20CrMO热处理工艺设计

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1、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、构造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、是机械产品重要根底零件。它 与带、链、摩擦、液压等机械相比具有功率围大，传动效率高、圆周速度高、传动比准确、 使用寿命长、尺寸构造小等一系列优点。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。由于齿轮在工业开展中的突出地位，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

2、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开展提出了紧迫需求，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年将到达200万吨。20CrMo钢作 为一种典型的低合金渗碳构造钢在工程中广泛用于制造轴类、齿轮类零件。由于齿轮的工作条件复杂，所以要求齿轮既要具有优良的耐磨性又要具备高的抗接触 疲劳和抗弯曲疲劳性能。在齿轮热处理工艺显著提高的背景下，我国已能自行生产各类高参数的齿轮。但我国 齿轮的质量与其他兴旺国家的同类产品相较还是具有一定

3、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。要提高齿轮的质量，除了要选材适宜之外， 必须对材料的热处理工艺进展优化，通过新工艺和新设备引进吸收和自主创新，实现齿轮 热处理工艺朝节能、环保、智能化方向开展。本设计是在课堂学习热处理知识后的探索和尝试，其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。# / 181齿轮热处理概述12齿轮热处理工艺设计22.1齿轮的服役条件、失效形式及性能要求2服役条件、失效形式2性能要求22.2齿轮材料的选择22.320CrMo齿轮的热处理工艺设计32.3.1 20CrMo的工艺流程32.3.2

4、 20CrMo的热处理工艺设计 42.420CrMo齿轮的热处理工艺理论根底52.5.1 20CrMo的正火工艺理论根底 62.5.2 20CrMo的气体渗碳工艺理论根底 72.5.3 20CrMo渗碳后淬火工艺原理根底82.5.4 20CrMo回火工艺理论根底92.6选择设备、仪表和工夹具9设备92.6.2 仪表 11设计工夹具1212132.7 20CrMo齿轮热处理质量检验工程、容及要求2.8 20CrMo齿轮热处理常见缺陷的预防及补救方法马氏体粗大及奥氏体过量13碳氮化合物过量13渗层不均匀13热处理畸变132.9热处理工艺卡14正火工艺卡19渗碳工艺卡202.9.3 20CrMo淬火

5、工艺卡212.9.4 20CrMo回火工艺卡223.参考文献231齿轮热处理概述齿轮或一般都要承受交变载荷甚至冲击载荷，接触应力大，齿面易磨损。因此，对 齿轮的要外表硬且耐磨，心部强而韧，具有高的抗疲劳强度，外表不崩裂，不压陷，不 点蚀，为了满足这些性能的要求，常常采用低碳钢经正火、渗碳、淬火加低温回火的热 处理工艺。正火是一次预备热处理，主要目的是为了提高钢的硬度，便于钢坯的切削加工。渗碳 的目的是提高工件外表材料的含碳量， 以便在后续淬火工序中得到高的外表硬度， 同时保 持芯部韧性，淬火的目的是使过冷奥氏体进展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，以大幅提高

6、钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及 韧性等，回火目的是减低或消除淬火钢件中的应力， 或降低其硬度和强度，以提高其延性 或韧性，提高零件尺寸的稳定性。通过齿轮的热处理的分析，更加明确在执行热处理工艺过程中所需要注意的问题。 能够正确确定加热温度、时间，保温时间，冷却方式，其目的就是通过正确的热处理工 艺，使金属材料的潜在能力得到充分的发挥。根据齿轮的工作条件，失效形式及性能要求，本设计选择 20CrMo钢作为渗碳齿轮 材料；在设计正火-渗碳-淬火-低温回炽热处理工艺中，借鉴了 ？热处理工程师手册?，? 钢的热处理?，?金属材料学?，?机床零件用钢?，?齿轮热处理译文集？等。根据工艺设计 的理论

7、根底设定了完整的热处理工艺流程，使热处理的20CrMo齿轮外表除具有高硬度， 高耐磨性外高的疲劳强度，还要使心部具有高的强度和韧性，从而满足齿轮的质量要求。# / 182齿轮热处理工艺设计2.1齿轮的服役条件、失效形式及性能要求服役条件、失效形式齿轮工作时，全部扭矩作用在啮合的轮齿的齿根上，使其承受很大的弯曲应力和交变应 力，而且是周期性地作用于每一个轮齿上，使其承受复交变应力的作用。齿轮在啮合传 递扭矩的过程中转速变化围广，齿轮外表承受较大的接触应力，并在高速下承受强烈的 摩擦力。齿轮有时在过载和强烈冲击条件下工作，使齿轮出现多种不同的失效形式如下：1接触疲劳：在齿面上出现浅层麻点和深层剥落

8、。主要发生在高速长时间运行之后。2. 弯曲疲劳：局部或整个牙断裂。主要出现在过载、冲击的使用条件下。3. 磨损：齿面相互滑动造成的擦伤和磨损。主要发生在载荷过大、转速较低的情况下。 此外，变速箱齿轮端部会发生撞击磨损。性能要求外表要求耐磨，心齿硬度为58-63HRC齿根硬度为33-45HRC其余力学性能要求为：抗拉 强度c b 1000MPa；屈服强度os： 490MPa伸长率 S 5 (%) 11;断面收缩率 书(%) 45 ;冲击功Akv (J): 55;冲击韧性值 okv (J/cm2): 692.2齿轮材料的选择1. 根据齿轮的承载能力：具体齿轮材料的选用主要是根据齿轮工作时载荷的大小

9、、转速的上下及齿轮的精度 要求来确定的。载荷大小主要是指齿轮传递转矩的大小。通常以齿面上单位压应力作为 衡量标志。一般分为：轻载荷、中载荷、重载荷和超重载荷。齿轮工作时转速越大，齿面和齿根受到的交变应力次数越多、齿面磨损越严重。因此可以把齿轮转动的圆周速度V的 大小作为材料承受疲劳和磨损的尺度。一般分为低速齿轮(19 m/ s)、中速齿轮(610m/ s)、高速齿轮(1015 m/ s)。齿轮的精度高，那么齿形准确，公差小，啮合严密，传动平 稳且无噪声。机床齿轮精度一般为68级(中、低速)和812级(高速)。拖拉机小齿 轮精度一般为68级。2. 根据齿轮的失效形式：由齿轮的失效形式可知齿轮的根

10、本要求为：1齿面应有足够的硬度；2齿芯应有足够的强度和韧性；3应有良好的加工工艺性能及热处理性能3. 根据齿轮的工作条件来选择：对于一般比拟简单的小磨具渗碳齿轮，心部主要保证有足够的韧性，采用低碳钢即 可，但对于受载荷较大的齿轮来说，不仅仅要求心部有足够的硬度，外部还要有高的强 度。常见用来制作齿轮金属的金属材料为锻钢软齿面，硬齿面，铸钢，铸铁，齿轮 它的受力较大、受冲击较频繁因此对材料要求较高。由于弯曲与接触应力都很大，所以重要齿轮都需要渗碳、淬火处理以提高耐磨性和疲劳抗力。为了保证心部有足够的强度及 韧性、材料的淬透性要求较高，心部硬度应在HRC35-45。所以选择20CrMo作为制造齿轮

11、 的材料。通过查找？热处理手册？获得20CrM o的C曲线：5 to0 bQ O4 12W10时KK搠图1-2-147 ZOCrMo钢逛续洽却转燮曲线邛2.320CrMo齿轮的热处理工艺设计2.3.1 20CrMo的工艺流程1下料-毛坯锻造-正火-加工齿形-渗碳-预冷淬火-低温回火-喷丸-磨齿2. 锻造工艺设计造齿轮轴的毛坯经过锻造后获得根本的形状。锻造是利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形，已获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸 的锻件的加工方法。齿轮轴的锻造工艺与齿轮相差不大，用棒料镦经切削加工制成的齿 轴，其纤维组织弯曲呈放射状，所有齿部的正应力都平行于纤维组织的方向，力学性

12、能 得到很大的提高。？热查阅处理工艺规数据手册？可以找出20CrMo钢的锻造工艺的加热温 度、始锻温度冷却方式，本设计具体的锻造工艺参数如下表所示20CrMo钢的热加锻造工艺规图工程加热温度始锻温度终锻温度钢坯1200 C12401260C750 C经锻造将获得最大外径约是88mm，高26mm的齿坯，采用缓冷。以下图是20CrMo齿轮零件图图220CrMo拖拉机齿轮零件图2.3.2 20CrMo的热处理工艺设计1. 正火处理正火处理可消除齿轮部过大的应力，目的是为了细化晶粒、改善组织，增加齿轮的韧 性、改善材料的切削性能，为最终热处理做好准备。2. 20CrMo的渗碳处理：常用的渗碳方法有：固

13、体渗碳、液体渗碳、气体渗碳。气体渗碳最为常用其所用渗 剂的原始状态可以是气体，也可以是液体如煤油。但在化学热处理炉均为气态。对所用渗剂要求能易于分解为活性原子，经济，易于控制，无污染，渗层具有较好性能。由于 含碳量低，塑性和韧性较高，硬度和耐模性差，所以使用气体外表渗碳热处理，在外表 层可获得板条状的马氏体体组织，即高硬度到达 58HRC以上，但心部仍然是较高塑性和 韧性，硬度为33-45HRC屈服强度os： 49(MPaf申长率 S 5 (%) 113. 淬火处理面获得高硬度、强度、耐磨性和抗接触疲劳性能，心部仍高强韧性。要求淬火后心齿硬度为58-63HRC齿根硬度为33-45HRQ其余力学

14、性能要求为：抗拉强度o b 1000MPa； 屈服强度os： 49CMPaf申长率 S 5 (%) 11。4低温回火回火可以降低应力，稳定组织和尺寸，大大提高韧性和得到良好的综合力学性。抗拉强度o b 1000MPa；屈服强度os：至85伸长率 S 5 (%) 11;断面收缩率 书(%) 45;冲 击功 Akv (J): 55;冲击韧性值 okv (J/cm2): 69(7)圖)Hta2.420CrMo齿轮的热处理工艺理论根底的正火工艺理论根底1.正火目的：降低材料的硬度，便于切削加工，去除材料的应力和组织硬化现象，为下一步的渗 碳处理做准备。2.正火温度的选择：20CrMo约为825C，为促

15、使奥氏体均匀化，增大过冷奥氏体稳定性，选择的加热温度在 930950 C。、 一厉兀石7.UKibei72pOoj UG*230 *Ca丄！_图4铁碳相图3加热方法及保温时间:采用到温加热的方法，是指当炉温加热到指定温度时，再将工件装进热处理炉进展 加热。这样做的原因是防止金属组织的出现不需要的相转变，加热速度快，节约时间。 便于小批量生产。选定的依据：加热时间可按以下公式进展计算： t=ax KX D,式中t为加热时间min丨，K 为反映装炉时的修正系数，可根据表2.2取K为1.4。a为加热系数min/mm，加热系数a可根 据钢种与加热介质、加热温度进展取值，参数见表 2.3。D为工件的有效厚度mm，由公 式可知，工件厚度=工件最厚处直径+工件最薄处直径/2。可得 t=a X KX Do4. 冷却方式：出炉后空气冷却。正火组织：细珠光体+铁素体2.4.2 20CrMo的气体渗碳工艺理论根底渗碳的目的：渗碳后进展淬火与回火，使其心部保持良好的韧性的