【42CrMo齿轮热处理工艺设计6500字（论文）】

42CrMo齿轮热处理工艺设计目录3794_WPSOffice_Level1一、引言 323003_WPSOffice_Level2（一）选题的意义 322100_WPSOffice_Level2（二）国内外研究动态 323003_WPSOffice_Level1二、齿轮钢的现状 43383_WPSOffice_Level2（一）纯净度和杂质元素的控制 423125_WPSOffice_Level2（二）淬透性和合金元素的控制 431129_WPSOffice_Level2（三）晶粒度 513348_WPSOffice_Level2（四）热处理 522100_WPSOffice_Level1三、热处理工艺的探讨 530445_WPSOffice_Level2（一）预备热处理工艺试验 525867_WPSOffice_Level2（二）渗碳热处理工艺试验 9结论30445_WPSOffice_Level2 9一、引言（一）选题的意义在汽车生产中，齿轮是必不可少的基本零件。齿轮质量的优劣，尤其是后桥齿轮、变速箱齿轮，直接影响到总成装配及整车的可靠性，齿轮渗碳淬火后变形波动是影响总成质量的主要原因之一。对于42Mocr材料，由于Mo是显著提高渗碳钢淬透性的元素，因此，在相同的渗碳淬火工艺下，较20CrMnTi材料的有效硬化层深且心部硬度值高。即工艺性能和使用性能较好。Mo含量越高效果越显著。这是因为Mo元素的加入，不但细化奥氏体晶粒，更主要的是该元素可以部分渗入奥氏体中增加了过冷奥氏体的稳定性，从而有效提高材料的淬透性，提高心部硬度，使整齿的抗弯性能得以提高。为使此种材料尽快应用于生产，对其热处理工艺的研究具有重要意义。材料的选定和热处理工艺的正确制定是零件综合机械性能的保证，同时，控制热处理过程中的变形，对提高齿轮付的啮合精度、降低噪音都具有深远的意义。在齿坯的预备热处理中推广等温退火工艺,有利于改善毛坯的切削性能,减小渗碳热处理变形,在齿轮渗碳热处理中采用碳势控制技术和计算机自动控制技术,并摸索探讨减齿轮热处理变形的规律和措施,提高和稳定齿轮的热处理质量。并且由于我国很多引进汽车(桑塔纳、奥迪、富康、斯太尔、依维柯等)的传动系齿轮都使用Mn一cr系列齿轮钢,每年用量很大,实现这种汽车齿轮钢的国产化，可节约大量外汇。（二）国内外研究动态随着国外先进车型的引进，各种齿轮钢的国产化使我国的齿轮钢水平上了一个新台阶。目前，德国的Cr-Mn，日本的Cr-Mo系钢和美国的SAE86钢满足了中小模数齿轮用钢。针对钢材淬透性能对轮齿心部的硬度和畸变都有极其重大影响的因素，近年来，由于我国钢材冶炼技术水平的提高以及合金结构钢供应情况的改善，已经有条件把齿轮钢的淬透性带进一步缩窄，长春一汽生产“解放”牌9t载货汽车后桥齿轮时，由于20CrMnTiH钢易发生早期失效，参考了日本的SCM822H钢，与钢厂协商，生产出了国产化的新钢种22CrMoH钢，其淬透性能指标为J9=36-42HRC，较好地满足了汽车齿轮的使用要求。随着汽车产品技术水平的日益提高及市场竞争的日益激化，汽车齿轮用钢正处于由各大企业的经验型向科学化、国际化方向发展的过度阶段，由各具特色的Cr-Ni钢、Cr-Ni-Mo钢、Ni-Mo钢向低成本、通用的Cr-Mo钢、Cr-Mn钢过渡。因此必须采用相应合理的热处理新工艺与之相配合。二、齿轮钢的现状（一）纯净度和杂质元素的控制钢的纯净度主要指钢中的氧含量,它反映了钢中的氧化夹杂物含量,氧化物夹杂对齿轮的疲劳性能特别是接触疲劳性能有明显的危害。为改善切削性能,可在钢中加入0.020%一0.040%的S。德国亚深工业大学用高温断面收缩率来研究连铸钢坯的热裂倾向,结果表明,低Mn时,热裂倾向随含s量增加而增大,高Mn时,s的影响基本一致;同样的Mn/s比例,高幽要比低咖的热裂倾向小,对于cr、cr一oM、cr一iN和c--riN一oM钢比例必须大于20一25。合金渗碳钢中过高的枷会导致带状组织,二次精炼技术能消除带状组织。Mn一cr系钢硫含量均有下限要求,对硫化物级别指标控制又甚为严格，要同时保证二项指标难度很大。多年来不断发展的炼钢技术提高了渗碳钢的纯净度,二次精炼和连铸坯的发展减少了钢中偏析、降低了氧化夹杂物含量,现在又能成功地控制钢中的硫含量和杂质物形貌。国外降低钢中氧含量的方法是真空处理，例如日本采用钢包真空脱气和真空连铸的双真空方法，钢中氧含量可以降到10ppm以下的超低氧水平。我国针对国情，计划采用真空脱气或保护剂下连铸的办法，达到日本用双真空处理才能达到的氧含量水平。（二）淬透性和合金元素的控制许多合金渗碳钢都是根据特定应用所要求的心部淬透性分级,也就是说是根据特定应用所要求的心部性能决定钢种的选用。在碳素钢的基础上添加合金元素的作用主要是改善心部性能,不同的合金系列或同一系列改变碳含量即能满足心部淬透性的不同要求，淬透性确定后,淬透性带宽很大程度上决定了渗碳淬火后齿轮的变形,因此国外对渗碳钢的淬透性带范围要求较窄,Mn一cr钢控制带宽一般在8个HRc以下,对于同一批料更是要求4一5个HRc以内，这比有关规定要严得多,也比国产齿轮钢的淬透性带窄得多。（三）晶粒度为使齿轮钢的晶粒细化,可添加一定量的晶粒细化元素如1A、iT、Nb，事实上国外从30年代初引进能避免高温渗碳时晶粒过度长大的1A镇静钢以来这种工艺几乎没有多大改变。由于过量的叭在钢中易与N形成颗粒粗大带棱角的ITN，它是疲劳裂纹的起点，会降低齿轮的疲劳性能，因此，国外几乎不用Ti细化晶粒。Mn一rC系钢要求的晶粒度要细于5级,对进口毛坯件检测表明均细于6级，国产齿轮钢能够达到这一水平。枷一rC系钢的晶粒粗化倾向较其他系列钢如Nr-C系、rC-M。系严重,在生产中要严格控制热处理工艺用lA细化晶粒的钢，容易出现粗晶或混晶组织，因此不仅要控制1A含量。使lA、N量相匹配,而且要严格控制炼钢后的锻、轧或热处理工艺。（四）热处理众所周知，齿轮质量的高低除了钢材本身的因素外,在很大程度上还受热处理工艺的影响,这里所说的热处理工艺不单是指齿轮的渗碳淬火工艺,而且也包括齿轮锻坯的热处理工艺,一般来说,齿轮锻坯的热处理工艺有两个目的:一是保证获得良好的切削性能,这就要求在热处理后得到均匀等轴晶粒的铁素体一珠光体组织;二是保证齿轮毛坯得到均匀一致的组织,这对减小渗碳淬火时难以避免的不规则变形有利,对保证齿轮有良好的接触面、降低噪音有重要意义。三、热处理工艺的探讨（一）预备热处理工艺试验以前,我国引进的齿轮钢(如seM42oH、seM822H、sAE432o等)在试验和试生产过程中都曾出现过按传统正火工艺处理后硬度偏高,切削加工性能较差,零件表面粗糙度大，且渗碳后的变形无规律等问题,所以,齿坯预备热处理必须引起足够的重视。为此,我们对42Mncr钢进行了系统的预备热处理工艺试验,希望能解决目前存在的问题。试验方案:试样经1200℃加热锻造,锻后空冷,其金相组织为粒状贝氏体,然后进行完全退火、等温退火、正火和正火加高温回火或直接利用锻造余热进行等温退火五种预备热处理工艺试验,并分别进行硬度测试和组织观察。1.完全退火试件经930℃加热保温hl后随炉冷却,其硬度为167BHs,金相组织为铁素体和珠光体(F十P)(见表3一1)，硬度适中,组织均匀,完全能满足切削加工性能的要求。但完全退火工艺周期长、生产率低,不能适应大批量生产,且完全退火在两相区冷速较慢,容易出现带状组织,硬度偏低,所以20咖csr钢的预备热处理不宜采用完全退火工艺。2.正火正火是将工件加热到cA3(或ccA。)以上30一50℃保温适当时间获得奥氏体组织后,在静止空气中或轻微流动的空气中冷却的工艺。其主要目的是消除应力、细化组织、改善切削性能。目前我国汽车齿轮、传动轴等重要零件的锻造毛坯一般均经正火处理,目的就是改善切削加工性能和为渗碳淬火后获得细小晶粒和较小变形作好显微组织准备。但一般很难获得满意的结果。加之,齿轮切削加工性能和渗碳淬火后的变形要求很严格,因而对钢件正火提出更严格的要求:(1)硬度范围较窄为160~19oHBs;(2)显微组织为铁素体加细珠光体,无贝氏体及马氏体;(3)切削性能较好。本次正火工艺试验是将试件加热到930℃保温1小时后,分别空冷或风冷,或将试件加热到950℃保温z小时后,空冷,正火后的硬度分别为Zo7HB、229HB、Zz7HB(见表3一1),组织分别为铁素体、粒状贝氏体和少量珠光体(F+B,+P少)、粒状贝氏体和少量珠光体(B砂P少)及铁素体、粒状贝氏体和少量珠光体(P+B,+P少),可见42Mncrs钢经正火后,不论采用何种规范,都将不同程度地出现粒状贝氏体组织(见图3一1)，致使材料组织不均匀,硬度偏高,切削加工困准,表面光洁度下降,而且对最终热处理后的产品性能也将带来不利影响。表3一1的结果还表明,随奥氏体化温度升高和冷却速率的增大,产生粒状贝氏体的倾向亦将增大。对于2OMcnsr这样一些合金元素含量较高的钢,由于c曲线的形状发生了明显的变化,上部为珠光体转变区,下部为贝氏体转变区,而且在珠光体转变区过冷奥氏体非常稳定,其转变曲线右移。这样在正火空冷条件下,组织中就会出现大量粒状贝氏体，从而导致硬度增加,切削性能下降。表3-142Mncrs钢退火与正火试验结果正火作为我国传统的预备热处理工艺,虽然具有生产周期短,工艺简单,成本低等优点,但也存在明显的不足。首先,由于正火采用空冷,零件的冷却速度不稳定,影响因素较多,如气候不同，冷却速度差异很大;另外，正火空冷时零件通常堆放在一起,这样堆放在外部的零件和内部的零件其冷却速度就不同,由于冷却速度不同,即使是同一炉正火零件,其金相组织和性能也不一致。这种组织和性能的不均匀性和不稳定性是造成齿轮渗碳热处理变形无规律的主要因素之一。如果零件较小,堆放时又处于外部，组织中就可能出现粒状贝氏体,给切削加工带来困难。因此42Mncsr钢的预备热处理工艺采用正火是不合适的,满足不了引进钢种的技术要求。3.等温退火本次试验中等温退火工艺是将试件加热到940℃保温。.5小时后,分别在580℃、600℃、620℃、650℃、670℃等温1小时,退火后的硬度分别为170HB、170HB、163HB、163HB、156HB(见表3一1),组织为均匀的珠光体和铁素体(见图3一2)。试验表明，42Mnc巧钢经奥氏体化后在580~670℃范围内等温均能得到理想的组织和硬度。另外等温退火工艺还消除了气候及正火堆放时内外部零件冷却速度不一致等因素的影响,因而能获得均匀的组织和性能,是保证产品质量的理想工艺。为了使合金渗碳钢件等温正火处理后获得良好的结果,必须控制好5个工艺参数。(1)奥氏体化温度,对于40Mncrs合金渗碳钢锻件的预先热处理,由于有晶粒粗大的非平衡组织、混晶、带状组织及成分偏析等不同程度的存在,其奥氏体化温度一般采用940士10℃。(2)奥氏体化时间,保证零件温度和奥氏体碳浓度均匀一致。(3)等温温度,等温温度是影响零件显微组织形态和硬度的主要参数,它受钢的化学成分影响。20Mnc巧钢一般采用640一650℃。(4)等温时间,保证过冷奥氏体全部转变成铁素体和珠光体。(5)等温前的冷却速度,奥氏体化后至等温温度这一阶段的冷却速度应尽量快些,以防止出现带状组织，可采用风冷或喷雾冷却。4.正火加高温回火考虑到现有国内汽车及齿轮生产厂家的实际条件,我们还进行了正火加高温回火试验,结果如表3一2所示,可以看到,经600一700℃保温2一4小时的高温回火处理,其组织为铁素体和珠光体,硬度也达到了适中的范围,因此,我们认为若无等温退火条件可用正火加高温回火作为42Mncrs钢等引进钢种的预备热处理工艺。表3-242Mncrs钢正火加高温回火试验结果(HB)5.锻造余热等温退火锻造余热等温退火是锻件在模锻成型、切边后冷至接近等温温度,然后进人等温炉中进行等温转变的预备热处理工艺。由于利用锻造余热,少了一道重新加热工序,因而节省大量能源,而且转变是在恒温下进行的,组织和性能均匀一致。由于锻件停锻温度一般为1000℃左右,奥氏体晶粒粗大(2~3级),但这种组织对切削性能和最终热处理没有不利的影响。因此锻造余热等温退火是一种很有前途的齿坯预备热处理工艺。42Mncrs钢的锻造余热等温退火工艺试验目前正在进行之中。（二）渗碳热处理工艺试验1.渗碳工艺。气体渗碳是机械制造工业应用最广泛、最重要的热处理方法之一。其目的是为了强化零件表面,提高耐磨性和疲劳性能,从而提高其使用寿命。影响零件使用性能的因素很多,如表面碳浓度、渗层表面组织及渗层深度等,其中表面碳浓度是决定性的因素,因为表面碳浓度的变化会引起表面组织形态的变化。这包括碳化物的含量、形态分布、残余奥氏体的含量及马氏体的形态等。对于不同钢种制造的零件,根据其使用条件不同,表面含碳量的最佳值也不同。根据引进汽车产品的要求,对渗碳齿轮而言要求表面碳浓簇0.90,当有效硬化层深(vHs巧处)延1。时,齿轮表面不允许有碳化物,残余奥氏体延30%。另外,疲劳试验结果也表明,当零件载荷不太大,失效主要由磨损引起时,则要求零件具有较高的耐磨性,表面含碳量应高一些,一般为0.8~0.9%c;当零件载荷较大,失效主要由疲劳断裂引起时,表面含碳量低一些为好,一般为0.7~0.8%c。由此可见,在气体渗碳过程中,必须对炉内气氛的碳势进行精确控制。可控气氛热处理在工业发达国家的应用已十分普及。我国自改革开放以来,引进了先进的热处理生产技术和设备,尤其是测氧传感器(氧探头)碳势控制技术,使产品的渗碳热处理质量有了很大提高,并与计算机技术相结合实现了渗碳过程的自动控制,可控气氛热处理技术水平上了一个大台阶。但在用测氧传感器单因素控制碳势时,即使在温度、渗剂种类及氧电势(渗碳工艺参数)恒定不变的情况下,不同炉次的渗碳零件表面碳浓度却往往不一样,且波动较大,从而引起渗碳零件质量不稳定。针对引进产品对渗碳零件的要求,我们根据碳势控制的基本理论,就渗碳介质、渗碳工艺,控制方法等问题进行了分析研究。渗碳工艺的制订。试验齿轮渗碳热处理技术条件要求：(1)表面碳浓度表面碳浓度控制在0.70~0.85%范围内(2)有效硬化层深度以515HV附处距表面的距离作为有效硬化层深度，其要求为0.7~1.0mm(3)表面及心部硬度渗碳热处理后,表面硬度59~63HcR,心部硬度33~45HRC(4)金相组织表面马氏体、残余奥氏体≦5级齿顶碳化物<2级心部铁素体蕊≦3级2、渗碳工艺试验在RJJ一35KW井式渗碳炉上进行。渗碳过程分强渗、扩散及降温三个阶段,其碳势分别采用1.%1、0.95%及。.80%。由表3一3氧探头输出电势与炉气碳势对照表可知,在920℃渗碳,860℃降温淬火时,三个阶段对应的氧电势分别为1134vm、1124vm及lo98vnI。根据20Mnc巧钢试验齿轮渗碳热处理技术条件要求,其渗碳工艺曲线见图3一3。图3-342Mncr钢试验齿轮渗碳工艺曲线结果表明,渗碳工艺、控制方法合理,层深、金相组织和硬度达到了引进产品的要求,而且42Mncr三钢渗碳后进行直接淬火是完全可行的。3.冷热加工相互配合我们知道热处理变形是不可避免的,热处理变形也并不可怕,就怕变形没有规律,只要热处理变形有规律,就可以通过冷热加工相互配合来消除。在实际生产中对于热处理变形有规律的零件,热处理技术人员应将变形数据及日书医报给冷加工技术人员，然后根据具体清况查当调整零件的加工尺寸。热处理后尺寸涨大的零件,切削加工时缩小一个变形量,热处理后尺寸缩小的零件，切削加工时扩大一一个变形量,这样热处理后变形互相抵消,从而达到减小变形的目的。结论为了提高合金渗碳钢件的切削加工性能和获得稳定的渗碳淬火变形规律,预先热处理必须采用等温退火,或采用正火加高温回火,才能使其显微组织和性能达到最佳状态,确保具有适宜的硬度160一18OHBs和稳定的显微组织--一铁素体加细珠光体。42Mncrs钢齿轮渗碳时采用测氧传感器单因素控制碳势,并使甲醇和丙酮按比例同步增减,渗碳后直接淬火,其渗碳层深度、金相组织和硬度完全达到了引进产品的要求。42Mnc巧钢中含有的主要合金元素Mn和cr与氧的亲和力都比基体Fe大,其氧化物曲线在FeO的下方,所以这种钢在渗碳时,容易发生内氧化,在渗层中形成黑色组织。但采取适当的措施(如增加淬火介质的冷却能力、降低表面碳浓度及缩短排气时间)能有效抑制黑色组织的出现。参考文献[1]孙震,孙云飞,栾彩强,等.齿轮的热处理工艺设计[J].2019.[2]陈世英,张太洪,苏程.某型柴油机曲轴热处理工艺开发[J].金属加工(热加工),2020.[3]李波,唐军,周鹏,等.42CrMo4合金钢连杆热处理工艺优化[J]