热处理工艺课程设计高速中载齿轮的热处理工艺

热处理工艺课程设计高速中载齿轮的热处理工艺目录一．热处理工艺课程设计的目的和意义……………5二．零件的技术要求及选材………51.零件的服役条件和可能的失效形式…………52.技术要求……………………63.材料的选择……………………64.化学成分及合金元素的作用………………85.所选材料的相变临界点……………………9三．热处理工艺课程设计的任务……………………91.相变点确实定……………102.热处理的工艺参数………103.热处理设备的选择…………10制定热处理工艺依据及具体参数确实定……131.热处理工艺总体制定………132.所选工艺的目的……………133.热处理工艺…………………143.1正火……………………143.2渗碳……………………143.3淬火……………………203.4回火……………………224.组织特点和性能分析………23五．热处理工艺过程中缺陷分析…………………241.常见的渗碳缺陷……………252.常见的淬火缺陷……………263.常见的回火缺陷……………27收获和体会………………27参考文献……………………28附表一热处理工艺卡………29热处理工艺课程设计的目的和意义热处理工艺课程设计是高等学校金属材料专业学生在学完相关热处理课程后运用理论知识指导生产实践的一次专业课程设计练习，是热处理原理与工艺课程的最后一个教学环节。其目的是：〔1〕培养学生综合运用所学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稳固和开展。〔2〕学习热处理工艺设计的一般方法、热处理设备选用和夹具设计等。〔3〕进行热处理设计的根本技能训练，如计算、零件绘图和学习使用设计资料、手册、标准和标准。因此，本课程设计要求我们综合运用所学知识来解决生产实践中的热处理工艺制定问题，包括工艺设计中的细节问题，如设备的选用，夹具的设计等。这些都需要我们在实践中体会并不断地总结，才能不断进步。通过该课程设计，可使学生在综合运用所学专业根底理论和专业知识能力方面得到训练，学会独立分析问题和解决问题的方法，提高工程意识和工程设计能力。热处理工艺是金属材料工程的重要组成局部。通过热处理可以改变材料的加工工艺性能，充分发挥材料的潜力，提高工件的使用寿命。热处理工艺是整个机械加工过程中的一个重要环节，它与工件设计及其它加工工艺之间存在密切关系。如何实现工件设计时提出的几何形状和加工精度，满足设计时所要求的多种性能指标，热处理工艺制定的合理与否，起着至关重要的作用。二．零件的技术要求及选材1.零件的服役条件和可能的失效形式1.1服役条件齿轮是机械工业中应用最广泛的重要零件之一。其主要作用是传递动力，改变运动速度和方向。与其他机械传动相比，有功率范围大、传动效率高、使用寿命长、平安可靠等特点，是主要零件。其服役条件如下：〔1〕齿轮工作时，通过齿面的接触来传递动力。两齿轮在相对运动过程中，既有滚动，又有滑动。因此，齿轮外表受到很大的接触疲劳应力和摩擦力的作用。在齿根部位受到很大的弯曲应力作用；〔2〕高速齿轮在运转过程中的过载产生振动，承受一定的冲击力或过载；〔3〕在一些特殊环境下，受介质环境的影响而承受其它特殊的力的作用。1.2失效形式根据其服役条件，常见的失效形式为以下四点：〔1〕疲劳断裂齿轮在交变应力和摩擦力的长期作用下，导致齿轮点面接疲劳断裂。其产生是由于当齿轮受到弯曲应力超过其持久极限就出现疲劳破坏而超过材料抗弯强度时，就造成断裂失效；〔2〕外表损伤a.点蚀是闭式齿轮传动中最常见的损坏形式，点蚀进一步开展，表现为蚀坑至断裂。b.硬化层剥落由于硬化层以下的过渡区金属在高接触应力作用下产生塑性变形，使外表压应力降低，形成裂纹造成碳化层剥落。〔3〕磨损失效汽车、拖拉机上的主载荷齿轮，受力比拟大，摩擦产生热量较大，齿面因软化而造成塑性变形，在齿轮运转时粘结而后又被撕裂，造成齿面摩擦磨损失效〔4〕磨粒磨损外来质点进入相互啮合的齿面间，使齿面产生机械擦伤和磨损，比正常磨损的速度来得更快。技术要求本课程设计的高速中载齿轮的直径为100mm,模数为5。经热处理后制成的高速中载齿轮的技术要求如下：〔1〕齿轮外表硬度：56～62HRC〔2〕齿轮心部硬度：33～48HRC〔3〕渗碳层深度：0.8～1.2mm材料的选择3.1零件的用途高速齿轮是机械工业的重要根底件，广泛地应用在动力、冶金、石油化工、航空航天以及舰船工业等重要领域，常常被用于重型载货汽车上。适用于工作条件较为繁重、恶劣的汽车、拖拉机的变速箱和后桥中的齿轮。还被用于内燃机机车、坦克、飞机上的变速齿轮，这对材料的性能要求更高。3.2工作条件齿轮工作时，通过齿面的接触来传递动力。两齿轮在相对运动过程中，既有滚动，又有滑动，外表受到很大的接触疲劳应力和摩擦力的作用。在齿根部位受到很大的弯曲应力作用；高速齿轮在运转过程中的过载产生振动，承受一定的冲击力或过载；在一些特殊环境下，受介质环境的影响而承受其它特殊的力的作用。3.3性能要求根据齿轮工作条件及失效形式分析，对齿轮材料提出如下性能要求：〔1〕高的弯曲疲劳强度，特别是齿根处要有足够的强度，使运行时所产生的弯曲应力不致造成疲劳断裂。〔2)高的接触疲劳强度、高的外表硬度和耐磨性，防止齿面损伤。〔3〕足够高的齿轮心部强度和冲击韧度，防止过载与冲击断裂。〔4〕原材料材质纯洁，断面经浸蚀后，不得有肉眼可见的空隙、气泡、裂纹、非金属夹杂物及白点等缺陷，其疏松和夹杂物等级应符合有关标准规定的要求。〔5〕还要求有良好的切削加工性，淬火变形要小，以获得高的加工精度和低的外表粗糙值，以提高齿轮抗磨损能力。〔6〕价格低廉，材料来源充足。3.4选材高速、中载、承受较大冲击载荷的齿轮，一般采用低碳合金渗碳钢或碳氮共渗钢，工作时外表承受很大的接触疲劳应力和摩擦力的作用，高速转动承受一定的冲击力或过载。选用20CrMnTi钢，由于钢中含有Cr能够提高淬透性，Cr还是碳化物形成元素，提高回火稳定性；Mn能增加钢的强度和硬度，还有脱硫的成效，也能提高钢的淬透性；Ti是强碳化物形成元素，在钢中生成MC型碳化物，对提高钢的耐磨性和细化晶粒有一定的好处。20CrMnTi钢采用渗碳+淬火+低温回火，齿轮外表可以获得58―63HRC的高硬度，心部硬度为30―45HRC，因淬透性较高，齿心部具有较高的强度和韧性。20CrMnTi的含碳量为0.20％属于低碳钢,渗碳时保证了碳元素的正常渗入。淬炽热处理后心部获得低碳马氏体,以保证心部具有足够的塑性和韧性,抵抗冲击载荷。钢中合金元素为Cr<1.5％、Mn<1.5％、Ti<1.5％。Cr、Mn合金元素能提高钢铁索体的强度,同时提高钢的淬透性。Ti元素能阻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外表耐磨,心部又要求有良好的强韧性,所以要对20CrMnTi钢进行外表渗碳处理,这样可以提高钢的硬度、耐磨性及疲劳强度，经过渗碳淬火后外表得到高碳马氏体,具有较高的硬度和耐磨性。综上，本次课程设计高速中载齿轮选用材料为20CrMnTi钢。化学成分及合金元素的作用4.120CrMnTi钢的化学成分20CrMnTi钢的化学成分CSiMnCrTi0.17～0.230.17～0.370.80～1.101.00～1.300.04～0.10SPNiCu≤0.035≤0.035≤0.30≤0.304.2合金元素的作用⑴C：保证形成碳化物所需要的碳和保证淬火马氏体能够获得的硬度。⑵Si：硅能阻止碳化物形核长大，使“C〞曲线右移，提高钢的淬透性，还能提高钢的抗回火性，提高钢的综合机械性能。⑶Mn：主要作用是提高钢的淬透性，增加钢的强度和硬度，有脱氧及脱硫的成效〔形成MnS〕，防止热脆。还可以改善渗碳层，有利于渗碳层增厚，增加奥氏体冷却时的过冷度，细化珠光体组织以改善机械性能。⑷Cr：能够提高钢的淬透性并有二次硬化作用，还是碳化物形成元素，提高回火稳定性，增加钢的耐磨性。⑸Ti：是强碳化物形成元素，在钢中生成MC型碳化物，对提高钢的耐磨性和细化晶粒有一定的好处。⑹S：S是钢中的杂质元素，能明显降低钢的热塑性，但是S能改善钢的可切削性能。⑺P：P是钢中的有害杂质元素，能降低钢的强度和韧性。⑻Ni：降低相变驱动力，使“C〞曲线右移，Cr-Ni符合效果更好，提高钢的淬透性。⑼Cu：铜元素比拟稳定，不易被氧化，所以含有的铜元素能起到耐腐蚀作用。5.所选材料的相变临界点铁碳合金组织相图：20CrMnTi钢热处理的临界转变温度如下表格：钢号临界温度〔℃〕Ac1Ac3Ar1Ar320CrMnTi740825680730热处理工艺课程设计的任务根据题目中零件的技术要求，分析零件服役条件和可能的失效形式，根据失效形式，确定零件的性能特点，根据性能特点，选择材料，相变点确实定，分析含碳量及合金元素的作用，确定该零件的加工工艺路线以及热处理在加工工艺路线中的位置，选定能实现技术要求的热处理方法，热处理工艺参数的制定，热处理设备的选择，画出各热处理工艺后的金相组织示意图，分析显微组织特点，说明相组成物、组织组成物的名称，工艺卡片的填写。1.相变点确实定20CrMnTi钢的相变点如下表：牌号临界温度/℃正火Ac1Ac3Ms温度/℃冷却/℃硬度HBWAr1Ar3Mf20CrMnTi740825360950~970空冷190~220680730淬火回火温度/℃淬火介质硬度HRC不同温度回火后的硬度值HRC150℃200℃300℃400℃500℃550℃600℃650℃860油42~464341403935302517热处理的工艺参数〔1〕正火温度为950~970℃，保温时间为3h。〔2〕渗碳温度930℃，渗碳保温时间为4h。〔3〕淬火温度为860℃，淬火介质为油，冷却方式油冷。〔4〕回火温度为180℃，保温时间为2.5h。3.热处理设备的选择3.1正火设备箱式电阻炉按温度的上下分为低温箱式炉、中温箱式炉、高温箱式炉，是目前应用最广泛的设备，通用性强，适用于大批量的热处理作业，中温箱式炉的应用十分广泛，是通用性很强的设备，使用温度在700~900℃，最大加热温度950℃，用于碳钢、低合金钢的退火、正火、调质处理、渗碳、淬火、回火以及时效等。我设计的齿轮正火温度在950℃左右。考虑到中温炉在中温测量时比拟准确，因而选用中温箱式炉。标准系列中温箱式电阻炉技术数据型号功率/kw电压/v相数最高工作温度/℃炉膛尺寸〔长×宽×高〕/mm炉温850℃时的指标空炉损耗功率/kw空炉升温时间/h最大装载量/kgRX(RX3-□-9Q)RX3-15-9153801950600×300×25052.580RX3-30-9303803950950×450×35072.5200根据我设计的齿轮直径为100mm，所以正火选用的电阻炉为RX3-15-9。3.2渗碳设备渗碳炉是新型节能周期作业式热处理电炉，主要供钢制零件进行气体渗碳。由于选用超轻质节能炉衬材料和先进的一体化水冷炉用密封风机，渗碳炉炉温均匀、升温快、保温好，工件渗碳速度加快，碳势气氛均匀，渗层均匀，在炉压提高时，亦无任何泄漏，提高了生产效率和渗碳质量。RQ系列井式气体渗碳炉系周期作业式电炉，主要供碳钢机件的气体渗碳等用。它由炉壳、炉衬、炉盖及提升机构、风扇、炉罐、电热元件、滴量器、温度控制及碳势控制装置组成。标准井式气体渗碳炉技术数据如下表：常用RQ系列渗碳井式炉的型号型号额定功率/kW额定电压/V相数额定温度/℃工作空间尺寸〔直径×深度〕/mm在950℃时有关指标空炉损耗功率/kW空炉损耗升温时间/h最大装载量/kWRQ3-25-9253803950Φ300×450≤7≤2.550RQ3-35-9353803950Φ300×600≤9≤2.570RQ3-60-9603803950Φ450×600≤12≤2.5150RQ3-75-9753803950Φ450×900≤14≤2.5220RQ3-90-9903803950Φ600×900≤16≤3.0400RQ3-105-91053803950Φ600×1200≤18≤3.0500根据齿轮的大小和渗碳温度，选择型号为RQ3-25-9系列的井式渗碳炉3.3淬火设备因为我设计的工艺流程是渗碳后预冷直接淬火，所以淬火设备只需选择淬火冷却设备。根据淬火介质为油，选择浸液式淬火设备即淬火油槽。淬火油槽主要是由盛油的槽子构成，具有介质搅拌、介质加热和换热等功能。根据我的设计，淬火设备为淬火油槽。3.4回火设备强迫对流箱式电阻炉是带有风扇的箱式电阻炉，用于一般钢件的热处理回火，称为箱式回火炉。下列图为箱式回火炉的技术参数：箱式回火炉的技术参数工程指标炉子有效尺寸〔长×宽×高〕/mm1220×914×760额定装炉量/kg1000额定生产能力/〔kg/h〕600加热温度/℃最高550炉温均匀度/℃±5炉墙外外表温度/℃≤50保护气氛及均匀化时间/h氮气装出料方式开式链条和滚动导轨额定功率/kW75根据我设计的齿轮大小和回火温度，选择的回火设备为箱式回火炉。五．制定热处理工艺依据及具体参数确实定1.热处理工艺总体制定热处理工艺是指零件热处理作业的全过程。热处理工艺制订应遵守以下原那么：工艺的先进性。工艺的合理性。工艺的可行性。工艺的经济性。工艺的可检查性。工艺的平安性。工艺的标准化。遵循以上原那么，本次设计的热处理工艺流程为：毛坯→正火→机加工→外表渗碳→淬火→低温回火。2.所选工艺的目的〔1〕正火正火：将钢加热到一定的温度920~950℃，在空气中冷却或者进行风冷，喷雾冷却的热处理工艺。正火工艺的加热温度要求足够高，一般要求得到均匀的单相组织。正火的目的：均匀组织，细化晶粒，改善钢件的可切削加工工艺性能及减少最终热处理后的变形。〔2〕渗碳渗碳：将低碳钢工件放在富碳气氛的介质中进行加热〔温度一般为880~950℃〕，保温，使活性碳原子渗入工件外表，从而提高表层碳浓度的过程，工件的外表被碳所饱和而获得高碳的渗层组织。渗碳的目的：改变了材料的外表特性，使钢的外表具有高的耐磨性、疲劳强度和抗弯强度，心部具有足够的强度和韧性。〔3〕淬火淬火：将工件加热到860℃左右的温度，保温一定时间，使之全部或局部奥氏体化后以适当的方式冷却，获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。淬火是强化钢材，充分发挥钢材性能潜力的重要手段，通常需与回火配合使用，才能获得各类零件或工具的使用性能要求。淬火的目的：使过冷奥氏体进行马氏体转变，得到马氏体组织。提高钢的力学性能，如强韧性、耐磨性。改善钢的物理、化学性能。〔4〕低温回火低温回火：将钢加热带180℃的温度，保温一定时间然后冷却到室温，使不稳定的组织〔淬火马氏体+剩余奥氏体〕转变为稳定组织〔回火马氏体〕的热处理工艺。回火的目的：减少或消除齿轮的淬火应力，消除脆性，改善韧性、塑性，满足其力学性能要求。稳定组织和尺寸，使亚稳定的淬火马氏体和剩余奥氏体进一步转变为稳定的回火组织。3.热处理工艺3.1正火将材料为20CrMnTi钢的齿轮放进中温箱式炉加热到920～950℃，保温3个小时，使钢中到达完全奥氏体化，然后取出齿轮，在空气中冷却到室温。其目的是在于使齿轮的硬度降低，消除毛坯的锻造应力，均匀组织，改善切削加工性能，同时还为以后的热处理做好金相组织上的准备。钢中的S是杂质元素，能明显降低钢的热塑性，但是S能改善钢的可切削性能。正火还使钢中晶粒细化和碳化物分布均匀化。经正火后，齿轮的外表硬度为156～207HBW。3.2渗碳渗碳原理将低碳钢件放入渗碳介质中，在850～950℃加热保温，使活性碳原子渗入钢件外表并获得高渗碳层的工艺方法叫做渗碳。齿轮、凸轮、轴类等许多重要机械零件还有模具经过渗碳及随后的淬火并低温回火后，可以获得很高的外表硬度、耐磨性以及高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度，而心部仍保持低碳，具有良好的塑性和韧性，因此处理后的材料既能承受磨损和较高的外表接触应力及冲击负荷的作用。渗碳属于化学热处理，过程由分解、吸附和扩散三个根本过程组成，发生的化学反响如下：2CO→［C］＋CO2Fe＋［C］→FeCCH4→［C］＋2H2渗碳方法根据渗碳剂的不同，渗碳方法有固体渗碳、气体渗碳和离子渗碳。常用的是前两种，尤其是气体渗碳应用最为广泛。所谓的气体渗碳是把零件放入含有气体渗碳介质的密封高温炉中进行碳的渗入过程的渗碳方法。这种渗碳方法通常是将煤油或丙酮等液态碳氢化合物直接滴入高温渗碳炉中，使其热裂分解为活性碳原子并渗入零件外表。气体渗碳温度一般为920～950℃。气体渗碳工艺过程通常可划分为升温排气、渗碳(包括强渗和扩散)、降温冷却三个阶段。气体渗碳又有变成气体〔或称发生气体〕及滴注式可控气氛渗碳两种。滴注式可控气氛渗碳是将有机液体直接滴入高温炉罐，并对碳势进行自动控制的渗碳工艺。渗碳时，同时向炉内滴入两种有机液体。一种液体为稀释剂，裂解形成稀释气体，起保护和冲淡的作用；另一种有机液体为渗碳剂，裂解后形成强渗碳气氛，为富化气，起渗碳作用。通常稀释剂多用甲醇，渗碳剂多用煤油、丙醇、异丙醇等。在渗碳过程中，稀释气体保持常量。在排气阶段主要主要用作排气，在渗碳阶段能维持炉内正压，成为炉气中的恒定成分。渗碳剂由电磁阀控制滴入。利用气体分析仪器对炉气中的某一成分，CO2、O2等，进行分析检测，并将检测值与给定值比拟，根据比拟结果对渗碳剂的滴量自动控制，从而实现对炉气碳势的控制。综上，本次渗碳方法选择气体渗碳中的滴注式可控气氛渗碳。渗碳温度渗碳温度是渗碳工艺中极为重要的参数。首先，温度影响着分解反响的平衡，如气氛中CO2含量不变，那么温度每降低10℃，将使气氛碳势增加大约0.08%；其次，温度也影响碳的扩散速度，如果气氛碳势不变，温度每提高100℃，可使渗层深度增加1倍；第三，温度还影响着钢中的组织转变，温度过高会使钢的晶粒粗大。所以综合各方面的因素，最后确定渗碳温度为930℃。碳势的选择与控制碳势Cp是表征含碳气氛在一定温度下与钢件外表处于平衡时可使钢外表到达的碳含量，一般采用低碳钢箔片测量。将厚度小于0.1mm的低碳钢箔置于渗碳介质中施行穿透渗碳后，测量钢箔的碳含量。其数值即等于此渗碳介质在该渗碳温度下的碳势。近年来国内外的研究说明，对于一般低合金渗碳钢，外表碳含量为0.8%～1.0%时可或得最正确性能。最正确表层碳含量确定后，即可根据图控制气氛碳势，以或得合格的零件。渗碳保温时间确实定渗碳的保温时间主要由渗层深度来确定。一般说来，对渗碳时间的控制精度没有很高的要求，因为扩散是一个缓慢的过程；而且真正需要控制的主要是高碳势渗入段和扩散段的时间，而升温阶段和淬火前预冷阶段的影响是有限的。渗碳所要求的渗层深度是指技术要求的深度加上渗碳后的磨削余量及1/2的变形量。在不同温度下，气体渗碳的保温时间与渗层深度的关系如下表：气体渗碳的保温时间与渗层深度的关系渗碳层深度/mm钢种碳素渗碳钢合金渗碳钢保温时间/h0.40～0.602～31.5～2.50.60～0.803～42.5～3.50.8～1.004～53.5～4.51.00～1.205～64.5～5.51.20～1.406～75.5～6.51.40～1.607～86.5～7.51.60～1.808～107.5～9.5渗碳保温时间又主要分为强渗时间和扩散时间，下表为强渗时间、扩散时间与渗碳层深度的关系：渗层深度/mm强渗时间/min强渗后渗层深度/mm扩散时间/h扩散后渗层深度/mm930℃3060901200.4～0.70.20～0.25≈10.5～0.60.6～0.90.35～0.40≈1.50.7～0.80.8～1.20.45～0.55≈20.9～1.01.1～1.60.60～0.70≈31.2～1.3因为本次课程设计选用的20CrMnTi是合金渗碳钢，渗层深度为0.8～1.20mm，渗碳温度为930℃，所以据上面两个表可知渗碳保温时间为3.5～5.5h，其中强渗时间为1.5h，扩散时间大约为2h，加上排气阶段的0.5h，总的渗碳保温时间为4h。渗碳剂的选择滴注式渗碳剂的选择原那么：1.应该具有较大的产气量。2.碳氧比应大于1。3.碳当量,碳当量越大，那么该物质的渗碳能力越弱。在一定条件下，应尽量选择碳当量较小的物质作渗碳剂。4.气氛中的CO和H2成分的稳定性。5.价格低廉，货源丰富。气体渗碳所用渗剂的纯度要高，成分稳定，杂质含量少，以免影响渗层质量。几种常用渗剂的碳当量、碳氧比方下表：常用的有机液体的渗碳特性名称分子式碳当量/g碳氧比用途甲醇CH3OH—1稀释剂以纯C2H5OH462渗碳剂丙酮CH3COCH3293强渗碳剂乙酸乙酯CH3COOC2H5442渗碳剂煤油航空煤油、灯用煤油主要成分：C9～C14和C11～C17的烷烃—强渗碳剂煤油是传统的渗碳滴注剂，价格低廉，渗碳能力强，但单独使用煤油渗碳会在高温裂解后产生大量CH4和[C]，炉内积碳严重，炉内气氛的成分和碳势不稳定，不易控制。现在，采用甲醇—煤油混合液作为渗碳滴注剂，其中甲醇是稀释剂，煤油是渗碳剂，可以明显的减少炭黑。综合选煤油为渗碳剂，裂解后形成强渗碳气氛；甲醇为稀释剂，裂解后形成稀释气体，起保护和冲淡的作用。渗碳剂流量的选择气体渗碳时，渗剂的消耗量与炉型、装炉量及滴注剂种类有关。一般情况以每100cm2的渗碳面积，滴入1.0～1.2cm3/h的渗剂为宜。在升温和保温时，不同的炉型，滴入量也不同。下列图是RQ3-25-9型井式炉中渗碳煤油的滴量：RQ3-25-9井式炉中渗碳煤油的滴量渗碳层深度工件渗碳总面积/cm2滴入量/〔滴/min〕说明阶段120.8～1.2＜100008060强渗后，按第二阶段供应10000～200008565我设计的齿轮齿顶圆的直径为10cm，总面积小于10000cm2，所以第一阶段滴入量为小于80滴/min，第二阶段滴入量为小于60滴/min.渗碳过程渗碳过程一般分为排气、强渗、扩散、降温四个阶段。排气阶段工件入炉后，将炉盖压紧密封。开始加热，并启动风扇。由于炉温大幅度下降，同时还有大量的空气进入炉内，因此本阶段的作用是要使炉温迅速恢复到规定的渗碳温度，同时，要尽快排除进入炉内的空气，防止工件产生氧化。加大甲醇或煤油的滴量可增加排气速度，使炉内较快形成复原性气氛或渗碳性气氛。假设用煤油排气，滴量只能适当增加，因为此时炉温较低，煤油分解不完全，滴量过大，易产生大量的炭黑。等温度上升到850℃以上再加大滴量，以加快排气速度。当炉温上升到渗碳温度后，应保温30～60min，目的是使炉内工件温度均匀。强渗阶段在其他条件相同的情况下，控制炉气中的CO2%〔碳势〕对渗碳速度有重要影响。当碳势<0.5%时，平均渗速达0.3～0.33mm/h;当CO2=0.5%时，那么降为0.26～0.29mm/h,所以渗碳阶段CO2控制在0.5%以下。仪表到温后保温约30min后，排气阶段结束即关闭排气孔，进入强渗阶段，在这个阶段采用较大的煤油滴量，以获得较高的炉气碳势，使零件外表速到达较高的碳浓度，由表及里形成碳浓度梯度，为扩散阶段做好准备。强渗阶段时间长短主要决定于渗碳层的深度要求，当随炉试棒的渗层深度已到达技术要求规定的渗碳层深度2/3左右时，便可转入扩散阶段。扩散阶段工件外表吸收了活性碳原子，碳浓度大大提高，沿着碳梯度的下降逐渐向内部渗入，完成工件外表的碳成分的变化。进入扩散阶段应减少煤油滴量，使外表高浓度的碳向心部扩散，同时滴入适量甲醇，最终到达规定的渗层深度和适合的碳浓度分布。扩散阶段所需时间由随炉试棒的渗碳层深度来决定。降温阶段在渗碳阶段结束前30～60min，检查炉前试棒的渗层深度，以确定降温的开始时间。工件随炉冷至淬火温度860℃左右，保温1h左右使零件内外均匀温后直接放入油槽中淬火。零件随炉降温阶段的甲醇+渗碳剂的滴量与扩散阶段大致相同。下列图为齿轮在井式炉中的渗碳工艺曲线：齿轮在井式炉中的渗碳工艺曲线3.3淬火〔1〕20CrMnTi钢的淬透性20CrMnTi钢是合金钢，淬透性比拟好，下列图为其淬透性曲线：淬火方法为了使工件获得表硬内韧的性能要求，工件渗碳后必须进行适当的热处理，由于齿轮的材料是20CrMnTi钢，是本质细晶粒钢，特别是钢中含有的强碳化物形成元素Ti，强烈阻止奥氏体晶粒的长大，经过长时间渗碳后奥氏体晶粒并不明显长大，故可以用预冷直接淬火法。淬火温度钢的加热温度一般可根据Fe-Fe3C相图选择，20CrMnTi钢为亚共析钢，淬火加热温度选择Ac3以上30℃～50℃。根据渗碳后齿轮的表层含碳量的分布状况及实践经验从930℃预冷到860℃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局部熔化的过烧现象。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、保温时间缺乏会引起硬度缺乏。应选择的淬火温度为860℃.。冷却方式及介质由于20CrMnTi刚的淬透性较好，冷却速度越大，那么淬火内应力越大，淬火变形也越大，这样工件容易变形开裂，不满足齿轮的性能要求。所以应该使用较为缓和的淬火介质，其热应力就相对较小，因此，选择使用油冷。由于零件尺寸不是非常大，比拟小，油淬可以到达淬火临界冷却速度，并且油淬经济，操作简单。淬火过程中Ms点已经进入对流阶段，低温区冷却能力远小于水，可以减少工件应力的产生，减少由于内应力产生的变形和开裂。冷却过程齿轮从860℃冷却到室温过程中，以大于临界冷却速度迅速冷却，获得要求的组织和性能。在奥氏体的区域快冷，产生热应力是表层受压，在防止其分解的同时，也能防止零件的开裂，当温度降到Ms点以下，奥氏体转变成马氏体产生的相变应力，此时冷却速度越大那么相变应力越大，零件表层的拉应力越大，因此当相变应力与热应力差值超过材料的断裂强度，就会导致淬火开裂，此时，就要尽可能在此区域内缓慢冷却，为了淬硬而不淬裂，即在“C〞曲线的鼻部快冷，马氏体转变区慢冷。当钢在油中温度低于Ac1线时，可能会出现铁素体，过冷奥氏体会发生转变，会转变为珠光体或是下贝氏体，但是不希望发生这样的转变，而是在温度降低到Ms线，奥氏体转变为马氏体。Ac1线与Ms线之间控制好冷却的速度，使冷却线不碰到“C〞曲线的鼻尖，而具有面心立方晶格的Ni、Mn、Cu等元素以及C会扩大了奥氏体相区。当温度继续下降，低于Mf线后，奥氏体向马氏体转变结束，产物为马氏体和剩余奥氏体，具有较高的硬度，可以到达55～60HRC左右。3.4回火淬火后的钢组织是马氏体及少量剩余奥氏体,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,实践证明高速中载齿轮选择在180℃进行低温回火工艺较好。齿轮淬火后具有较高的强度和硬度，其淬火组织主要是韧性很差的孪晶马氏体，有较大的淬火内应力和一些微裂纹，所以回火应该及时点。在180℃回火能使孪晶马氏体中过饱和的固溶碳原子沉淀析出弥散分布的ε碳化物，既可以提高钢的韧性，又保持了钢的硬度、强度、耐磨性。在180℃回火时，大局部裂纹已经焊合，可大大减轻工件的脆裂倾向。低温回火得到隐晶的回火马氏体及在其上分布的均匀细小的碳化物颗粒，硬度可以到达55HRC以上。回火的保温时间回火时间一般为1～3小时在空气炉中保温时间有效厚度/mm≤2020～4040～6060～8080～100保温时间/min30～4545～6060～9090～120120～150合金钢的保温时间按上述表格中所列出的时间增加20%～30%，空气炉低温回火的保温时间不得低于120min；装炉量大时，保温时间应适当延长。所以齿轮的保温时间确定为2.5h。渗碳后预冷直接淬火、低温回火工艺曲线图：Ac3Ac3温度温度/℃=180\*Arabic180=180\*Arabic1802.52.5时间/h0时间/h0组织特点和性能分析4.1正火后的组织及性能20CrMnTi钢齿轮经过正火后或得的组织为：片状珠光体+少量铁素体性能：正火后使钢中晶粒细化和碳化物分布均匀化，齿轮外表硬度为156～207HBW。4.2渗碳工件热处理后的组织与性能渗碳件经淬火并低温回火处理后，表层组织为高碳细针状回火马氏体+细颗粒状弥散均匀分布的碳化物+少量剩余奥氏体，其硬度为56～64HRC；心部组织为低碳回火马氏体+少量铁素体，硬度为30～45HRC。渗碳层的性能取决于外表含碳量及其分布梯度和淬火后的渗层组织，一般希望渗层碳分布梯度平缓。但由于剩余奥氏体较软，塑性较高，借助微区域的塑性变形，可以弛豫局部应力，延缓裂纹的扩展，渗碳层中有25%～30%的剩余奥氏体，反而有利于提高接触疲劳强度。外表粒状碳化物增多，将提高外表耐磨性及接触疲劳强度，碳化物数量过多，特别是呈粗大网状或条块状时，将使冲击韧度，疲劳强度等性能变坏，应加以限制。4.3渗碳工件的性能分析心部组织对渗碳工件性能有重大影响，适宜的心部组织应为低碳马氏体，但零件尺寸较大，钢的淬透性较差是，允许心部组织为托氏体获索氏体，但不允许有大块状或过量的铁素体。在工件截面尺寸不变情况下，随渗层深度的减小，外表剩余压应力增大，有利于弯曲疲劳强度的提高。但压应力的增大有极限值，渗层深度过小时，由于表层马氏体的体积效应有限，外表压应力反会减小。渗层深度越高，可承载的接触应力越大。渗层深度过浅，最大切应力将发生于强度较低的非渗碳层，致使渗碳层塌陷剥落。但渗碳层深度增加，将使渗碳件冲击韧度降低。渗碳件心部的硬度不仅影响渗碳件的静载强度，而且也影响外表剩余压应力的分布，从而影响弯曲疲劳强度。在渗碳层深度一定的情况下，心部硬度增高，外表剩余压应力减小。心部硬度较高的渗碳件渗碳层深度应较浅。因渗碳件心部硬度过高，会降低渗碳件的冲击韧度。而心部硬度过低，承载时易于出现心部屈服和渗层剥落。一般心部硬度为33～48HRC时合格。五．热处理工艺过程中缺陷分析1.常见的渗碳缺陷缺陷名称产生原因预防措施外表碳质量分数低炉温低渗剂滴量少炉子漏气工件外表不干净校检仪表，调整温度按工艺标准调整滴量检查炉子密封性清理工件外表、补渗残留奥氏体过多炉气碳势过高渗碳温度过高奥氏体中碳和合金元素含量过多按工艺标准调整渗剂滴量降低渗碳温度冷处理或高温回火后重新参加淬火渗层深度不够保温时间不够外表碳质量分数低适当延长保温时间按正常渗剂滴量补渗渗层深度不均匀炉温不均匀炉气循环不良工件外表沉积炭黑正确摆放工件检查风扇渗剂量不要过多外表硬度低外表碳质量分数低残留奥氏体多形成托氏体组织按正常渗剂滴量渗碳形成托氏体组织是外表碳浓度低，淬火时冷速不够外表有托氏体可重新参加淬火外表有粗大的网状碳化物炉气碳势过高，渗碳剂浓度太高或活性太大预冷温度过低渗碳温度高或保温时间长冷却太慢严格控制外表碳质量分数，或当渗碳层要求较深时，保温后期适当降低渗剂滴量提高预冷温度，适当加快出炉的冷却速度提高淬火加热温度，延长保温时间重新淬火渗碳后通过正火处理，予以消除心部铁素体过多淬火温度低，加热保温时间缺乏执行正常工艺重新参加淬火切削加工困难，硬度大于35HRC出炉温度太高按正常温度出炉进行退火或高温回火处理外表脱碳渗碳后期炉气碳势太低炉子漏气出炉温度高，在空气中引起氧化脱碳淬火加热时保护不当严格控制渗碳后期炉气碳势检查炉子密封性按正常温度出炉，放入冷却罐并滴入煤油淬火时注意保护畸变夹具选择方式不当，因工件自重而产生变形工件本身截面不均，在加热和冷却过程中因热应力和组织应力而变形冷速过快合理装夹工件

对应变形工件采用压床淬火并在淬火时趁热矫正采用热油淬火2.常见的淬火缺陷缺陷产生原因预防措施硬度不够亚共析钢加热缺乏，有未溶铁素体正确选择并严格控制加热温度、保温时间和炉温的均匀性控温仪表故障定期检查控温仪表预冷时间过长正确控制预冷时间冷却速度不够合理选择淬火介质控制淬火介质的温度不超过最高使用温度定期检查或更换淬火介质在淬火介质中停留时间不够正确控制在淬火介质中停留的时间钢的淬透性差更换淬透性高的钢或提高冷却速度氧化和脱碳导致淬火后的硬度降低采取防氧化脱碳措施采取下线加热温度在600℃左右预热，然后再加热到淬火温度，缩短高温加热时间软点原材料中存在带状组织或大块铁素体组织合理选择材料，对有缺陷的钢材进行预备热处理，以消除缺陷冷却不均工件在淬火介质中移动不充分工件上有氧化皮或污物，淬火介质中有肥皂、油污等局部区域冷速过低，以致发生珠光体行转变加强工件与介质的相对运动，或对介质进行搅拌保持淬火介质的清洁合理选择淬火