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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 54.4 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、
2、 摩擦、液压等机械相比具有功率范围大，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
3、了新的要求。据权威部门 预测 2012 年将达到200 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
4、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：5863 HRC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, 18Cr2N
5、i4WA错误!未找到引用源。20Cr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。错误!未找到引用源。20CrMnTi20CrMnTi是性能良好的渗碳钢，淬透性较高，经渗碳淬火后具 有咼的强度和韧性，特别是具有较咼的低温冲击韧性，切削加工性良 好，加工变形小，抗疲劳性能好。错误!未找到引用源。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
6、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CCrMnTiSiSPNiCuk 士元素含量0.171.000.800.040.17WWWW(wt%0.030.030.30.3）0.231
7、.301.100.100.3755004.3.2 化学元素作用错误!未找到引用源。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。错误!未找到引用源。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。错误!未找到引用源。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。错误!未找到引用源。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。错误!未找到引用源。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。错误!未找到引用源。
8、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 相变临界点临界温度/c锻造加工温度/c正火Ac】AC3Ms加热始锻温度冷却硬度Ar1AlMf终锻/c/cHBW牌号20CrMnTi730820360120011601200930空冷1566907951240850950207淬火回火温度淬火硬度不同温度回火后的硬度值HRC/C介质HRC150 C200 C300 C400 C500 C550 C600 C650 C860油424643414039353025175. 齿轮加工制作工艺5.1 传统的齿轮材料的
9、工艺路线下料f锻造f正火f齿形加工f渗碳f淬火f低温回火f喷丸f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。正常加热冷却情况下， 工件加热到860C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：860C渗碳后的齿轮温度在930C左右，此时可以将齿轮留在渗碳炉中 冷却，即预冷，冷却到860C时，保温一段时间
10、，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30C50C。根据渗碳后齿轮的 表层含碳量的分布状况及实践经验从930C预冷到860C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
11、。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：t = a*K*D式中：t，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，mm。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/mmV 600 C 箱式炉中加热750850C盐
12、炉中加热或预热800900C箱式炉或井 式炉中加热10001300 C高温盐炉中加热碳钢合金钢高合金钢咼速钢5000.3 0.41.0 1.20.4 0.51.2 1.50.45 0.501.2 1.50.50 0.550.3 00.40 0.3 0 0.350.30 0.351.5 1.80.17 0.20.16 0.18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t =aKD =155min2.5h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
13、工艺5.3.1 正火温度：930C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 C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；标准系列中温箱式电阻炉
14、技术数据型号功率/kw电压/v相数最咼工 作温度/C炉膛尺寸 （长X宽 X 高）/mmRX (RX3-O -9Q)RX3-15-9153801950600X300X250RX3-30-9303803950950 X 450X35057空炉损 耗功率/kw炉温850C时的指标空炉升温时间/h最大装载量/kg2.52.580200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，采用甲醇一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8060140 -20-温度渗碳温度:920 土 10C依据：渗碳温度在Ac3以上，考虑碳在钢中的扩散速
