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

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