1、汽车齿轮课程设计报告JI A N G S U U N I V E R S I T Y金属材料综合课程设计(化学热处理)汽车齿轮的热处理工艺设计学院名称：材料科学与工程学院专业班级：金属1302 学生姓名：钱振学号： 3130702063 指导教师姓名：邵红红，纪嘉明2017年 1 月汽车齿轮的热处理工艺设计指导老师姓名：邵红红纪嘉明1 汽车齿轮零件图图 1 汽车齿轮2 服役条件及提出的性能要求和技术指标2.1 服役条件汽车齿轮主要作用是传递动力、改变运动方向。汽车齿轮的工作条件比机床要繁重得多，它们经常在较高的载荷下工作，磨损比较大。在汽车运行中由于齿根会经常受着突然变载的冲击载荷以及周期变动
2、的弯曲载荷，会造成齿轮的脆性断裂或者弯曲疲劳破坏。齿轮的工作面承受压应力及摩擦力也比较大，由于经常换挡，齿的端部经常受到冲击，也会造成齿轮的端部破坏。2.2 失效形式主要失效形式为疲劳断裂，表面损伤和磨损失效。疲劳断裂。齿轮在应变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，就造成断裂失效；表面损伤。 a点蚀：是闭合齿轮传动中最常见的损坏形式，点蚀进一步发展，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，使表面压应力降低，形成裂纹造成碳化层剥落。磨损失效 a摩擦磨损：汽
3、车、拖拉机上变速齿轮属于主载荷齿轮，受力比较大，摩擦产生热量较大，齿面因软化而造成塑性变形，在齿轮运转粘结而后又被撕裂，造成齿面摩擦磨损失效。 b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。2.3 性能要求根据汽车齿轮的服役条件和失效形式，大致上讲，应主要满足齿轮材料所需的机械性能、工艺性能和经济性要求三个方面：（1）满足齿轮材料的机械性能由于传递扭矩，齿根要求较大的弯曲应力和交变应力，因此要求表面高硬度、高耐磨性；由于齿轮转速变化范围广，齿轮表面承受较大的接触应力，并在高速下承受强烈的摩擦力，齿轮在交变力的作用下，长时间工作可能发生疲劳断裂，齿
4、面在强摩擦作用下可能发生磨损和点蚀现象，因此要求齿面有高的接触疲劳强度；由于工作时不断换挡，齿轮之间经常要承受换挡造成的冲击与碰撞，齿轮心部韧性过低时，在冲击作用下可能发生断裂，因此要求齿根高的弯曲强度（b1000Mpa）；齿轮心部较高强度、高韧性（ak60 J/cm）。（2）满足齿轮材料的工艺性能材料的工艺性能是指材料本身能够适应各种加工工艺要求的能力。齿轮的制造要经过锻造、切削加工和热处理等几种加工，因此选材时要对材料的工艺性能加以注意。一般来说，碳钢的锻造、切削加工等工艺性能较好，其机械性能可以满足一般工作条件的要求。但强度不够高，淬透性较差。而合金钢淬透性好、强度高，但锻造、切削加工性
5、能较差。我们可以通过改变工艺规程、热处理方法等途经来改善材料的工艺性能。（3）满足齿轮材料的经济性要求所谓经济性是指最小的耗费取得最大的经济效益。在满足使用性能的前提下，选用齿轮材料还应注意尽量降低零件的总成本。从材料本身价格来考虑：碳钢和铸铁的价格是比较低廉的，因此在满足零件机械性能的前提下选用碳钢和铸铁，不仅具有较好的加工工艺性能，而且可降低成本。从金属资源和供应情况来看，应尽可能减少材料的进口量及价格昂贵材料的使用量。从齿轮生产过程的耗费来考虑：采用不同的热处理方法相对加工费用也不一样；通过改进热处理工艺也可以降低成本；所选钢种应尽量少而集中，以便采购和管理；我们还可以通过改进工艺来提高
6、经济效益。2.4 技术指标（1）渗碳层表面含碳量：0.81.0% ；（2）渗碳层厚度：0.81.2mm；（3）齿轮表面硬度要求：5864HRC；（4）齿轮心部硬度要求：3545HRC；（5）其余力学性能：屈服强度S 850MPa ,疲劳应力-1 440MPa ,冲击功AKV65J 。3 选材3.1 常用材料比较分析汽车齿轮属于中、重载荷齿轮，受力较大，且频繁受冲击，因此在耐磨性、疲劳强度、抗冲击能力等方面要求较高，为满足表面耐磨性和整体强韧性的要求，一般选用渗碳钢，目前国内离合器齿轮用材大致有20Cr、20CrMo 、20CrMnTi等。选用热处理为：渗碳。（1）20Cr20Cr是典型的低淬透
7、性钢，但比相同含碳量的碳素钢的强度和淬透性都有明显提高，油淬后可得马氏体淬硬层为2023，常用于制造截面尺寸小于30，形状简单，受力不大，变速档较高，负载不大的而耐磨渗碳零件。韧性较差，渗碳时有晶粒长大倾向，降温直接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。20Cr正火后硬度为HB179217，显微组织为均匀分布的片状珠光体和铁素体，经渗碳后淬火、回火，表面硬度达5662HRC，心部硬度达3545HRC。b835MPa，S540MPa, S10,40, Ak47J。（2）20CrMo20CrMo
8、材料属于低碳合金结构钢，适合渗碳淬火处理；淬透性较高，无回火脆性，焊接性相当好，形成冷裂的倾向很小，可切削性及冷应变塑性良好。一般在调质或渗碳淬火状态下使用，用于制造在非腐蚀性介质及工作温度低于 250、含有氮氢混合物的介质中工作的高压管及各种紧固件、较高级的渗碳零件，如齿轮、轴等。(3)20CrMnTi20CrMnTi是典型的中淬透性钢，该钢由于Cr、Mn多元复合合金化的作用，淬透性好，油淬临界直径为40mm左右。渗碳后淬火回火具有较高耐磨性和抗弯强度以及高的强韧性，特别是良好的低温冲击韧性，钢的渗碳工艺性较好，晶粒长大倾向小，热处理工艺简单，但高温回火时有回火脆性倾向，渗碳后可直接淬火，变
9、形比较小。20CrMnTi的热加工和冷加工性能较好，正火后硬度为HB180230，相对切削性能好，并可获得光洁的表面。一般可用于制造截面在30mm以下的承受高速、中速及重载荷以及冲击和摩擦的重要渗碳零件，如齿轮、齿轮圈、离合器轴、液压马达转子等。（4）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。20CrMnTi钢采用渗碳+淬火+低温回火，齿轮表面可以获得
10、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。3.2 材料成分表及临界温度3.2.1 20CrMnTi成分及含量质量分数如表1 所示。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%）0.170.231.001.300.801.100.040.100.170.370.0350.0350.300.30 3.2.2 合金元素的作用（1）C的作用：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。C%0.170.23% 是为了渗碳时保证碳元素的正常渗入。淬火热处理
11、后保证心部得到低碳马氏体，具有足够的强韧性，抵抗冲击载荷。（2）Cr、Mn的作用：Cr、Mn完全固溶于奥氏体中，主要是提高钢的淬透性；固溶强化基体组织，并改善基体组织的回火稳定性。部分Cr、Mn元素从基体组织中扩散到析出的渗碳体Fe3C中，形成合金渗碳体（Cr、Mn、Fe）3C，改善其硬度。合金渗碳体（Cr、Mn、Fe）3C与碳化物TiC同基体组织一起共同作用，使钢产生较高的强度、硬度与耐磨性，同时保持良好的韧性。Cr有利于渗碳层增厚，提高钢的淬透性，提高回火稳定性，增加钢的耐磨性。Mn能提高钢的淬透性，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。（3）Ti的作用：以碳
12、化物TiC形式钉扎于奥氏体晶界，阻止奥氏体晶粒的长大，细化晶粒；提高钢的回火稳定性，同时还可形成合金碳化物提高渗层耐磨性。（4） Si的作用：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。（5） 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。3.2.3 20CrMnTi相变临界点表2 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20CrMnTi7308203601200124011601200930950空冷1562076907
13、95850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424643414039353025174 汽车齿轮热处理工艺设计4.1 工艺路线下料锻造正火机加工渗碳预冷直接淬火低温回火精加工喷丸磨削加工4.2 正火处理工艺（1）正火目的对汽车齿轮锻造毛坯进行预先热处理,主要是为了获得适宜的锻件表面硬度并为后续热处理作好金相组织准备。传统的预先热处理方法大多采用常规正火处理。该工艺设备简单、能耗少、工艺要求不高,因此应用较为广泛。而等温退火处理的齿轮虽然机加工性能大大提高,而且渗碳淬火后的变形也明显减小，但是等温退火仍需将锻坯重新
14、自室温加热至900 以上高温,这将消耗大量能源，且大批量生产依然还存在一些技术难点，因此选择正火处理。正火能够消除锻造应力及其不良组织，改善切削加工性，因该钢是低碳合金钢，碳含量低，韧性大，切削时“粘刀”严重，为改善切削加工性能，采用高温正火。20CrMnTi的粗大晶粒的非平衡组织在渗碳淬火加热时会发生组织遗传，重新又获得粗大晶粒。高温正火可以消除某些钢材粗大晶粒非平衡组织的遗传性，细化晶粒，以获得珠光体+少量铁素体组织，减少了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加碳化物的溶解量。并使加工硬度适中，有利于切削。（2）正火设备选用RX3箱式电炉参
15、数见表 3表3 RX3-60-9箱式电炉产品名称产品型号额定功率(kw)额定电压(V)额定温度()相数炉膛尺寸(长x宽x高)外型尺寸(长x宽x高)重量（kg）箱式电炉RX3-60-9603809503950x450x3501920x1620x21402200（4）正火温度：930理论上正火温度为Ac3 +（3050），但高温正火的温度Ac3+（100150），由于齿轮工件表面工件尺寸截面变化大，易变形开裂，所以经过综合考虑选取T=930。（5）加热方法采用等温加热的方法，是指当炉温加热到指定的温度时，再将工件装进热处理炉进行加热。这样做的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
16、间，便于小批量生产。（6）保温时间：230min；加热时间可按公式进行计算：t=aKD，式中t为加热时间（min），K为反映装炉时的修正系数，查热处理手册可得K取1.4， a为加热系数取1.0min/mm ，D为工件有效厚度（mm）。D=200mm ；可得t=aKD=1.41.0200=280min。（7）冷却介质：空气。（8）正火工艺曲线280min图 2 正火处理工艺曲线4.3 渗碳处理工艺（1）渗碳目的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。淬火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。20CrMnTi齿轮根据使用性
17、能要求表面耐磨,心部又要求有良好的强韧性,所以要对20CrMnTi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。渗碳淬火工艺过程中, 要防止齿轮变形, 要严格控制渗碳齿轮的表面碳浓度和渗层深度。因为它们会对渗层组织的膨胀系数产生影响, 渗碳后若表面形成不良碳化物分布, 将增加齿形、齿向及花键孔的变形,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。渗碳层深度越厚,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、畸变有直接的影响。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。（2）渗碳设备选用RQ3-60-9D
18、型井式气体渗炭炉炉参数见表4 。表4 RQ3-60-9D型井式气体渗炭炉产品名称产品型号额定功率(kw)额定电压(V)额定温度()相数炉膛尺寸(直径x 深) (mm)外型尺寸(长x宽x高) (mm)重量(kg)井式气体渗碳炉RQ3-60-9603809503450x6001570x2000 x22402630说明：炉温均匀，介质流动性好，加热速度、温度均匀，工件变形小，加热质量好，利于提高产品质量，炉膛容积有效利用率高，产量大，耗电量少，可节省电能与筑炉材料，电极寿命长，减小停炉时间。适用于中，小型工件成批量生产。（3）渗碳温度：92010渗碳温度在Ac3 以上，考虑碳在钢中的扩散速度等因素，
19、目前在生产上广泛采用的温度为910930。随着渗碳层度的升高，碳在钢中的扩散系数呈指数上升，渗碳速度加快，但渗碳温度过高会造成晶粒粗大，工件畸变增大，设备寿命降低等负面效应，渗层厚度为0.81.2mm，可以选取T=920。（4）加热方法：等温加热（5）渗碳时间：5 h按照公式t= (k/d)2；式中d渗碳深度，为0.81.2mm，k渗碳速度因子，920渗碳时取k为0.633；故t=(1.2/0.633)24.8，取t5h。（6）渗碳方法甲醇-煤油滴注式渗碳法（甲醇为稀释剂，煤油为渗碳剂）。甲醇-煤油滴注剂中煤油的含量一般在15%30%范围内，高温下甲醇的裂解产物H2O,CO2和CH4和C氧化，
20、可使炉气成分和碳势保持在一定范围内。渗碳时煤油的分解成分见表5图3 所示。表5 气体渗碳时煤油分解成分CnH2n+2CnH2nCOCO2H2O2N210150.610200.450750.45图3煤油热分解气成分与温度的关系依据：采用滴注式可控气氛渗碳，以甲醇作为稀释气体，煤油作为富化气体。通过改变两种气体的比例，可使工件表面含碳量控制在所需要的范围里。（7）装炉方法筐装；10/次；垂直放入渗碳炉中，齿轮一个一个叠放，要注意每垛之间齿轮的轮齿不要接触，避免齿渗不上碳。（8）渗碳工艺装炉后排气，滴油量3565滴/分钟，保温时间160180滴/分钟，一小时后查看式样，渗层厚度达到1.0mm时滴油量
21、为140160滴/分钟，渗层达到要求后降温到87010预冷120分钟，为淬火做准备。（9）冷却方式随炉降温或将工件移至等温槽中预冷，然后直接淬火。（10）渗碳工艺曲线温度/ 92010 0.5-1 870渗碳预强渗扩散冷淬火 120 100 90时间/min图 4 渗碳工艺曲线图渗碳层组织表层：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。4.4
22、淬火（1）淬火目的使过冷奥氏体进行马氏体（或贝氏体）转变，得到马氏体（或贝氏体）组织。然后配合以不同温度的回火，以提高工件的硬度、强韧性、弹性、耐蚀性和耐磨性等，获得所需的力学性能。为了使工件获得外硬内韧的性能要求，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，故可以用直接淬火法。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。为避免心部出现大量游离铁素体保证心部强度，故选择齿轮
23、经渗碳后，先预冷再直接油冷淬火。（2）淬火温度：870；渗碳后可预冷到860880并保温一段时间，预冷过程中渗碳层析出二次渗碳体，深层中残余奥氏体量减少，预冷温度不应过低，以免心部游离铁素体增多，降低心部硬度，预冷应在炉内进行，并应防止表面脱碳，选择87010。（3）淬火设备渗碳后的零件采用从渗碳温度随炉降温到适宜的淬火温度，经一段保温均热后直接淬火（水或油）的热处理工艺。因此淬火设备与渗碳炉相同为RQ3-60-9D。（4）淬火介质：油冷根据实践经验从930预冷到860左右进行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
24、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。（5）保温时间：1h4.5 低温回火处理工艺（1）回火目的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颗粒，硬度可以达到55HRC以上。（2
25、）回火温度：190由于渗碳钢零件要求表面具有很高的硬度，耐磨性，同时要求心部具有较好的塑性和韧性。但由于渗碳后的20CrMnTi钢是表面高碳钢和心部低碳钢组成的一种复合材料，因此低温回火可以满足性能要求，故选择低温回火，且工件适中，低温回火温度T一般在180200，渗碳件选择下限，所以T取19010。（3）回火设备为了防止工件回火时氧化采用井式回火电阻炉RJ2-75-6。表6 井式回火电阻炉RJ2-75-6产品名称产品型号额定功率(kw)额定电压(V)额定温度()工作区尺寸(mm)井式回火电阻炉RJ3-75-675380650450x600（4）保温时间保温时间：2h为保证其硬度在5663HR
26、C范围内。（5）冷却方式：出炉空冷。（6）回火工艺曲线温度/ 19010 2h 空冷时间/min 图 5 回火工艺曲线4.6 总的热处理工艺曲线2h280min图 6 热处理总工艺曲线5热处理卡片渗碳层表面含碳量：0.81.0%C 渗碳层厚度：0.81.2mm ；回火后表面硬度：5864HRC ；回火后心部硬度：3048HRC锻造正火机加工渗碳预冷直接淬火低温回火精加工零件图技术要求备注空冷甲醇-煤油滴注式渗碳法油冷介质：10机械油空冷汽车齿轮20CrMnTi设备RX3-60-9RQ3-60-9D-RJ3-75-6产品名称材料时间4 h5 h3 h-2.5 h江苏大学热处理工艺卡工艺路线温度9
27、30920870190工艺正火渗碳预冷淬火回火序号12346 车间平面图图 7 汽车齿轮的热处理车间平面示意图7 参考文献1 刘瑞堂，金属零件失效分析M.哈尔滨工业大学出版社,20052 孙茂才，金属力学性能M.哈尔滨工业大学出版社，20083 安玉昆，钢铁热处理M.机械工业出版社，19854 樊新民.热处理工实用技术手册（第2版）M.江苏科学技术出版社,2010,1. 5 赵连城，金属热处理原理M.哈尔滨工业大学出版社,1987.6 金荣直，齿轮热处理常见缺陷分析与对策.化学工业出版社，2013.7 马伯龙，热处理技术图解手册.机械工业出版社，2015.8 金林奎,赵建国,王春亮,20CrMnTi钢汽车齿轮热处理变形分析及控制J.金属加工.2009,4.9 赵越超,付莹,齿轮材料的选择及热处理J.煤矿机械.2007,10.
