齿轮热处理

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1、1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、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

2、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。齿轮是机械工业

3、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： (1)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。齿轮常用材料有 20Cr，20CrMnTi, 18Cr2Ni4WA。 20Cr有较高的强度及淬透性，

4、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。 20CrMnTi20CrMnTi是性能良好的渗碳钢，淬透性较高，经渗碳淬火后具有高的强度和韧 性,特别是具有较高的低温冲击韧性，切削加工性良好，加工变形小，抗疲劳性能好。 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

5、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。2预氧化的作用与目的2.1 预氧化的作用预氧化使工件表面获得一层致密结构的氧化薄膜 (3Fe+2o2-Fe304),其再随 后的渗碳初期被渗碳气氛还原，生成洁净的初生态的铁(Fe304+2C -3Fe+2C02), 呈现出很高的化学活性，产生大量能够吸附渗剂的活性位置。同时，工件表面轻度氧 化，可适当提高工件表面粗糙度，形成微孔，人为增加表面缺陷，还可提供位错露头、 台阶和各种表面缺陷

6、，形成具有较低“势垒”的活性中心，使渗剂的被吸附概率和吸 附量大大增加，从而加快活性碳原子渗入过程和表面碳浓度梯度的形成，有效地提高 零件的吸碳活性，适应新型渗碳工艺要求，获得合格的渗碳性能。2.2 渗碳前预处理目的 零件进炉渗碳前加以预热，同时还能烧掉未清洗掉的油脂，不容易形成炭黑； 使氧气与铁发生反应，生成 Fe3O4 膜，提高渗碳零件表面活性，加快钢件表面吸附碳原子速度，可以提高渗碳速度和均匀性； Fe3O4是一层致密氧化膜，可以防止进一步的氧化和脱碳。 消除应力，减少变形(500 时效果不明显，550-600 去应力较好，超过 500 易被氧化，造成氧化脱碳。预氧化本身不是为了去应力。

7、间接如果为了去应 力，应该选用较高 Fe3O4是一层致密氧化膜，可以防止进一步的氧化和脱碳。 消除应力，减少变形(500 时效果不明显，550-600 去应力较好，超过 500 易被氧化，造成氧化脱碳。预氧化本身不是为了去应力。间接如果为了去应 力，应该选用较高温度、加保护气体氮气好些)3渗碳的工艺介绍及原理3.1渗碳的工艺介绍渗碳：是对金属表面处理的一种，采用渗碳的多为低碳钢或低合金钢，具体方法 是将工件置入具有活性渗碳介质中，加热到900-950摄氏度的单相奥氏体区，保温足 够时间后，使渗碳介质中分解出的活性碳原子渗入钢件表层，从而获得表层高碳，心 部仍保持原有成分。相似的还有低温渗氮处理

8、。这是金属材料常见的一种热处理工 艺，它可以使渗过碳的工件表面获得很高的硬度，提高其耐磨程度。图1渗碳工艺介绍也是使低碳钢的工件具有高碳钢的表面层，再经过淬火和低温回火，使工件的表 面层具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性。渗碳工件的材料一般为低碳钢或低碳合金钢(含碳量小于0.25%)。渗碳后，钢件 表面的化学成分可接近高碳钢。工件渗碳后还要经过淬火，以得到高的表面硬度、高 的耐磨性和疲劳强度，并保持心部有低碳钢淬火后的强韧性，使工件能承受冲击载 荷。渗碳工艺广泛用于飞机、汽车和拖拉机等的机械零件，如齿轮、轴、凸轮轴等。渗碳工艺在中国可以上溯到2000年以前。最早是

9、用固体渗碳介质渗碳。液体和渗 碳是在20世纪出现并得到广泛应用的。美国在20年代开始采用转筒炉进行气体渗碳。 30年代，连续式气体渗碳炉开始在工业上应用。60年代高温(9601100C )气体渗碳 得到发展。3.2渗碳的原理1. 渗碳与其他化学热处理一样，也包含3个基本过程。2.1分解：渗碳介质的分解产生活性碳原子。2.2吸附：活性炭原子被钢件表面吸收后即溶到表层奥氏体中，使奥氏体中含碳 量增加。2.3扩散：表面含碳量增加便与心部含碳量出现浓度差，表面的碳遂向内部扩 散。碳在钢中的扩散速度主要取决于温度，同时与工件中被渗元素内外浓度差和钢中 合金元素含量有关。渗碳零件的材料一般选用低碳钢或低碳

10、合金钢（含碳量小於0.25%）。渗碳后必须 进行淬火才能充分发挥渗碳的有利作用。工件渗碳淬火后的表层显微组织主要为高硬 度的马氏体加上残余奥氏体和少量碳化物，心部组织为韧性好的低碳马氏体或含有 非马氏体的组织，但应避免出现铁素体。一般渗碳层深度范围为0.81.2毫米，深度 渗碳时可达2毫米或更深。表面硬度可达HRC5863,心部硬度为HRC3042。渗碳淬 火后，工件表面产生压缩内应力，对提高工件的疲劳强度有利。因此渗碳被广泛用以 提高零件强度、冲击韧性和耐磨性，借以延长零件的使用寿命。3.3 碳浓度的高低及防止方法1. 碳浓度过高和防止方法产生原因及危害：如果渗碳时急剧加热，温度又过高或固体

11、渗碳时用全新渗碳剂, 或用强烈的催渗剂过多都会引起渗碳浓度过高的现象。随着碳浓度过高，工件表面出 现块状粗大的碳化物或网状碳化物。由于这种硬脆组织产生，使渗碳层的韧性急剧下 降。并且淬火时形成高碳马氏体，在磨削时容易出现磨削裂纹。防止的方法： 不能急剧加热，需采用适当的加热温度，不使钢的晶粒长大为好。如果渗碳时 晶粒粗大，则应在渗碳后正火或两次淬火处理来细化晶粒。 严格控制炉温均匀性，不能波动过大，在反射炉中固体渗碳时需特别注意。渗碳零件的材料一般选用低碳钢或低碳合金钢（含碳量小於0.25%）。渗碳后必须 进行淬火才能充分发挥渗碳的有利作用。工件渗碳淬火后的表层显微组织主要为高硬 度的马氏体加

12、上残余奥氏体和少量碳化物，心部组织为韧性好的低碳马氏体或含有 非马氏体的组织，但应避免出现铁素体。一般渗碳层深度范围为0.81.2毫米，深度 渗碳时可达2毫米或更深。表面硬度可达HRC5863,心部硬度为HRC3042。渗碳淬 火后，工件表面产生压缩内应力，对提高工件的疲劳强度有利。因此渗碳被广泛用以 提高零件强度、冲击韧性和耐磨性，借以延长零件的使用寿命。2. 碳浓度过低和防止方法产生的原因及危害：温度波动很大或催渗剂过少都会引起表面的碳浓度不足。最 理想的碳浓度为0.91.0%之间，低于0.8%C,零件容易磨损。由于在实际生产中几乎 不会出现碳浓度过低现象，即使出现后期也很难处理，冷冻处理

13、可以提高硬度。3. 渗碳的工艺发展渗碳工艺是一个十分古老的工艺，在中国，最早可上溯到2000年以前。起先是用 固体渗碳介质渗碳。在20世纪出现液体和气体渗碳并得到广泛应用。后来又出现了真 空渗碳和离子渗碳。到现在，渗碳工艺仍然具有非常重要的实用价值，原因就在于它 的合理的设计思想，即让钢材表层接受各类负荷(磨损、疲劳、机械负载及化学腐蚀) 最多的地方，通过渗入碳等元素达到高的表面硬度、高的耐磨性和疲劳强度耐蚀性， 而不必通过昂贵的合金化或其它复杂工艺手段对整个材料进行处理。4. 气体渗碳的目的气体渗碳是为了增加钢件表层的含碳量和一定的碳浓度梯度，将钢件在渗碳介质 中加热并保温使碳原子渗入钢件表

14、层的化学热处理工艺称为渗碳，渗碳钢一般采用普 通碳钢、优质碳素结构钢和低碳合金结构钢，也可采用Q235钢。开炉前的准备：(1) 渗碳工件表面不应有锈蚀、污垢、裂纹及伤痕等缺陷。(2) 工件表面不需渗碳部分可采用表面镀铜或涂防渗碳涂料防止渗碳，也可在渗碳 后，对不需要渗碳的部分切削去渗碳层。镀铜层的厚度一般应大于0.03mm；防渗碳涂 料的厚度一般应大于0.3mm，要求涂层致密。(3) 采用滴注式渗碳时，渗碳剂一般是RX (形成载气)RX；煤油或丙酮、醋酸乙酯 (形成富化气)，有条件时也可以采用其他方式的可控气氛渗碳。5. 开炉前的注意事项 开炉前检查设备 根据停炉时间和炉罐情况，按工艺文件规定

15、，进行炉罐渗碳。炉罐渗碳时间，对于 新炉罐一般为6-12h，对于旧炉罐一般为2-4h左右。 装炉：a. 将材质相同、渗碳层技术要求相同、渗碳后热处理方式相同的工件，放在同一 炉生产。试样放在料筐的有代表性的位置。每炉装载量和装料高度应小于设备规定的 最大装载量和装料高度。b. 为保证炉内渗碳气氛的循环畅通，使渗碳层均匀，工件间应留有纵横大于5mm 的间隙。C.料筐装入炉内时，要垂直摆放，各层料筐应齐整，不得有间隙，同时悬吊放入 中间试样棒。d.工件入炉后，将炉盖盖紧，不允许有漏气现象，滴入渗碳剂后，应保持炉内压 力为 196-490Pa。4变速器齿轮的热处理工艺分析4.1 变速器齿轮的淬火淬火

16、是把合金加热到固溶体溶解曲线上，保温一段时间，然后以大于临界冷却速 度急速冷却，从而得到过饱和固溶体的热处理方法。淬火的目的：强化钢件,充分发挥钢材性能的潜力.如:提高钢件的机械性能,诸如 硬度、耐磨性、弹性极限、疲劳强度等，改善某些特殊钢的物理或者化学性能，如增 强磁钢的铁磁性，提高不锈钢的耐蚀性等。淬火后对不同合金的性能也有所不同： 对铝合金及大多数有色金属合金而言， 经过淬火，不同合金也有不同。增加，6或V减少。减少，6或V增加 。增加，6或V增加 。、6、V基本不变淬火后性能出现差异的原因：固溶强化与第二相（或称过剩相，表示与固溶 体平衡的其他相）强化之间的差异造成的。若淬火前第二相的强化效果淬火后固溶 强化效果，则淬火后合金强度增加；反