螺旋锥齿轮热处理生产工艺过程设计

1前言全面、透彻、正确分析。零件分析也是确定零件的尺寸标注以及确定零件的技术要求的前提，因此，零件分析是绘制零件图的依据。零件的工艺结构分析就是要求设规定，使零件视图表达更趋完整、合理。课程设计可以培养学生综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题这一环节，可以使我们初步掌握典型零部件生产工艺过程；掌握典型零件的选材、知识去认识和分析零部件热处理生产过程的实际问题，培养解决问题的能力。部组织结构，以改善钢的性能，通过适当的热处理可以显著提高钢的机械性能，延力、降低结构重量、节省和能源，而且能够提高机械产品质量、大幅度延长机器零件的使用寿命。备以及正确的检验方法是做好检验的必要条件。不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，我们才能的能力。2零件图分析图12.1零件的服役条件、失效形式及性能要求（1）服役条件：螺旋锥齿轮是石油钻机中的主要传动零件，是一种可以按稳定传动比平稳、低噪音传动的传动零件。有较高的传动速度（空载最高的线速度为30m/s，加载线速度为损、点蚀和断裂。螺旋锥齿轮因为摩擦或使用而造成磨损；随工作时间越来越长在齿轮表面部地区出现纵深发展的腐蚀小孔，其余地区不腐蚀或腐蚀轻微，这种腐蚀形态叫点蚀；随工作时间的增长齿轮产生断裂失效。（3）性能要求：为了防止螺旋锥齿轮失效以及保证传动比稳定所用材料应具备以下性能要求：a、良好的力学性能；b、良好的渗碳淬火性能；c、良好的抗冲击性能；d、良好的心部硬度；e、良好的热变形性能。3材料的选择3.1初步选材w（c）为0.85%～1%，渗碳淬火回火后表面硬度为58～62HRC，心部硬度为36HRC，有效渗碳硬化层深度测至50HRC处不小于1.2mm。选定的材料应该具有高强度、高韧性以及良好的淬透性。又根据螺旋锥齿轮的性能要求：a、良好的力学性能；b、良好的渗碳淬火性能；c、良好的抗冲击性能；d、良好的心部硬度；e、良好的热变形性能。为满足以上条件初步确定符合要求的材料为渗碳轴承钢。【1】3.2确定材料和20Cr2Ni4A行分析对比选出最佳材料。属于超高强度钢，具有高强度和韧性，淬透性也较好，无明显的回火脆性。调制处理后有较高的疲劳极限个抗多次冲击能力，低温冲击韧性良好。适宜制造要求一定强度和韧性的大、中型塑料模具。强度、淬透性高，韧性好，淬火时变形小，高温时有高的蠕变强度和持久强度。用于制造要求较35CrMo钢强度更高和调质截面更大的锻件，如机车牵引引用的大齿轮、增压器传动齿轮、压力容以下石油深井钻杆接头与打捞工具，并且可以用于折弯机的模具等。（2）12CrNi3钢属于合金渗碳钢有高淬透性。该钢淬火低温回火或高温回火后都具有良好的综合力学性能，钢的低温韧性好，缺口敏感性小，切削加工性能良好，当硬度为HB260～320时，相对切削加工性为60%～70%。此钢退火后硬度低、塑性好。为提高模具型腔的耐磨性，模具成型后需要进行渗碳处理，然后再进行淬火和低温回火，从而保证模具表面具有高硬度、高耐磨性而心部具有很好的韧性，该钢适宜制造大、中型塑料模具。是优质合金钢有良好的力学性能，强度高有良好的心部硬度，碳后不能直接淬火，以减少表层参与奥氏体。切削性及冷变形塑性一般。用于大截面渗碳件，如大型齿轮、轴类以及要求强度高、韧性好的调质零部件等。此轴承钢符合我们的要求，因此综合分析20Cr2Ni4A是最佳材料。3.320Cr2Ni4A的化学成分、相变点及合金元素作用3.3.1钢的化学成分表1CSP～～～～～3.3.220Cr2Ni4A的相变点表23.3.3化学元素作用C元素：提高屈服点和抗拉强度，增加钢的冷脆性和时效敏感性，降低塑性、冲击性以及耐大气腐蚀能力。Si元素：提高钢的回火稳定性、提高钢的抗氧化性、提高钢的淬透性和淬透温度。Mn元素：提高钢的淬透性，从基体组织中扩散到析出的渗碳体中，形成合金渗碳体,改善其硬度。S元素:使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，改善切削加工性。P元素：增加钢的冷脆性，使焊接性变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。Cr元素:提高钢的淬透性,固溶强化基体组织，并改善基体组织的回火性和硬度。Ni元素：提高钢的淬透性，有助于改善钢的韧性。4确定加工路线工机械精确去除材料的加工工艺。它直接改变毛坯的形状、尺寸和表面质量等，使其成为零件的过程称为机械加工工艺过程。热处理工艺是将金属材料放在一定的介质内加热、保温、冷却，通过改变材料表面或内部的金相组织结构,来控制其性能的一种金属热加工工艺。4.1初步确定加工路线根据20Cr2Ni4A锻坯→预备热处理→高温回火→车齿坯→粗、精铣齿→渗碳→高温回火→淬火+低温回火→喷丸→磨端面及孔→磨齿→成品。4.2每个步骤的作用（1）下料的作用：提供原料；（2）锻坯的作用：获得原料；（3）预备热处理的作用：为随后的机加或最终热处理提供一个良好的机加性能或良好的组织形态；过程中不发生变化。（5）车齿坯与粗、精铣齿的作：对材料进行机械粗加工，是以快速切除毛坯余量。（6）渗碳的作用：使机器零件获得高的表面硬度、耐磨性及高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度，渗碳后淬火、回火，心部保持良好韧性的同时提高工件的表面强度、耐磨性和硬度。（7）高温回火的作用：由于渗碳后表层组织为马氏体和大量残余奥氏体，对粒，即生成二次织构。因此在淬火加热之前，需先进行一次高温回火，使马氏体和残余奥氏体分解为回火索氏体，降低基体中碳、铬的含量。这样重新加热淬火时，氏体也细小。（8）淬火+低温回火的作用：通过淬火与不同温度的回火配合，可以大幅度提高金属的强度、韧性及疲劳强度，并可获得这些性能之间的配合（综合机械性能）以满足不同的使用要求。加工精度和加工表面质量达到图样规定的要求。5热处理工艺方法选择5.1预备热处理工艺的选择【4】一般预备热处理有这几种：1、调质处理：一航后面要进行表面淬火处理，其预备热处理的目的是为了使工件表面淬火前得到强韧性结合优良的心部性能，降低使用过程中的心部疲劳开裂。2、正火处理：一般后面进行的是化学热处理（渗碳+淬火）或者调质热处理，其预备热处理的目的就是细化晶粒、消除机加应力、均匀不平衡组织等，为后面的最终热处理奠定良好的组织基础。3、退火处理：后面最终热处理一般都是调质处理，其作为预备热处理的目的就是为了消除应力以及降低表面硬度。正火与退火工艺相比，其主要区别是正火的冷却速度稍快，所以正火热处理的生产周期短。故退火与正火同样能达到零件性能要求时，尽可能选用正火。大部分中、低碳钢的坯料一般都采用正火热处理。一般合金钢坯料常采用退火，若用正火，由于冷却速度较快，使其正火后硬度较高，不利于切削加工。所以在此选用正火对钢进行预备热处理。5.2渗碳工艺的选择【5】是利用高温渗碳缩短时间。稀土渗碳方法是主要的一种催渗方法，应用的比较多，有危害，如果能够排除这两项不利因素，则它也是可行的。利用高温渗碳原理改进的越来越多。一些新型渗碳方法在简化热处理工艺的同时也改善了齿轮的质量。5.3最终热处理的选择【6】20Cr2Ni4A钢的热处理工艺的复杂主要体现在多次高温回火上，渗碳后冷却时以及淬火加热时在630～650℃均温均能达到高温回火的目的。但在这方面仍需要一个值得探索的方向。此外，为了消除过多的残余奥氏体，深冷处理也是一种经常考虑的方法。通过淬火与不同温度的回火配合，可以大幅度提高金属的强度、韧性及疲劳强度，并可获得这些性能之间的配合（综合机械性能）以满足不同的使用要求。在此我们选择高温回火、淬火与低温回火。6制定热处理工艺的制度6.1正火工艺的制定6.1.1正火加热温度正火是将钢加热到Ac3以上30-50℃，保温后在空气中冷却的热处理工艺，由于该钢Ac为780℃，所以其正火温度一般在910～930℃之间，但在实际生产中，3正火的加热温度一般要高于其理论正火温度，所以设定正火的加热温度在950℃。6.1.2正火加热时间金属材料和铁制品加热所需时间包括从室温到炉温仪表指示达到所需温度的相变所需的保温时间三个部分。加热时间的计算公式：t=a×k×D式中或或1.0-1.5。表3由上表可选取a=1.5min,通过查手册工件在炉内不同排布方式的加热时间修正值知D=80mm，可得：t=120min。6.1.3正火处理工艺表表426.2高温回火工艺的制定6.2.1高温回火温度表5由上表可知齿轮回火温度为500-600℃，在此设定高温回火温度为650℃。6.2.2高温回火时间从工件入炉后炉温深至回火温度时开始计算。可参考经验公式加以确定：T=K+ADnnn式中T——回火时间（min）、K——回火时间基数、A——回火时间系数、D——nnn工件有效厚度（mm）,K和A推荐值见下表nn表6K及AnnK取值取1min/mm。得回火加热时间nn为90min。而高温回火保温时间一般为3-3.5h，则高温回火总加热时间为5h。6.2.3高温回火处理工艺表表756.3渗碳工艺的制定6.3.1渗碳温度呈指数上升，渗碳速度加快，但渗碳温度过高会造成晶粒长大，工件畸变增大，设备寿命降低等负面效应，所以渗碳温度常控制在900-950℃。选用常用的气体渗碳法，加热温度定为930℃。6.3.2渗碳时间但对于浅层渗碳而言，渗碳时间太短，渗层深度控制难以准确。应通过调整渗碳温度、碳势来延长渗碳时间，以便精确地来控制渗层深度。表8扩散时间12注：若渗碳后直接降温淬火，则扩散时间应包括降温及降温后停留的时间。经验计算按0.15-0.2mm/h来计算，因渗层深度为1.2mm，则渗碳时间T=7h。6.3.3渗碳方法中煤油的含量一般在15﹪-30﹪范围内，高温下甲醇的裂解产物水、二氧化碳和甲烷、碳氧化，可使炉气成分和碳势保持在一定范围内，可以采用红外仪进行控制。表9于度区的时间≦0.07s。渗碳设备为RTJ-75-9T型井式渗碳炉。滴注式可控气氛渗碳体；另一种液体产生的气体碳势较高，作为富化气，改变两种液体的滴入比例，可使零件表面含碳量控制在要求的范围内。的办法来调整炉内碳势。表6.3.4渗碳处理工艺表表76.4高温回火工艺的制定热淬火，否则容易恢复渗碳时所形成的较粗大的奥氏体晶粒，即生成二次织构。因氏体，降低基体中碳、铬的含量。这样重新加热淬火时，由于奥氏体中融入的碳和铬等元素的含量减少，淬火后不仅残余奥氏体量减少，马氏体也细小。下表为高温回火处理工艺的温度、时间及冷却方式。表66.5淬火工艺的制定6.5.1淬火加热温度钢的淬火是将钢加热到临界温度Ac（亚共析钢）或Ac（过共析钢）以上某一31温度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体1化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等温）进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理工艺。由钢的相变点在此设定淬火加热温度为800体(A)区内，故称为完全淬火。6.5.2淬火加热时间淬火保温时间由设备加热方式、零件尺寸、钢的成分、装炉量和设备功率等多种因素确定。淬火加热时间应包括工件整个截面加热到预定淬火温度，并时间统称为淬火加热时间。在具体生产条件下，淬火加热时间常用经验公式计算，通过实验最终确定，常用经验公式为：t=a×k×D式中，T——加热时间（min或或1.0-1.5表由上表可选a为0.55，修正系数k取1，则加热时间为1h。6.5.3淬火加热速度对于形状复杂，要求畸变形小，或用合金钢制造的大型铸锻件，必须控制加热速度以保证减少淬火畸变及开裂倾向，一般以30-70℃/h速度升温到600-700℃，在均温一段时间后再以50-100℃/h速度升温。形状简单的中、低碳钢，直径小于400mm的中碳合金结构钢可直接到温入炉加热。6.5.4淬火冷却方法工件在低温盐浴或碱浴炉中淬火，盐浴或碱浴的温度在Ms点附近，工件在这一温度停留2min～5min，然后取出空冷，这种冷却方式叫分级淬火。对于形状复杂、畸变要求较严格的高合金工具钢，可以采用多次分级淬火。分级冷却的目的，是为了使工件内外温度较为均匀，同时进行马氏体转变，可以大大减小淬火应力，防止变形开裂。分级温度以前都定在略高于Ms点，工件内外温度均匀以后进入马氏体区。现在改进为在略低于Ms点的温度分级。实践表明，在Ms点以下分级的效果更好。例如，高碳钢模具在160℃的碱浴中分级淬火，既能淬硬，变形又小，所以应用很广泛。6.5.5淬火冷却介质要使钢中高温相——奥氏体在冷却过程中转变成低温亚稳相——马氏体，冷却速度必须大于钢的临界冷却速度。工件在冷淬火冷却却过程中，表面与心部的冷却速度有-定差异，如果这种差异足够大，则可能造成大于临界冷却速度部分转变成马氏体，而小于临界冷却速度的心部不能转变成马氏体的情况。为保证整个截面上都转变为马氏体需要选用冷却能力足够强的淬火介质，以保证工件心部有足够高的冷却速度。但是冷却速度大，工件内部由于热胀冷缩不均匀造成内应力，可能使工件变形或开裂。冷却阶段不仅为了零件获得合理的组织，达到所需要的性能，而且要保持零件的尺寸和形状精度，在盐浴中进行。为了保证获得优异的性能，应采用油作为淬火介质。油的冷却特性对各种合金钢的淬火和薄壁碳钢零件淬火是很合适的，且油在珠光体（或贝氏体）转变温度区间有足够的冷却速度。6.5.6淬火处理工艺表表1416.6低温回火工艺的制定6.6.1低温回火温度回火是将淬火后的钢重新加热到Ac以下某一温度，保温后冷却到室温的热处1理工艺。根据回火温度的不同，可将回火分为低温回火、中温回火和高温回火。其中低温回火是工件在150～250℃进行的回火。目的是保持淬火工件高的硬度和耐磨性，降低淬火残留应力和脆性，回火后得到回火马氏体，力学性能：58～64HRC，高的硬度和耐磨性。20Cr2Ni4A钢是低碳钢，要求具有很高的硬度、耐磨性，同时要求心部具有较好的塑性和韧性，因此低温回火可以满足性能要求，故选择低温回火，T取200℃。6.6.2低温回火时间加以确定：t=K+AD厚度（mm）表31116.2.3低温回火工艺表表67热处理设备选择7.1箱式电阻炉的选择件的炉子，是一种造价相对便宜的炉子，以降低成本。高温回火、淬火及低温回火温度均不超过950℃，可以选用中温箱式电阻炉。因为工件正火温度过高，箱式炉炉温不均，中温箱式电阻炉无法满足温度要求，故选用高温电阻炉。高温箱式电阻炉最高工作温度有1200℃和1350℃两种，这类炉子的特点是在此温度下主要依靠表为各种电阻炉的技术参数。螺旋锥齿轮的尺寸为502mm×135mm，并且为单件生产。表17表18（1）根据零件的尺寸和加热温度条件，RX-3-45-9型号的箱式电阻炉。（2）根据零件尺寸和正火温度，并综合考虑经济效益及生产方式，正火工艺选择RX-3-65-12型号的箱式电阻炉。7.3井式渗碳炉的选择炉罐，专为周期作业的渗碳、渗氮、碳氮共渗等所用。表根据零件尺寸和正火温度，并综合考虑经济效益及生产方式，渗碳工艺选择RQ3-90-9型号的井式气体渗碳炉。7.3热处理冷却设备的选择出于经济的考虑，我们选择油冷，一般的淬火槽的尺寸都能满足淬火要求，我们选用普通淬火槽。图28工装设计8.1热处理夹具的选择炉气成分均匀度，不致使零件在热处理过程中变形。②符合经济要求：在保证零件热处理质量复合热处理技术要求时，确保设备课程设计说明书具有高的生产能力，夹具应具有质量轻，吸热量少，热强度高及使用寿命长的特点。③符合使用要求：保证装卸零件方便和操作安全。图3图48.2热处理辅具8.2.1清洗设备的选择演、污垢、切削冷却液和研磨剂等，以保证不阻碍加热和冷却不影响介质和气氛的纯度，以防零件出现软点、渗层不均匀、组织不均匀等影响热处理质量的现象。热清洁度、防锈和不影响下道工序加工等要求。根据零件对清洁度要求、生产方式、生产批量及工件外形尺寸的要求选用相应的清洗设备。合真空、超声波的清洗装置。一般清洗机常用于清除残油和残盐，可分为间歇式和连续式两种：前者有清洗槽、室式清洗机、强力加压喷射式清洗剂等；后者有传送带式清洗机及各类生产线、自动线配置的悬挂输送链式、链板式、推杆式和往复式机，适用于批量较大的小型零件。根据生产特点，小批量的中小型零件，可以选用室内清洗机。图58.2.2矫直设备部加热零件，另一种是利用零件仍在热处理的余热（或奥氏体组织）状态下进行矫直，适用于大尺寸的轴类、板件或矫直时易断裂的零件，以及冷矫直后由于弹性作用容易反弹的零件。所以选用热矫的后种方法。适用于中、大型零件矫直用的有液压矫直机。表图69检验设备及方法选择9.1外观低倍放大镜观察表面由无裂纹、烧伤、碰伤、麻点、腐蚀、锈斑等。重要工件检查裂纹可用碰力、着色、超声波探伤等方法，对表面允许喷砂铸工件可浸油后喷砂直接观察。9.2硬度正火、退火、调质零件的硬度检查用布氏硬度计。渗碳包括渗层表面，防渗部位及心部硬度，一般用洛氏硬度，淬火处理零件用洛氏硬度计。对于本件硬度检查标准如下：最终热处理应使硬度值达到所要求的58～62HRC。如果上述硬度计无法比较。注意硬度检查的位置，应在零件的主要部位，根据工艺流程或由检验人员确定，一般为1-3处，每处不少于三点，但必须注意，不得破坏工作面。检查硬度时应正确操作硬度计。被检验零件表面必须平滑，不能有氧化皮或油污，检验前零线。9.3金相检查由于20Cr2Ni4A是低碳合金钢，其正火后组织为均匀分布的珠光体和铁素体，小于等于2级，珠光体为2-5级。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400氏体组织，由于奥氏体温度不同，马氏体形态的大小不同，一般分为8级属于奥氏体化温度偏低，淬火组织是细针状马氏体和不大于5％的铁素体，而8级属于过热组织，是粗大的板条状马氏体和片状马氏体，正常淬火是2-4级，其组织为细小的板条状马氏体和片状马氏体，之后用金相显微镜观察，确定所属等级。9.4渗层深度检验渗碳层深度有三种方法，即化学法、金相法、有效硬化层深度法。化学法是测量渗碳层总深度最精确的方法。根据试件深度的增量进行剥层,逐层分析碳含量,直到剥层的含量与基体相同,此处距表面的距离为渗碳层的总深度。金相法是将试样经等温退火得到平衡组织,在光学显微镜下放大倍测量,渗碳层深度相当于原始组织至表面距离。有效硬化层深度法是测试试件从表面至硬度为58HRC处的垂直距离,该硬度测量是在10N负荷下进行的。因为硬度与强度的关系成正比,所以有效硬化层深度法可直接地反映出渗碳件的机械性能,是控制齿轮渗碳层深度在0.8～1.2mm之间。10热处理缺陷分析10.1正火缺陷分析（1）网状碳化物晶界。这种缺陷多发生在截面尺寸较大的工件中，消除的方法是加快冷却速度。控制措施：采用鼓风机冷却、喷淋水冷等。（2）粗大魏氏组织原因;加热温度过高，奥氏体晶粒粗大，冷速又较快的中碳钢中常出现粗大魏氏体组织，其铁素体呈片状羽毛或三角形分布在原奥氏体晶粒内。控制措施：通过完全退火或重新正火使晶粒细化完全消除。（3）零件产生较大的内应力和变形原因：正火冷却速度较快，使零件产生较大的内应力和变形，甚至开裂，可采取退火消除。10.2回火缺陷分析表10.3渗碳缺陷分析（1）渗层不均原因：炉温不均、固体渗碳时装箱体积过大、工件表面局部有炭黑或结焦及排气不充分等。（2）渗层过浅原因：工艺控制不当。（3）网状或堆状碳化物原因：炉气碳势过高或预冷温度过低。控制措施：减少渗碳剂供给量，延长扩散时间或提高预冷温度。（4）心部铁素体量过多原因：预冷温度过低或一次加热淬火温度远低于心部的Ac。1（5）渗层残余奥氏体量过多原因：炉气碳势高，工件表面碳氮浓度高，且预冷温度不够低。控制措施：减少渗碳剂供给量，延长扩散时间、降低预冷温度，采用较低的温度进行重新加热淬火或深冷处理。（6）黑色组织原因：钢中的合金元素Cr、Mn等发生内氧化而导致贫化，且氧化物质点又可作为非马氏体相变的核心，从而引起渗层淬透性下降。（7）畸变原因：热应力。等等。（8）渗碳开裂原因：合金元素在渗碳时发生内氧化，是渗层淬透性下降，空冷是表层拖尸体下面有一层发生了马氏体转变导致表层拖尸体区出现拉应力，引起开裂。控制措施：降低缓冷速度，使渗层全部完成共析转变，不出现马氏体。或加快冷却速度，使深层全部转变为马氏体加残余奥氏体。10.4淬火缺陷分析10.4.1淬火畸变在高温下常因自重产生蠕变畸变；2）加热时，随加热温度升高，钢的屈服强度降塑性变形而造成形状畸变和残余应力松弛；3）淬火冷却的不同时性形成热应力和组织应力使工件局部塑性变形等等。减少淬火畸变的途径：1）采用合理的热处理工艺；2）合理设计；3）合理的锻造和预先热处理等等。10.4.2淬火裂纹36-45HRC时，在淬硬层与非淬硬层交界处易形成淬火裂纹；4）严重表面脱碳易形成网状裂加热速度过快，易开裂；7）原始组织不良；8）过烧裂纹等等。防止淬火开裂的措施：1）改进工件结构；2）合理选择钢材；3）原材料应避10.4.3硬度不足控制措施如下表：表1234范10.4.4软点制措施见下表。表11小结通过这次的课程设计实习，我有如下几方面的感触：①通过读螺旋锥齿轮的热处理工艺方法的选择以及制定，我对螺旋锥齿轮的理论知识有了更深的理解。在设计的过程中我翻阅了大量的参考书及手册，让我对一些参数有一个全新的更深的认识。通过查看参考一些别人设计的作品和查阅资料文本，吸取其中的精华，去除糟粕，不仅使自己熟练的掌握了word的用法使自己对其有了更高的技术，更学会怎样快速的运用身边的工具有效地得到自己有要的有用的东西。的，任何模具的设计都要有