渗层达到要求后 降温到850± 10C预冷30分钟，为淬火做准备。渗碳工艺曲线见图5。SHE/24 3 20CrMo渗碳后淬火工艺原理基础（1）淬火目的：淬火的目的是为了

19、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，以提高工件的硬度、强韧性、弹性、耐蚀性 和耐磨性等，获得所需的力学性能。（2）淬火温度：淬火温度：840 ± 10C依据：20CrM（为低碳钢，加热温度t=Ac3+3050C（3）淬火介质：油冷（3）保温时间：2030mi n为工件在渗碳炉中保温的时间已经足够长无需再加热很长时间。（4）淬火后组织：渗碳淬火后齿轮由表面至心部的组织依次为：马氏体 +碳化物（少量）+残余奥氏体 f马氏体+残余奥氏体f马氏体f低碳马氏体（心部）。7盐城工学院课程设计说明书（论文）图62.5.4 20CrMo回火

20、理论基础（1）低温回火目的：低碳钢采取回火时可以使马氏体分解，析出碳化物转变成回火马氏体，淬火内应力 得到部分消除，淬火时得到的微裂纹也得到大部分的愈合，因此低温回火可以在很少降 低硬度的情况下使钢的韧性得到显著地提高，并提高钢的强度、耐磨性，使轴和齿轮部 分得到优异的机械性能。并且可以稳定组织，使工件在适用过程中不发生组织转变，降 低或消除淬火内应力，以减少工件的变形并防止开裂，从而保证工件的尺寸、形状不变（2）低温回火的温度选择：由于渗碳钢零件表面要求具有很高的硬度，耐磨性，同时要求心部具有较好的塑韧 性。因此低温回火可以满足性能要求，故选择低温回火，且工件适中，温度t:150250C（3

21、）保温时间：依据：工件有效厚度40mm合金钢应按空气回火炉温表（表5.1 ），增加所列时间的1/3保温时间。4）冷却方式与回火形态组织：出炉空冷；表面：氏体+碳化物+残余奥氏体; 心部：回火马氏体+残余奥氏体。2.6选择设备、仪表和工夹具2.6.1设备(1) 等温正火设备:综合考虑选用RX3系列950C箱式电阻炉，电阻炉参数见下表。RX3-60-9 950 C箱式电阻炉型号额定电源-额定工作空间功率相数电压温度尺寸(mmx mm)RX3-15-915(KW)1380(V)950 C500 x 230 x 220说明：适用于中，小型工件成批量生产。可进行退火、正火、淬火和高温及低温回火等热处理操

22、作。该炉功率小空间相对于工件可以很好的利用，正是由于它的空间小它的加热时间短并且热利用率高图7 X3-60-9 950 C箱式电阻炉(2) 渗碳设备：用井式气体渗碳炉，型号为 RQ3-75-9D。渗碳炉子参数见下表RX3-35-9D 950 C井式气体渗碳炉技术数据额定额定额定加热电热工作空炉空炉炉温功率电压温区数原件空间升温损耗均匀KWV度C接法尺寸时间功率性C(直hKW深）353809501Y300X600三2.5三9三20图8井式气体渗碳炉（3）淬火设备：渗碳炉和油槽。（4） 回火设备：低温井式电阻炉，型号为 Rj-35-6，电阻炉参数见下表Rj-35-6低温井式电阻炉技术数据额定功率K

23、W额定电压V额定温度C加热区数工 作空间 尺寸（直 径X深）空 炉升温 时间h空 炉损耗 功率KW353809503500X650三4.5三1262仪表1 温度检测表热电偶：镍铬一镍硅（镍铝），温度范围40-1200 C。2. 温度显示与调节仪表TA 091电子调节器，规格参数：位式+报警，该系列仪表所配用执行器：接触器、 电磁阀、ZAP （ZAJ）直行程电机+ZM薄膜阀，可控硅电压调整器、DF-1伺服放大器+ 直行程电机+ZM薄膜阀，电气转换器+ZM气动薄膜阀。3. 数字式温度显示仪表: 13盐城工学院课程设计说明书（论文）面板是数字温度仪表：RY2312，测量范围：0-1300C。4压力测

24、量仪表热处理设备工测量压力表主要测量煤气压力燃烧油压力。2.6.3设计工夹具零件在热处理过程中，根据零件的外形、尺寸及批量和所选用的加热炉型号，需要 多种吊具和工夹具以保证零件的加热均匀，不致于变形，保证操作安全。1 夹具：圆锥台的大端有用于螺栓连接的法兰盘，在圆锥台锥面中间圆周上均布若干轴线垂 直于锥面的通孔，通孔内有一台阶孔。2压板：3. 定位销:头部是球体，中间是轴，尾部加工一个台阶，台阶的顶部是球面。4. 弹簧：套在定位销上并一起安装在夹具体锥面上的通孔内。5. 变速箱齿轮渗碳夹具：2.7 20CrMo理质量检验项目、内容及要求1. 外观形检查检查工件表面有无腐蚀或氧化皮。不得有裂纹及

25、碰伤，表面不得有锈蚀。2. 工件变形检查根据图样技术要求检查工件的挠曲变形、尺寸及几何形状的变化。3. 硬度测试硬度检验：包括工件的表面和心部的硬度检验。选取三点进行硬度测试，根据原理 HB=F/S（淬火钢球），用硬度实验测试。4. 渗层深度及组织检查选取试样横截面切取，打磨试样，夹具夹持进行抛光，用 4%硝酸酒精溶液侵蚀，在 用酒精进行清洗，再吹干。用放大镜观察渗层厚度，在金相显微镜下进行观察试样的金 相组织，按技术要求及标准行检查渗层碳化物的形态及分布，残留奥氏体数量，有无反常组织，心部组织是否粗大及铁素体是否超出技术要求等，一般在显微镜下放大400咅观察，若得到组织为回火索氏体，则符合工

26、件热处理组织要求。2.8 20 CrMo齿轮热处理常见缺陷的预防及补救方法2.8.1马氏体粗大及奥氏体过量这主要是由于实际淬火温度过高，材料表面碳含量过高所造成的，因此，可以适当 的降低淬火温度和表面脱碳或者是渗碳的时候掌握好时间等措施来解决这个缺陷。2.8.2碳氮化合物过量齿轮经过碳氮共渗能够增加碳化层的强度，但是由于操作不当，可能导致面层浓度 过高，是析出的碳化物以角状或网状形态析出，会导致组织表面组织性能严重降低，容易 产生齿崩，并且容易应力集中。解决方式是按照正确的工艺操作，严格按照工艺要求进行 每一步热处理操作，并在热处理后仔细检测热处理参数，看是否达到热处理要求，否则必 须重新热处理至达到要求。2.8.3渗层不均匀碳氮共渗中最容易出现的缺陷组织是黑色组织，可能造成齿轮的接触疲劳、弯曲疲 劳及降低齿轮的耐磨性等，其产生的主要原因由于合金元素Mn被内氧化，而生成合金氧化物及氮原子的渗入而生成含 Cr、Mn的C、N化合物造成的，因此在渗碳的过程中做好气 体保护，控制好渗碳炉内的温度满足渗碳是环境条件，使齿轮内部合金元素不被氧化，贫 化等使其达到渗碳所具备的条件。2.8.4热处理畸变在齿轮的热处理过程中，由于原材料的悬着，材料原始组织，热处理前序以及齿轮 的几何形状因