毕业设计（论文）20crmnti钢制造汽车曲轴正时齿轮热处理工艺设计

1、攀枝花学院学生课程设计（论文）题 目 20CrMnTi钢制造汽车曲轴正时齿轮热处理工艺设计 学生姓名： 学 号： 所在院(系)： 材料工程学院 专 业： 材料成型及控制工程 班 级： 指 导 教 师： 职称： 讲 师 2013年12月18日攀枝花学院教务处制攀枝花学院本科学生课程设计任务书题目20CrMnTi钢制造汽车曲轴正时齿轮热处理工艺设计1、课程设计的目的使学生了解、设计20CrMnTi钢制汽车曲轴正时齿轮热处理生产工艺，主要目的：（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

2、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。2、课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）内容：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。要求：（1）分析生产加工及热处理过程中可能出现的缺陷，针对这些缺陷提出预防措施或补救措施。（2）提交设计说明书（或设计报告），35千字，提

3、交设计说明书。3、主要参考文献1 崔明择主编.工程材料及其热处理M. 北京：机械工业出版社，2009.7.3王建安. 金属学与热处理M. 北京：机械工业出版社，19804 5 M.4、课程设计工作进度计划第16周：对给定题目进行认真分析，查阅相关文献资料，做好原始记录。 第17周：撰写课程设计说明书，并进行修改、完善，提交设计说明书。指导教师（签字）日期年 月 日教研室意见：年 月 日学生（签字）： 接受任务时间： 年 月 日注：任务书由指导教师填写。课程设计（论文）指导教师成绩评定表题目名称评分项目分值得分评价内涵工作表现20%01学习态度6遵守各项纪律，工作刻苦努力，具有良好的科学工作态度

4、。02科学实践、调研7通过实验、试验、查阅文献、深入生产实践等渠道获取与课程设计有关的材料。03课题工作量7按期圆满完成规定的任务，工作量饱满。能力水平35%04综合运用知识的能力10能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题，能正确处理实验数据，能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。05应用文献的能力5能独立查阅相关文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获取新知识的能力。06设计（实验）能力，方案的设计能力5能正确设计实验方案，独立进行装置安装、调试、操作等实验工作，数据正确、可靠；研究思路清晰、完整。07计算及计算机应用能力5具有较强的数据运算与处理能

5、力；能运用计算机进行资料搜集、加工、处理和辅助设计等。08对计算或实验结果的分析能力（综合分析能力、技术经济分析能力）10具有较强的数据收集、分析、处理、综合的能力。成果质量45%09插图（或图纸）质量、篇幅、设计（论文）规范化程度5符合本专业相关规范或规定要求；规范化符合本文件第五条要求。10设计说明书（论文）质量30综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理；实验正确，分析处理科学。11创新10对前人工作有改进或突破，或有独特见解。成绩指导教师评语指导教师签名： 年月日摘 要 本课设计了20CrMnTi钢制造汽车曲轴正时齿轮热处理工艺设计。主要的工艺过程包括锻造、预备热处理（完

6、全退火）、渗碳、淬火+低温回火等过程。通过各种不同的工艺过程进行恰当的处理可以获得各种性能良好的材料并且满足各项性能的要求。20CrMnTi钢其塑性、低温冲击韧性高，但强度、硬度较低，锻造、焊接和冷冲压性能良好，冷变形塑性高，但切削加工变形小。用于制造受力不大、韧性要求高的零件和渗碳件，紧固件和冲模锻件以及不经热处理的低负荷零件。 汽车曲轴齿轮是汽车中重要的传动部件。其将汽车发动机和汽车主轴联结起来，将动力和扭矩由电机传递到主轴，从而使主轴转动汽车轮。其主要作用是通过变速装置调节主轴转速和扭矩，从而使发动机运行在最佳的状态1。关键词：汽车曲轴正时齿轮、20CrMnTi钢、预备热处理、完全退火、

7、低温回火+淬火。目 录TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc5993 摘 要 HYPERLINK l _Toc29232 1、设计任务1 HYPERLINK l _Toc8146 1 HYPERLINK l _Toc17594 1 HYPERLINK l _Toc665 2、热处理零件图2 HYPERLINK l _Toc21897 3、设计方案2 HYPERLINK l _Toc18870 3.1 汽车曲轴正时齿轮设计的分析2 HYPERLINK l _Toc18899 3.2 HYPERLINK l _Toc577 32 HYPERLINK l _Toc665 32

8、HYPERLINK l _Toc18648 3.2钢种材料3 HYPERLINK l _Toc5047 4、设计说明4 HYPERLINK l _Toc16369 4.1加工工艺流程4 HYPERLINK l _Toc9134 4.2具体热处理工艺4 HYPERLINK l _Toc21095 4预备热处理工艺5 HYPERLINK l _Toc15421 4.2.2渗碳工艺5 HYPERLINK l _Toc13763 4.2.3淬火+低温回火热处理工艺6 HYPERLINK l _Toc13763 4.2.4渗氮工艺6 HYPERLINK l _Toc1667 5、分析与讨论8 HYPER

9、LINK l _Toc26041 6、结束语9 HYPERLINK l _Toc30567 7、热处理工艺卡片10 HYPERLINK l _Toc30567 8、汽车曲轴正时齿轮的热处理缺陷及预防或补救措施10 HYPERLINK l _Toc2396 参 考 文 献191 设计任务20CrMnTi制造汽车曲轴正时齿轮热处理工艺设计 20CrMnTi钢是一种低碳钢材料，它的延展性、可塑性都是比较好的，由于它的含碳量低(在7-0.23%之间)所以，硬度比较低。因此，为满足其在制造汽车曲轴正时齿轮上的寿命要求，应提高其硬度。由于汽车曲轴齿轮是属于闭式齿轮，那么它的主要失效形式为齿面点蚀和轮齿的弯

10、曲疲劳折断。当采用软齿面（齿面硬度350HBS）时，其齿面接触疲劳强度相对较低。因此，一般应首先按齿面接触疲劳强度条件，计算齿轮的分度圆直径及其主要几何参数（如中心距、齿宽等），然后再对其轮齿的抗弯曲疲劳强度进行校核。当采用硬齿面（齿面硬度350HBS）时，则一般应首先按齿轮的抗弯曲疲劳强度条件，确定齿轮的模数及其主要几何参数，然后再校核其齿面接触疲劳强度2。 在对20CrMnTi钢进行热处理时，即去应力退火，淬火和高温回火时应严格按照卡片所列出的时间进行保温以及其它操作的要求。2 热处理零件图汽车曲轴正时齿轮零件图：3 设计方案由于是汽车曲轴正时齿轮，因此其工作强度很高并且环境恶劣，首先为密

11、闭状态；其次为齿轮啮合，并且周围环境中充满这润滑液体。而且20CrMnTi钢的硬度不怎么高，虽然通过热处理改善其性能，但终究是有限的，因此在使用中需注意不要超过最大荷载，以免损伤齿轮。主要失效形式为齿面点蚀和轮齿折断。齿面点蚀。齿轮传动过程中，齿轮接触面上各点的接触应力呈脉动循环变化，经过一段时间后，会由于接触面上金属的疲劳而形成细小的疲劳裂纹，裂纹的扩展造成金属剥落，形成点蚀。轮齿折断。最常见的是弯曲疲劳折断、过载折断。轮齿受力后,在齿根部产生的弯曲应力最大,且在齿根过渡圆角处有应力集中。如果轮齿的交变应力超过了材料的疲劳极限,在齿根圆角处将产生疲劳裂纹,随着裂纹不断扩展。 eq oac(,

12、1)汽车曲轴正时齿轮疲劳耐久性试验。此项目考核齿轮的疲劳耐久性, 是曲轴齿轮试验的必做项目。试验时间长、试验效果明显是其主要特点。疲劳耐久性试验的加载方式是试验的关键, 一般采用机械封闭式齿轮加载试验台或电封闭式齿轮加载试验台。 eq oac(,2)汽车曲轴正时齿轮同步器性能试验。该项目适用于通过在一定油温、一定输出转速下测量齿轮转速、输出扭矩, 分析整理得到汽车曲轴齿轮的各个力学性能，试验后汽车曲轴正时齿轮无损伤。 eq oac(,3)汽车曲轴正时齿轮静扭强度试验。将曲轴齿轮安装在试验台上, 固定其输出端, 利用减速机带动输入端慢慢运转, 同时记录曲轴齿轮输入端扭矩、输出端扭矩、输入轴扭转角

13、度, 直到达到某设定扭矩或直到齿轮损坏而停止加载。分析记录数据的变化规律, 判断曲轴齿轮的静态扭转强度性能。此项目试验时间短, 直接反映曲轴齿轮的静态强度性能。汽车曲轴正时齿轮润滑性能和温升试验。测量汽车曲轴正时齿轮在不同的爬坡角度、不同的转速下空载温度升高规律。由于是空载下运行, 汽车发动机输入功率小、消耗功率少, 运转时间不长, 故不损坏曲轴齿轮。虽然试验成本低, 但汽车曲轴正时齿轮设计上的缺陷、制造过程中的多种故障都能从温升中反映出来, 故在试验及日常质量评价试验中得到普遍应用。 20CrMnTi钢其塑性、韧性高，但强度、硬度较低，锻造、焊接和冷冲压性能良好，冷变形塑性高，但切削加变形小

14、。用于制造受力大、韧性要求高的零件和渗碳件，紧固件和冲模锻件以及不经热处理的低负荷零件。20CrMnTi钢力学性能：抗拉强度 b (MPa)：1085，屈服强度 s (MPa)：850，伸长率 5/（%）：10，断面收缩率 /（%）：45。20CrMnTi是渗碳钢，渗碳钢通常为含碳量为0.17%-0.24%的低碳钢。汽车上多用其制造传动齿轮，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，加工变微小，抗疲劳性能相当好。是性能良好的渗碳钢，淬透性较高，经渗碳淬火后具有硬

15、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。4 设计说明20CrMnTi钢制造汽车曲轴齿轮热处理工艺设计的热加工工艺流程经过许多次改进形成如下的工艺流程: 下料锻造预备热处理(完全退火)机械加工渗碳淬火+低温回火平磨组装。20CrMnTi钢属于低碳钢，其成分1如下表3.1. 20CrMnTi钢的化学成分（质量分数，%）C

16、MnPSCrNiCuSi70.230.800.030成分分析：Mn是良好的脱氧剂和脱硫剂。它能消除或减弱由于硫所引起的钢的热脆性，从而改善钢的热加工性能。Mn和Fe形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度，经固溶处理后有良好的韧性，当受到冲击而变形时，表面层将因变形而强化，具有高的耐磨性；同时又是碳化物形成元素，进入渗碳体中取代一部分铁原子。Si能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度。硅能提高钢的弹性极限、屈服强度和屈服比(s/b),以及疲劳强度和疲劳比(-1/b)等。 硅能促使铁素体晶粒粗化，降低矫顽力。20CrMnTi钢的热处理包括初期的锻造和预先热处理，以减少坯料的硬度为方便后面

17、的机加工，也为后续渗碳、淬火、回火提供优良的原始组织。20CrMnTi钢的热处理工艺分析：由于20CrMnTi钢的含碳量较低，对于齿轮这种要求刚强度和高耐磨的特性，那么20CrMnTi钢的最重要的就是提高其硬度和耐磨性。通过锻造和随后的退火，形成硬度较低的原始坯料，为后续的切削加工提供有利的方便和减少对于车床的磨损。渗碳是通过对其表面更加的硬度能够更大程度的提升，保证质量。为了碎化、细化共晶碳化物，把粗大的枝晶状共晶碳化物打碎、提高碳化物分布的均匀性，细化碳化物的粒度，一般20CrMnTi钢使用时都需要进行锻造和预先热处理, 以减少碳化物的不均匀分布, 为后续淬火、回火提供优良的原始组织4。预

18、备热处理工艺退火是将偏离平衡状态的金属坯料或零件加热至较高温度，保持一定的时间后通常以相当缓慢的速度冷却，以得到接近于平衡状态组织的各种工艺方法。退火的目的是：a消除钢锭的成分偏析，使成分均匀化。b消除因铸、锻、焊引起的组织缺陷。c降低硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工。d细化晶粒，均匀组织，为后续热处理做组织准备。e消除钢中的内应力，以防止变形与开裂5。Ac3Ac1图3.2 A钢完全退火工艺曲线加热温度：Ac3843；加热速度：小于200/h；保温时间：2min/mm8上进行加工。渗碳是将工件放入渗碳气氛中，并在900950的温度下加热、保温，使其表面层增碳的一种工艺操作。渗碳的目的

19、在于使工件在继续经过相应热处理后表面具有高硬度和耐磨性，而心部任保持一定的强度和较高的任性。6所示。 4.2.3淬火+低温回火热处理工艺淬火淬火是将钢加热至临界温度点Ac3或Ac1以上一定的度，保温后以大于临界冷却速度的速度冷却得到马氏体（或下贝氏体）的热处理工艺叫做淬火。其目的是使奥氏体化后的工件获得尽量多的马氏体，然后配以不同温度回火获得各种需要的性能。钢的理想淬火冷却曲线如图7所示 Ac3 Ac1 A AP AB Ms低温回火回火是将淬火钢加热到A1以下某一温度，经过保温，然后以一定的冷却方法冷至室温的热处理操作。其目的在于：a.降低脆性，消除内应力。工件淬火后存在着很大的内应力和脆性，

20、若不及时回火，零件会产生变形或开裂。b.得到对工件所要求的力学性能。工件淬火后，硬度高，脆性大，为了了获得对工件要求的性能，可以用回火温度调整硬度，减小脆性，得到所需要的塑性、强度和硬度。c.稳定工件尺寸。淬火后的组织是马氏体和残余奥氏体，这两种组织都是不稳定的，会自发地逐渐地发生组织转变，因而引起工件尺寸和形状的改变。通过回火，可以促使这些组织转变。达到较稳定状态，以便在以后的使用过程中不发生变形8。渗氮工艺可以提高齿轮的表面强度，提高齿轮表面的耐腐蚀及耐磨，是齿轮的力学性能达到最好，下面是20CrMnTi齿轮的渗氮工艺图：回火规范如表3.2 9。 表3.5 20CrMnTi回火规范表 方案

21、 淬火温度 / 回 火用 途 加热温度/ 介质硬度HRC 820850 消除应力 去除应力，降低硬度去除应力，降低硬度150170 200275 400425 油或硝盐 6163 5759 5557 11151130 去除应力及形成二次硬化 去除应力及形成二次硬化 去除应力及形成二次硬化 510520多次回火 -78冷处理加510520一次回火 -78冷处理加一次510520回火，再-78冷处理 6061 6061 6162经过上述各种热处理后20CrMnTi钢的韧性、硬度、耐磨性都有所甚至很大的提升。锻造毛坯产生的粒状贝 氏体引起硬度增高， 导致了齿型加工困难， 使刀具早期磨损。 于车辆齿轮

22、或大批量 对 的小型齿轮越来越多采用等温正火工艺。 对于模数、 径较大的质量要求高的工业 直 齿轮通常采用调质作为预备热处理12 调质 对于重要的齿轮用调质来改善钢的性 能。 在切削加工时， 为了不致发生 “粘刀” 现 象和使刀具严重磨损，通过改善金相组织控 制钢的硬度。 实践证明， 为了防止锻造毛坯 在预备热处理中产生粒状贝氏体影响钢 的 力学性能，工艺可采用淬火后680700 高温回火（即调质）来替代原来的正火。 高温 回火后得到回火索氏体组织， 即粒状渗碳 体 均 匀 的 分 布 在 铁 素 体 基 体 上， 应 力 集 中 倾向小，硬度降低至200HB330HB，切削 性能较好。 质钢

23、与正火钢相比不仅强度 调 较高， 而 且 塑 性 、 性 远 高 于 后 者 ， 同 时 锻 韧 造 应 力 得 到 充 分 的 消 除， 满 足 了 机 械 加 工 要求，在生产中已取得了良好的经济效益 2 5 形，要严格控制渗碳齿轮的表面碳浓度和 渗层深度。 它们会对渗层组织的膨胀系 因 数 产 生 影 响， 渗 碳 后 若 表 面 形 成 不 良 碳 化 物分布，将增加齿形、 向及孔的变 齿 形， 因此必须控制渗碳时的碳势， 以防止表 面碳浓度过高和碳量不均匀。 碳层深度 渗 越厚， 也将使畸变加大。 表面含碳量影响渗 碳淬火齿轮的淬透性， 而材料的淬透性对 组织、 性能、 畸变有直接的

24、影响 5 。 因此应使 渗碳层深度及其表面含碳量控制在合理适 宜的范围内。预备热处理 通常20CrMnTi选用正火或调质处理作 为预备热处理， 其目的是降低钢的硬度， 提 高 塑 性 ， 以 利 于 切 削 加 工 ； 细 化 晶 粒 ， 均匀 钢的组织及成分， 改善钢的性能， 为以后的 热处理作准备； 消除锻造应力， 防止变形和 开裂， 保 证 齿 形 合 格 。 11 正火 正火是将钢加热到Ac 3以上3050， 保温足够的时间后出炉在空气中冷却到室 温。 对于一般的齿轮采用正火， 正火可以减 少碳和其他合金元素的成分偏析； 使奥氏 体晶粒细化和碳化物的弥散分布， 以便在 随后的热处理中增

25、加碳化物的溶解量。 由 于 正 火 的 冷 却 速 度 较 快， 获 得 细 小 的 片 层 状 渗 碳 体 珠 光 体 ， 强 度 、 度 都 较 高 ， 力学 硬 性能较好。 然而正火工艺是空冷， 对于尺寸 较大零件，内外温差大冷却速度不稳定，在 连 续 冷 却 时 ， 过 冷 奥 氏 体 在A 1 5 5 0 温 度 范 围 内 分 解 为 珠 光 体，在550 Ms 温 度 范 。 2渗碳处理工艺 2 1 钢的化学成分 20CrMnTi 的含碳量为020属于低碳 钢， 渗碳时保证了碳元素的正常渗入。 火 淬 热 处 理 后 心 部 获 得 低 碳 马 氏 体， 以 保 证 心 部具有足

26、够的塑性和韧性， 抵抗冲击载荷。 钢中合金元素为Cr15、 Mn15 、 i T 15。 r、 n合金元素能提高钢铁索体 C M 的强度，同时提高钢的淬透性。 元素能阻 Ti 止钢的奥氏体晶粒的长大，提高钢的回火 稳定性。 20CrMnTi齿 轮 根 据 使 用 性 能 要 求 表面耐磨，心部又要求有良好的强韧性，所 以 要 对2 0 C r M n T i钢 进 行 表 面 渗 碳 处 理，渗 碳 淬 火 后 表 面 得 到 高 碳 马 氏 体， 具 有 较 高 的硬度和耐磨性。 2 2 渗碳工艺 渗碳淬火工艺过程中， 要防止齿轮变 ，并 从 表 面 到 心 部 逐 渐 减 小，心部仍保持

27、原来低碳钢的含碳量。 渗碳的温度越高，时 间越长，奥氏体晶粒越大，齿轮的畸变越 大， 把 加 热 温 度 控 制 900 左 右 ， 目 的 是 控 制奥氏体晶粒长大，获得细小的奥氏体晶 粒， 淬火后获得细小的马氏体组织。 于 渗 由 碳只改变工件表面的含碳量， 要使渗碳齿 轮表面具有高的硬度、 的耐磨性和心部 高 良好韧性渗碳后必须进行热处理。 用的 常 是淬火后低温回火。 3淬火低温回火 31 淬火 钢的加热温度一般可根据F e F e 3C相图 选择，亚共析钢淬火加热温度选择Ac3以上 30 5 0 ，过 共 析 钢 淬 火 加 热 温。5 分析与讨论 20CrMnTi钢制造汽车正时齿轮

28、热处理工艺设计已经在前面展示，单就其性能以及热处理的过程想必是没多大问题，若放入实际生产中有很多不可预知的问题，因此，不能纸上谈兵须得到工厂或者实验室中反复的通过实验数据进行分析，然后在得出最重要的结论用于实践中，从而在生产中减低成本、提高效率并且减少工时，降低能源消耗。6 结束语 这次20CrMnTi钢制造起汽车曲轴正时齿轮热处理工艺设计的完成，让我不仅通过自己的努力大致了解了20CrMnTi钢制造汽车曲轴正时齿轮的制作流程，还学会了把自己书本上学到的知识运用到实际物体上去。20CrMnTi钢制造汽车曲轴正时齿轮是协助发动机完成对曲轴的转动提供动力，所以20CrMnTi钢必须具有强的硬度和高

29、的耐磨性。前段时间在没有认真学习金属学时，我觉得这个课程设计很难很难，但现在经过我对金属学的充分认识，我重新设计完成了一遍，使我从中吸取了精华部分。金属学都是理论上的成型工艺，在实际生产中肯定还有许多细节问题需要我们去解决和改进。在这次的课程设计中，发挥出了自己单独设计20CrMnTi钢制造汽车曲轴正时齿轮热处理工艺设计能力和综合运用书本知识，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，尤其是热处理加工工艺，是自己很有成就感。同时各科相关的课程都有了全面的复习与运用，独立思考的能力也有所提高，更为重要的是：在这次20CrMnTi钢制造汽车曲轴正时齿轮热处理工艺设计中，从中发现自己平时学习的不足和薄弱