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1、攀枝花学院学生课程设计（论文）题 目：汽车变速箱齿轮钢的选择及热加工工艺设计学号:学生姓名:所在院（系）:材料工程学院业:材料科学与工程级:教师:职称：副教授2015年12月21日攀枝花学院教务处制攀枝花学院本科学生课程设计任务书汽车变速箱齿轮钢的选择及热加工工艺设计1课程设计的目的使学生融会贯通机械设计基础、金属热处理、金属力学性能、冶金概论、金属材料成 型工艺及设备、金属材料学、金属热处理设备与车间设计、科技文献检索等课程理论知识; 培养学生检索科技文献的能力；培养学生综合运用所学知识分析问题和解决问题的能力。2、课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）1、重型卡车变速箱
2、齿轮的服役条件和力学性能要求分析。2、重型卡车变速箱齿轮的加工工艺流程分析。3、重型卡车变速箱齿轮用钢的选择及热加工工艺设计。4、按学校及材料工程学院关于课程设计的相关要求提交设计说明书。3、主要参考文献1陆兴，刘世程，王德庆.热处理工程基础M.北京：机械工业出版社， 吴承建，陈国良，强文江.金属材料学M.2版.北京：冶金工业出版社， 唐代明，王小红，皮锦红.金属材料学M.成都：西南交通大学出版社， 孙智，倪宏昕，彭竹琴.现代钢铁材料及其工程应用M.北京：机械工业出版社，2007马鸣图.先进汽车用钢M.北京：化学工业出版社，20082007200920144、课程设计工作进度计划布置课程设计任
3、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第12天：能要求分析。重型卡车变速箱齿轮的加工工艺流程分析。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第34天：第57天：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，丄作刻苦努力，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7按期圆满完成规
4、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5能正确设计实验方案，独立进行装置安装、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5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
5、、技 术经济分析能力）10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5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。10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10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 月曰题目名称课程设计（论文）指导教师成绩评定表汽车变速箱齿轮钢的选择及热加工工艺设计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 其中重型汽车齿轮由于模数差距大、 承受负荷重、
6、对材料和热处 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1 引言随着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。 生了巨大变化。 理工艺要求高， 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
7、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 重型卡车变速箱齿轮的加工工艺流程
8、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 C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
9、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30C 50C，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Ai550C温度范围内分解为珠光体，在550C- M
10、s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。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
11、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
12、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。
13、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-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，
14、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 SAE86 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
15、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，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 16M
