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1、 .wd.J I 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-汽车变速箱齿轮热处理工艺设计1. 零件图图1 变速箱齿轮示意图2. 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，齿轮外表受到很大的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。
2、因此，齿轮的外表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。高速高载齿轮技术要求如下：齿表硬度：5056HRC渗碳层深度为：1.01.2mm3. 材料选择高速、高载、承受较大冲击载荷的齿轮，一般采用低碳合金渗碳钢或碳氮共渗钢，工作时外表承受很大的接触疲劳应力和摩擦力的作用，高速转动承受一定的冲击力或过载。3.1材料比拟及选择齿轮常用材料有20CrMnTi,20CrMo,20Cr,40Cr1) 20CrMnTi是性能良好的渗碳钢，淬透性较高，经渗碳淬火后具有硬而耐磨的外表与坚韧的心部，具有较高的低温冲击韧性，焊接性中等，正火后可切削性良好。用于制造截面30mm的
3、承受高速、中等或重载荷、冲击及摩擦的重要零件，如齿轮、齿圈、齿轮轴十字头等。是18CrMnTi的代用钢，广泛用作渗碳零件，在汽车.拖拉机工业用于截面在30mm以下，承受高速.中或重负荷以及受冲击.摩擦的重要渗碳零件，如齿轮.轴.齿圈.齿轮轴.滑动轴承的主轴.十字头.爪形离合器.蜗杆等。2) 20CrMo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) 20Cr有较高的强度及淬透性，在油中临界淬透直径
4、达4 22mm，在水中临界淬透直径达1140mm，但韧性较差，此钢渗碳时仍有晶粒长大倾向，降温直接淬火对冲击韧性影响较大，所以渗碳后需二次淬火以提高零件心部韧性，无回火脆性；钢的冷应变塑性高，可在冷状态下拉丝；可切削性在高温正火或调质状态下良好，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，但厚度大于15mm的零件在焊前需预热到100150，焊后也可不进展回炽热处理。4) 40Cr中碳调质钢，冷镦模具钢。该钢价格适中，加工容易，经适当的热处理以后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性。正火可促进组织球化，改良硬度小于160HBS毛坯的切削性能。在温度550570进展回火，该钢具有最正
5、确的综合力学性能。这种钢经调质后用于制造承受中等负荷及中等速度工作的机械零件；经淬火及中温回火后用于制造承受高负荷、冲击及中等速度工作的零件；经淬火及低温回火后用于制造承受重负荷、低冲击及具有耐磨性、截面上实体厚度在25mm以下的零件；经调质并高频外表淬火后用于制造具有高的外表硬度及耐磨性而无很大冲击的零件。此外，这种钢又适于制造进展碳氮共渗处理的各种传动零件。通过使用性能，工艺性能及经济性的比拟选用20CrMnTi钢，由于钢中含有Cr能够提高淬透性，Cr还是碳化物形成元素，提高回火稳定性；Mn能增加钢的强度和硬度，还有脱硫的成效，也能提高钢的淬透性；Ti是强碳化物形成元素，在钢中生成MC型碳
6、化物，对提高钢的耐磨性和细化晶粒有一定的好处。20CrMnTi钢采用渗碳+淬火+低温回火，齿轮外表可以获得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。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。淬炽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。钢中合金元素为Cr1.5、Mn1.5、Ti850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. 加工路线及工艺工艺路线：锻造正火
7、齿形加工渗碳淬火低温回火喷丸校正花键孔磨齿4.1工艺比拟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680700高温回火即调质来替代原来的正火。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200HB3
8、30HB，切削性能较好。调质钢与正火钢相比不仅强度较高，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
9、温度范围内，因转变温度较低转变为贝氏体组织，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。综上，对于汽车变速箱齿轮采用正火工艺作为预备热处理。2 化学热处理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外表硬化工艺，国外已实现通过计算机可控渗碳深度和外表硬度，从而
10、得到最正确的渗碳层深度和最小的变形。碳氮共渗工艺碳氮共渗工艺具有在给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。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3
11、0。然而，渗氮工艺由于温度低、畸变小以及加工工序少而使本钱降低的优点，近年来在齿轮上的应用比拟广泛。综上，本次采用气体渗碳传统工艺作为化学热处理。4.2 工艺设计4.2.1 正火温度：930时间：保温3个小时组织：片状珠光体+铁素体硬度：齿轮的外表硬度为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左右。考虑到中温炉在中温测量时比拟准确，因而选用中温箱式炉。构造图如图2所示。标准系列中温箱式电阻炉技术数据如表3所示。图2 中温箱式炉构造图1炉壳；2炉衬；3热电偶；4炉膛；5炉门；6炉门升降构造；7电热元件；8炉底板；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(RX3-9Q)RX3-15-915380195060030025052.580RX3-30-930380395095045035072.5200表3 标准系列中温箱式电阻炉技术数据根据我选择的齿轮大小，正火选用的电阻炉为RX3-15-9。装炉量：6个齿轮在箱式炉中的热处理 为了
