变速箱齿轮热处理工艺设计

1、1. 齿轮热处理概述12. 零件图23. 零件的服役条件、性能要求及技术指标34. 材料选择44.1零件用途44.2材料比较44.3 材料化学成分及合金元素的作用44.4 材料的相变点55. 齿轮加工制作工艺65.1传统的齿轮材料的工艺路线：65.2 淬火工艺设计65.3 其他热处理工艺86. 参考文献151. 齿轮热处理概述众所周知，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

2、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

3、万吨。但我国齿轮的质量与其他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。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。零件图3. 零件的服役条件、性能要求及技术指标 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。是主要零件。其服役条件如下：?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，齿轮表面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

4、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。因此，齿轮的表面有高的硬度和耐磨性，高接触疲劳强度，有较高的齿根抗弯强度，高的心部抗冲击能力。技术要求齿表硬度：5863HRC心部强度：3345 HRC屈服强度：850Mpa齿根弯曲疲劳强度：1000Mpa4. 材料选择4.1零件用途 齿轮是汽车中的重要零件，变速箱齿轮为汽车发动机的重要部件，用于改变发动机曲轴和传动轴的速度比。4.2材料比较齿轮常用材料有20Cr ，20CrMnTi, 18Cr2Ni4WA20Cr有较高的强度及淬透性，但韧性较差。渗碳时有晶粒长大倾向，降温直接

5、淬火对冲击韧性影响较大，因而渗碳后进行二次淬火提高零件心部韧性；可切削性良好，但退火后较差；20Cr为珠光体，焊接性较好，焊后一般不需热处理。20CrMnTi 20CrMnTi是性能良好的渗碳钢，淬透性较高，经渗碳淬火后具有高的强度和韧性，特别是具有较高的低温冲击韧性，切削加工性良好，加工变形小，抗疲劳性能好。18Cr2Ni4WA18Cr2Ni4WA属于高强度中合金渗碳钢。18Cr2Ni4WA钢常用于合金渗碳钢,强度,韧性高,淬透性良好,也可在不渗碳而调质的情况下使用,一般用做截面较大,载荷较高且韧性良好的重要零件。对于汽车来说，由于其使用条件复杂，采用调质钢不能保证要求，选用渗碳钢较为合适。

6、20CrMnTi钢采用渗碳+淬火+低温回火，齿轮表面可以获得5563HRC的高硬度，因淬透性较高，齿心部具有较高的强度和韧性。因而选用20CrMnTi钢。4.3 材料化学成分及合金元素的作用4.3.1 20CrMnTi钢的具体化学成分及含量 表1 20CrMnTi钢的化学成分及含量（质量百分数）合金元素CCrMnTiSiSPNiCu含量（wt%）0.170.231.001.300.801.100.040.100.170.370.0350.0350.300.304.3.2 化学元素作用 C：C的含量决定了渗碳件心部的强度和韧性，从而影响零件的整体性能。一般渗碳钢都是低碳钢。 Cr：有利于渗碳层增

7、厚，提高钢的淬透性，提高回火稳定性，增加钢的耐磨性。 Mn：提高钢的淬透性，增加钢的强度和硬度，有利于渗碳层增厚，细化珠光体组织以改善机械性能。 Ti：阻止奥氏体晶粒在高温渗碳时长大，细化晶粒，并且减小渗碳层厚度。 Si：阻止碳化物形核长大，提高钢的淬透性，提高钢的抗回火稳定性，提高对钢的综合机械性能。 S、P:都是钢中的杂质元素，S能明显降低钢的热塑性，但能改善钢的可切削性；P能降低钢的强度和韧性。4.4 材料的相变点 20CrMnTi相变临界点 牌 号 临界温度/锻造加工温度/正 火Ac1Ac3Ms加热始锻温度/冷却/硬度HBWAr1Ar3Mf终锻20CrMnTi7308203601200

8、124011601200930950空冷156207690795850淬 火回 火温度/淬火介质硬度HRC不同温度回火后的硬度值HRC150200300400500550600650860油424643414039353025175. 齿轮加工制作工艺5.1传统的齿轮材料的工艺路线：下料锻造正火齿形加工渗碳淬火低温回火喷丸磨切削加工5.2 淬火工艺设计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。

9、正常加热冷却情况下， 工件加热到860后，保温一段时间，使之奥氏体化后用油冷却至室温，得到马氏体和残余奥氏体，具有较高的硬度。温度：860 渗碳后的齿轮温度在930左右，此时可以将齿轮留在渗碳炉中冷却，即预冷，冷却到860时，保温一段时间，取出后立即放入油中，这样对齿轮淬火，操作比较简单，降低了成本，提高了生产效率，也可以达到齿轮需要的要求，且齿轮氧化、脱碳及淬火变形均小。淬火介质：油冷 淬火设备: 淬火油槽 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3050。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

10、油冷可以得到好的效果。淬火冷却速度太快,奥氏体向马氏体组织转变剧烈、体积收缩，引起很大的内应力，容易造成齿轮的变形和开裂，由于20CrMnTi是合金钢，淬透性较好，故选择油冷减小冷却速度，防止淬火造成齿轮变形或开裂。同时也能获得马氏体组织，达到较高的硬度。保温时间的确定 淬火加热时间包括升温和保温时间两段时间，升温时间包括相变重结晶时间，保温时间实际上只考虑碳化物溶解和奥氏体成分均匀化所需要的时间。 在具体的生产条件下，淬火加热时间常用经验公式计算，通过实验最终确定。常用的经验公式为： = a*K*D 式中：，加热时间，min；a，加热系数，min/mm；K，装炉修正系数；D，工件有效厚度，m

11、m。 加热系数a表示工件单位厚度需要的加热时间，其大小与工件尺寸、加热介质和钢的化学成分有关，下表是常用钢的加热系数。 常用钢的加热系数工件材料工件直径/mm600箱式炉中加热750850盐炉中加热或预热800900箱式炉或井式炉中加热10001300高温盐炉中加热碳钢500.30.41.01.2500.40.51.21.5合金钢500.450.501.21.5500.500.551.51.8高合金钢0.300.400.300.350.170.2高速钢0.300.350.160.18根据设计的20CrMnTi钢齿轮，加热系数a的大小取1.5。 修正系数K的值取2.2。故加热时间为=aKD =1

12、55min2.5h因为升温和保温当中有渗碳的过程，所以除去渗碳时间。齿轮的升温时间为1.5h，所以得到保温时间是1.0h。5.3 其他热处理工艺5.3.1 正火温度：930时间：保温3个小时组织：片状珠光体+铁素体硬度：齿轮的表面硬度为156207HBW设备：中温箱式炉我选择的变速箱齿轮，它的直径大约是200mm，内圈直径约为100mm，厚度约是50mm，齿轮正面的圆形面积S约为628mm2，体积V约为31400mm3.材料是低碳合金钢20CrMnTi。它的正火温度在950左右。考虑到中温炉在中温测量时比较准确，因而选用中温箱式炉。结构图如图2所示。标准系列中温箱式电阻炉技术数据如表3所示。中

13、温箱式炉结构图1炉壳；2炉衬；3热电偶；4炉膛；5炉门；6炉门升降结构；7电热元件；8炉底板；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)RX3-15-915380195060030025052.580RX3-30-930380395095045035072.5200 标准系列中温箱式电阻炉技术数据 根据我选择的齿轮大小，正火选用的电阻炉为RX3-15-9。正火工艺曲线5.3.2 渗碳 煤油是传统的渗碳滴注剂，如图5显示了煤油热分解气成分与稳定的关系。煤油价格低廉，渗碳能力强，但单独使

14、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。煤油热分解气成分与温度的关系渗碳温度:92010 依据：渗碳温度在Ac3以上，考虑碳在钢中的扩散速度等因素，采用的温度为910930。渗碳程度的升高，碳在钢中的扩散系数增大，渗碳速度很快，但渗碳温度过高会造成晶粒粗大，选取t=930。 160180滴/分钟 采用到温加热的方法，原因是避免金属组织出现不需要的相转变，加热速度快，节约时间，便于批量生产。 设备：RQ3-60-9井式渗碳炉 渗碳炉是新型节能周期作业

15、式热处理电炉，主要供钢制零件进行气体渗碳。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/kWRQ3-35-935380395030060092.570RQ3-60-9603803950450600122.5150RQ3-75-9753803950450900142.5220根据我选择的齿轮大小，选择型号为RQ3-60-9系列的井式渗碳炉比较合适 齿轮在井式炉中的渗碳工艺曲线渗碳层组织表层：细针状或隐晶马氏体+细颗粒状弥散均匀分布的碳化物+少量残余奥氏体；心部：细晶粒低碳

16、马氏体组织；表层与心部之间：高碳马氏体+残余奥氏体。 渗碳层中有25%30%的残余奥氏体时，有利于提高接触疲劳强度；表面粒状碳化物增多，提高表面耐磨性及接触疲劳强度，但碳化物数量过多将使冲击韧度，疲劳强度等性能降低。5.3.3 回火 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，大部分裂纹已经焊合，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

17、颗粒，硬度可以达到55HRC以上。 回火的保温时间：2h 回火时间一般为13小时在空气炉中保温时间有效厚度/mm2020404060608080100保温时间/min30454560609090120120150 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2h。 材料的组织及性能 加热温度为180。加热到100时马氏体开始分解，共格析出-碳化物，回火保温足够长的时间后得到回火马氏体，硬度和耐磨性高。低温回火时马氏体中过饱和碳原子以碳化物的形式逐步析出, 马氏体晶格畸变程度减弱,

18、内应力有所降低。此时的回火组织由马氏体和碳化物组成, 称为回火马氏体。虽然马氏体的分解使-Fe中碳的过饱和程度降低,钢的硬度相应下降,但析出的碳化物又对基体起强化作用, 部分的残余奥氏体分解为回火马氏体, 所以钢仍保持很高的硬度和耐磨性和一定的韧性。钢中含有的Si元素能提供钢的回火抗性，Cr元素能提高回火稳定性。回火设备：低温箱式炉低温箱式炉的最高工作温度为650，用于钢铁零件淬火后的回火和时效处理，也可以作铝合金的淬火加热用。其零件的加热是靠对流和辐射完成的，在炉顶或炉的后墙上安装风扇以及导风装置，强迫炉内气体的循环，来提高炉膛的温度均匀性和传热效果。低温箱式电阻炉技术数据型号功率/kW工作温度/炉膛尺寸（长宽高）/mm最大装载量/kgRX31561565060030025080RX37567565018009005501200KH950370650127610601100700KH86176035018009505502100 根据我选