1、西南交通大学出版社，20144 孙智，倪宏昕，彭竹琴.现代钢铁材料及其工程应用M.北京：5 马鸣图.先进汽车用钢M.北京：化学工业出版社，20084、课程设计工作进度计划第12天：布置课程设计任务，下发本任务书，重型卡车变速箱齿轮的服役条件和力学性能要求分析。第34天：重型卡车变速箱齿轮的加工工艺流程分析。第57天：重型卡车变速箱齿轮用钢的选择及热加工工艺设计，提交设计说明书的提纲或初稿。第810天：修改、完善设计说明书，并提交。指导教师（签字）日期201 年 月 日教研室意见：201 年 月 日学生（签字）：接受任务时间：201 年 月 日注：任务书由指导教师填写。课程设计（论文）指导教师成
2、绩评定表题目名称评分项目分值得分评价内涵工作表现20%01学习态度6遵守各项纪律，工作刻苦努力，具有良好的科学工作态度。02科学实践、调研7通过实验、试验、查阅文献、深入生产实践等渠道获取与课程设计有关的材料。03课题工作量按期圆满完成规定的任务，工作量饱满。能力水平35%04综合运用知识的能力10能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题，能正确处理实验数据，能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。05应用文献的能力5能独立查阅相关文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获取新知识的能力。06设计（实验）能力，方案的设计能力能正确设计实验方案，独立进行装置安
3、装、调试、操作等实验工作，数据正确、可靠；研究思路清晰、完整。07计算及计算机应用能力具有较强的数据运算与处理能力；能运用计算机进行资料搜集、加工、处理和辅助设计等。08对计算或实验结果的分析能力（综合分析能力、技术经济分析能力）具有较强的数据收集、分析、处理、综合的能力。成果质量45%09插图（或图纸）质量、篇幅、设计（论文）规范化程度符合本专业相关规范或规定要求；规范化符合本文件第五条要求。设计说明书（论文）质量30综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理；实验正确，分析处理科学。11创新对前人工作有改进或突破，或有独特见解。成绩指导教师评语指导教师签名： 年月日1 引言随着
4、我国交通运输业的快速发展，汽车工业正面临着难得的发展机遇，特别是自80年代以来，国外先进车型及生产技术的引进，使我国的汽车制造水平得到了很大提高。变速箱齿轮作为汽车的重要零部件，从材料选择到生产工艺都发生了巨大变化。其中重型汽车齿轮由于模数差距大、承受负荷重、对材料和热处理工艺要求高，因而在国产化时需要从影响齿轮质量的几个因素认真地加以分析和探讨。2 重型卡车变速箱齿轮的综合性能分析2.1 变速箱齿轮服役条件分析齿轮在汽车变速箱中起传递运动和动力的作用。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
5、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。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。2.2 齿轮力学性能分析因齿轮形状复杂，且使用工况很复杂，所以随着齿轮加工制造技术的发展，硬齿面齿轮在国内及国际汽车行业被普遍使用。这是由于汽车变速箱齿轮不仅要求强度高、韧性好、耐磨性高，而且要能保证在齿轮截面上获得足够的淬硬层，以保证齿轮的综合力学性能。同时要求齿轮材料淬透性带宽较窄，在较缓慢的冷却速度下就可以获得所需组织，保证齿轮热处理后变形小。3 重型
6、卡车变速箱齿轮的加工工艺流程分析3.1 预备热处理通常20CrMTi选用正火或调质处理作为预备热处理，其目的是降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工；细化晶粒，均匀钢的组织及成分，改善钢的性能，为以后的热处理作准备；消除锻造应力，防止变形和开裂，保证齿形合格。对于重要的齿轮用调质来改善钢的性能。在切削加工时，为了不致发生“粘刀”现象和使刀具严重磨损，通过改善金相组织控制钢的硬度。实践证明，为了防止锻造毛坯在预备热处理中产生粒状贝氏体影响钢的力学性能，工艺可采用淬火后680高温回火来替代原来的正火。高温回火后得到回火索氏体组织，应力集中倾向小，硬度降低至300HB，切削性能较好。调质钢与正火钢相
7、比不仅强度较高，而且塑性、韧性远高于后者，同时锻造应力得到充分的消除，满足了机械加工要求，在生产中已取得了良好的经济效益。正火是将钢加热到Ac3以上3050，保温足够的时间后出炉在空气中冷却到室温。对于一般的齿轮采用正火，正火可以减少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。由于正火的冷却速度较快，获得细小的片层状渗碳体珠光体，强度、硬度都较高，力学性能较好。然而正火工艺是空冷，对于尺寸较大零件，内外温差大冷却速度不稳定，在连续冷却时，过冷奥氏体在A1550温度范围内分解为珠光体，在550Ms温度范围内，因转变温度较低转变为贝氏体组
8、织，其特征是过饱和碳的铁素体中分布粒状或长条状的碳化物。锻造毛坯正火产生的粒状贝氏体引起硬度增高，导致了齿型加工困难，使刀具早期磨损。对于车辆齿轮或大批量的小型齿轮越来越多采用等温正火工艺。对于模数、直径较大的质量要求高的工业齿轮通常采用调质作为预备热处理。3.2 化学热处理3.2.1 渗碳工艺渗碳工艺可使齿轮具有很好的综合力学性能，因此在汽车齿轮的生产中应用最广泛。目前世界上汽车齿轮生产所采用的渗碳工艺主要是气体渗碳，气体渗碳是低碳钢生产所采用的最广泛的表面硬化工艺，国外已实现通过计算机可控渗碳深度和表面硬度，从而得到最佳的渗碳层深度和最小的变形。3.2.2 碳氮共渗工艺碳氮共渗工艺具有在给
9、定时间内有效提高渗层深度、获得较高硬度、保证奥氏体晶粒细小、减小零件变形、提高齿轮强度和耐磨性能等优点而被频繁使用。随着对齿轮质量要求的提高，碳氮共渗工艺由于渗层组织性能不易控制稳定，获得较深渗层所需的时间长，该工艺使用日渐减少，只有少数小模数低负荷的汽车齿轮才允许采用。3.2.3 渗氮工艺渗氮工艺是传统热处理工艺之一，然而其能否成功地在汽车齿轮上应用一直存在疑虑和争论，主要是渗氮齿轮的承载能力问题，因而长期以来渗氮齿轮的应用受到限制。如美国石油协会规定经渗氮的齿轮，只能承受渗碳齿轮接触疲劳极限的75，而对齿轮的弯曲疲劳极限也要相应降低30。然而渗氮工艺由于温度低、畸变小以及加工工序少而使成本
10、降低的优点，近年来在齿轮上的应用比较广泛。4 重型卡车变速箱齿轮用钢的选择4.1 变速箱齿轮用钢的选择4.1.1 国外汽车齿轮材料的发展本世纪初，德国汽车工业采用高Ni合金钢生产高负荷齿轮。1928年，含4.5%Ni的Cr-Ni系钢ECN45被采纳为标准钢材，著名跑车银箭用齿轮就是用ECN45钢制造的。二战期间，为了节约Ni，导致了Cr-Mn系齿轮钢的发展，经过几十年的不断改进和完善，如今Cr-Mn系齿轮钢已成为中、小模数齿轮用钢的主要品种。著名的ZF公司在Cr-Mn系齿轮钢中添加微量B，形成了独具特色的ZF系列齿轮钢，目前也被汽车生产厂家广泛采用。对于大模数重负荷齿轮而言，含2%Ni的Cr-
11、Ni系钢18CrNi8取代了ECN45钢，迄今18CrNi8作为淬透性最好的齿轮钢仍被奔驰公司、斯太尔公司等多家汽车厂所采用。随着世界性节能浪潮的推动及新工艺的不断采用，材料潜力逐渐被发掘出来，含1.6%Ni的Cr-Ni-Mo系钢17CrNiMo6（ZFA钢）由于良好的工艺性能正逐渐取代18CrNi8用于大模数重负荷汽车齿轮。在美国，早期用含5%Ni的SAE25系列钢生产汽车齿轮，二战前普遍采用含2%Ni的SAE46系列和含3.5%Ni的SAE48系列。基于同样的原因，战后美国发展了SAE40系列Mn钢及含0.55%Ni的Cr-Ni-Mo系SAE86系列齿轮钢。目前其中、小模数汽车齿轮使用SA
12、E86和SAE40系列钢，而大模数重负荷汽车齿轮仍使用Ni-Mo系SAE46和SAE48系列钢。各个国家由于资源情况不同，冶金工业和汽车工业发展历史不同，因而齿轮材料的选择和加工技术也各具特点。工业发达国家汽车齿轮材料的共同特点是多品种、系列化，对应不同模数齿轮有不同的材料。从材料成分来看，中、小模数汽车齿轮的发展趋势是从含Ni钢到不含Ni钢，大模数汽车齿轮则是由较少含量的Cr、Ni、Mo合金钢取代高Cr、Ni合金钢。4.1.2 国内重型汽车齿轮钢的选择国内汽车齿轮钢基本上沿用前苏联牌号，在过去很长的时期内，一直是17CrNiMo6一统天下的局面，不仅品种单一，而且钢材成分波动大，淬透性带宽，
13、夹杂物多，造成齿轮热处理变形大、寿命低。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系钢、日本的Cr-Mo系钢和美国的SAE86系列钢已实现了国产化，基本上满足了国内中、小模数汽车齿轮钢的需求。斯达斯太尔系列汽车齿轮用钢采用德国标准，按齿轮模数分大、中、小三种，分别使用18CrNi8、20MnCr5、16MnCr5三种齿轮钢。其中，中、小模数齿轮用钢20MnCr5和16MnCr5的国产化问题已经解决，钢厂供应的材料基本达到了德国标准。但对18CrNi8而言，由于Cr、Ni含量多，淬透性极高，因而热处理工艺很难控制，同时价格也较高，直接对其国
14、产化并不是最佳方案。国内工程机械用的大模数重负荷齿轮一般沿用前苏联的18Cr2Ni4WA，尽管使用效果良好，但价格昂贵，不适于用作汽车齿轮材料。从国内齿轮钢牌号来看，20CrNi3与18CrNi8有相近之处，但淬透性远不如18CrNi8，价格也较高，因此使用20CrNi3做大模数汽车齿轮只能是权宜之计。根据国内重型汽车的使用现状分析，超载使用和路况较差这两个问题较为严重，而且短期内无法克服，这就使齿轮经常承受较大的过载冲击载荷。过载冲击载荷介于疲劳强度和断裂应力之间，它对齿轮使用寿命有很大影响，往往造成齿轮早期失效。我们对斯达斯太尔车早期失效齿轮的分析结果也证实了这一观点。因此，在选择齿轮材料
15、时必须考虑材料的抗过载能力。渗碳钢的抗过载能力主要决定于心部强度和其有关的韧性指标。大量试验表明，临界过载负荷和冲击断裂应力与渗碳钢的断裂韧性有关，因此能提高材料韧性的合金元素如Ni、Mo均可以提高材料的抗过载能力。尽管17CrNiMo6钢的常规性能较好，但当渗碳层达1mm时的无缺口冲击试样的冲击韧性比Cr-Ni钢低近10倍。从这一点来说，大模数重负荷汽车齿轮应当选择Cr-Ni或Cr-Ni-Mo系钢。国外试验证明，渗碳钢表层淬火时出现过冷奥氏体分解产物是降低齿轮疲劳抗力的根本原因，而内氧化恰恰促进了这一过程的出现。为了减轻内氧化的影响，应适当降低钢中的Cr、Mn含量，增加Mo含量，以改善材料表
16、层淬透性，同时使硬度梯度分布合理。根据上述分析，我们认为Cr-Ni-Mo系钢更适合用于大模数重负荷汽车齿轮。参照国外牌号分析，我们认为德国的17CrNiMo6钢可以作为首选钢种。从性能上讲，它完全能够满足使用要求，而且工艺性优于18CrNi8钢;与国内的20CrNi3相比，17CrNiMo6不仅淬透性好，而且含Ni量低，价格也相应降低，这符合汽车齿轮钢的发展方向。国外的使用情况表明，17CrNiMo6不仅能用作汽车齿轮钢，也可以替代国内的18Cr2Ni4WA钢用于生产工程机械用大模数重负荷齿轮，因而是大有发展前途的钢种。4.2 热加工工艺设计4.2.1 正火选择的变速箱齿轮，它的直径大约是20
17、0mm，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17CrNiMo6。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1所示。标准系列中温箱式电阻炉技术数据如表1所示。图1 中温箱式炉结构图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；表1 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（RX
18、3-9）RX3-15-91538019506003002502.580RX3-30-93950450350200齿轮在箱式炉中的热处理为了让齿轮在箱式炉中受热均匀，可以用耐火材料制成料架放进箱式炉中，然后将齿轮放在架子上，进行加热。4.2.2 渗碳升温装炉。将空炉升温至600，启动风扇，在800开始滴入渗剂，到渗碳温度930即可装炉工件装炉后，肯定会导致炉温下降，此时应控制炉子的升温速度，使工件各部分之间不产生明显的温差。17CrNiMo6钢是亚共析钢，原始组织为铁素体+珠光体，当温度超过Ac1线时，珠光体转变为奥氏体，该转变的驱动力为珠光体与奥氏体的自由焓差。当温度超过Ac3线时，会发生铁素
19、体与奥氏体之间的相互转变。当奥氏体晶核在铁素体的相界面上形成后，就出现了奥氏体A与原始组织之间的新界面：A/P、A/F。奥氏体晶核的长大时通过渗碳体的溶解、碳原子在奥氏体中的扩散，以及奥氏体两侧的界面向铁素体和渗碳体推移来实现的。奥氏体的长大速率受碳的扩散控制。具有面心立方晶格的Ni、Mn、Cu等元素以及C会扩大奥氏体相区，Cr、Ti会缩小奥氏体相区。17CrNiMo6钢是本质细晶粒钢，奥氏体晶粒比较细，热处理后强度较高，塑性、韧性也比较好。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是渗碳
20、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，使炉内较快形成还原性气氛或渗碳性气氛。若用煤油排气，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。滴量的大小应根据炉子的容积来确定。排气阶段的时间，通常是炉子达到渗碳温度后再延续3050min，以便完全清除炉内的CO2、H2O、O2等氧化脱碳性气体。当滴入渗碳剂时，应打开排气孔进行排气，将废气点燃。待炉温达到900时，加大渗碳剂的滴量，加速排气，至CO2体积分数小于0.5%是排气结束渗碳阶段。此阶段的作用是渗入碳原子，并获得一定深度的渗层。主要分为三个阶段：渗碳介质的分
21、解、工件对碳原子的吸收、碳原子的扩散。第一阶段分解阶段是指渗碳剂通过反应，形成了渗入钢表面的活性碳原子。这里是煤油在930时发生分解反应，分解后产生CO、CH4、CnH2n+2、CnH2n、H2、CO2、O2、N2等气体，其中CO为弱渗碳气体，CH4为强渗碳气体，在930是，会在工件的表面进一步分解，形成渗入能力很高的活性碳原子。第二阶段吸收阶段是活性碳原子C被工件表面吸附、吸收的过程。在吸碳期间，需要煤油提供足够的活性碳原子，有利于工件表面对碳原子的吸收，活性碳原子少了的话会使工件表面含碳量降低，活性碳原子太多，则多余的碳原子又会结合成分子溢出，形成炭黑，影响渗碳的正常进行。吸收期也要控制好
22、炉压，将煤油的滴量适当减少，保证渗碳所需要的碳势，形成表面碳浓度较高的碳层。第三阶段扩散阶段工件表面吸收了活性碳原子，碳浓度大大提高，沿着碳梯度的下降逐渐向内部渗入，完成工件表面的碳成分的变化。在扩散阶段，若吸收的活性碳原子数量小于扩散的数量，会造成表面碳含量达不到要求，扩散速度会减慢。因此，扩散速度直接影响到整个渗碳过程的周期。此为渗碳的过程。在排气结束后，进入渗碳阶段，放入试棒，关好试棒孔。调整渗剂滴量，调整炉内压力为200500Pa。排气管的废气火焰应稳定，呈浅黄色，长度在80120mm之间，无黑烟和火星。根据火焰燃烧的状况可判断炉内的工作情况，若火焰中出现火星，说明炉内炭黑过多；若火焰
23、过长，尖端外缘呈白亮色，说明渗碳剂供给量太多；火焰太短，外缘为透明的浅蓝色，表面渗碳剂供给量不足或是炉子漏气。使用RQ系列气体渗碳炉进行渗碳时，推荐采用煤油与甲醇作滴注剂，并保持清洁，使用时，根据渗碳过称各阶段的碳势需要，以两者不同的比例分别滴入。一般情况下，排气阶段不滴煤油，强渗阶段不滴甲醇，扩散阶段煤油与甲醇以21（体积比）滴入。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1.01.2cm3/h的渗剂为宜。在升温和保温时，不同的炉型，滴入量也不同。表2是RQ3-25-9型井式炉中渗碳煤油的滴量。表2 RQ3-25-9井式炉中渗碳 煤油的滴
24、量渗碳层深度工件渗碳总面积/cm2滴入量（滴/分钟）说 明阶 段20.81.21000060强渗后，按第二阶段供给10000200008565单个齿轮的齿表面渗碳面积为314cm2，每炉放6个工件，总面积小于10000cm2，所以第一阶段滴入量为小于80滴每分钟，第二阶段滴入量为小于60滴每分钟。冷却阶段。在渗碳阶段结束前3060min，检查炉前试棒的渗层深度，以确定降温的开始时间。检查方法有断口目测法和炉前快速分析法。断口目测法是将渗碳试棒从炉中取出，淬火后打断，观察断口，渗碳层呈白色瓷状，未渗碳部分为灰色纤维状，交界处的碳的质量分数月为0.4%，用读数放大镜测量表面至交界处的厚度。或将试棒
25、断口在砂轮上磨平，用4%（质量分数）的硝酸酒精溶液侵蚀磨面，几秒钟后会出现黑圈。黑圈的厚度即可近似的代表渗碳层的深度，也用个读数放大镜测量。当将至规定的温度后，工件出炉。吊车一件一件的吊出托盘。然后是下一步的热处理，可以预冷，保温一段时间直接放入油中淬火，也可以在空气中散开冷却，再淬火，此时的冷却过程中，工件的表面，即齿表容易氧化脱碳，形成贫碳层，会影响其实用性能，因此可以向冷却坑中倒入一些煤油或者酒精，也可以用喷雾加速冷却，来减少表面的脱碳。渗碳过程中，为防止产生炭黑和加速扩散，可以通入少量的氨气。渗碳后的表层组织为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。图2 齿轮
26、在井式炉中的渗碳工艺曲线4.2.3 淬火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17CrNiMo6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。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。4.2.4 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
27、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。回火时间一般为13小时。表3 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10
28、0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，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。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。表4 低温箱式电阻炉技术数据型号功率/kW工作温度/RX3156650RX37567518009005501200KH950370127610601100700KH861721004.2.5 喷丸处理喷丸处理不仅是一个清洁工序，而且对齿轮的使用性能也有较大影响，但只有当喷丸时间足够长的情况
