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1、专业课程设计任务书 姓名：吕永丹 班级：材科102 设计题目：汽车发动机齿轮材料的选择及工艺设计 设计内容：1、根据零件工作原理，服役条件，提出机械性能要求和技术要求。2、选材，并分析选材依据。3、制订零件加工工艺路线，分析各热加工工序的作用。4、制订热处理工艺卡，画出热处理工艺曲线，对各种热处理工艺进行分析，并分析所得到的组织，说明组织及性能的检测方法与使用的仪器设备。5、分析热处理过程中可能产生的缺陷及补救措施。6、分析零件在使用过程中可能出现的失效方式及修复措施。目 录1 前言32 汽车发动机齿轮工作条件及性能要求42.1 汽车发动机齿轮工作条件42.2 汽车发动机齿轮的机械性能要求及技
2、术要求42.3 汽车发动机齿轮材料的选择及分析62.3.1 汽车发动机齿轮材料的选择62.3.2 汽车发动机齿轮材料的分析73 汽车发动机齿轮加工工艺83.1 汽车发动机齿轮加工工艺流程及各工序作用83.2 汽车发动机齿轮具体热处理工艺及分析93.2.1 锻造93.2.2 正火10 渗碳+淬火113.2.4 低温回火123.2.5 各热处理工艺后的金相组织分析133.2.6 热处理工艺过程中可能产生的缺陷及处理措施154 汽车发动机齿轮使用过程中可能出现的失效方式及预防措施175 心得体会196 参考文献201前言本课程设计了20CrMnTi适用于汽车发动机齿轮的可靠性。汽车发动机齿轮作为汽车
3、发动机中的重要零部件，其材料是保证其本身工作性能和可靠性的基础。对发动机齿轮的失效形式分析，其主要承受交变载荷，冲击载荷，剪切应力和接触应力大等，因此对齿轮在材料、精度、强度、耐久性和可靠性等方面提出了更高要求。20CrMnTi合金钢是一种优良的渗碳钢，有高的淬透性，经渗碳淬火加低温回火后，表面硬度很高，心部强度和塑性，韧性配合很好。关键词：发动机齿轮，20CrMnTi，锻造，淬火+低温回火2 汽车发动机齿轮工作条件及性能要求2.1 汽车发动机齿轮工作条件发动机和汽车的起动系统、燃油系统、滑油系统、液压系统等主要附件都是由发动机转子通过齿轮传动装置带动的。在整个行驶过程中，齿轮传动都必须可靠地
4、工作，以保证发动机和汽车所有附件的转速、转向和所需功率符合设计要求。随着汽车发动机性能和可靠性要求的不断提高，齿轮承受的交变载荷和剧烈冲击载荷在不断增加，所受应力复杂，工况恶劣。因此，要使齿轮在工作时，从它的失效形式方面的考虑，就必须保证它能在一定的高温环境中工作。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；在运转过程中的过载产生振动，承受一定的冲击力或过载；变
5、速齿轮在换档时，端部受冲击，承受一定冲击力；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。2.2 汽车发动机齿轮的机械性能要求及技术要求根据齿轮的受力情况和失效分析可知 ,齿轮一般都需经过适当的热处理 ,以提高承载能力和延长使用寿命 ,齿轮在热处理后应满足下列性能要求 :高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度 ( 抗疲劳点蚀 ) 。齿面具有较高的硬度和耐磨性 。齿轮心部具有足够的强度和韧性。高的淬透性。20CrMnTi钢属于合金渗碳钢，有高的淬透性，经渗碳淬火加低温回火后，表面硬度很高，心部强度和韧、塑性配合很好，切削加工性能良好，当硬度为HB260320时，相对切削加工性为60%70%
6、。另外，钢退火后硬度低、塑性好。为提高发动机齿轮的耐磨性，齿轮开齿后需要进行渗碳处理，然后再进行淬火和低温回火，从而保证齿轮表面具有高硬度、高耐磨性而心部具有很好的韧性。对20CrMnTi钢的硬度要求 齿面硬度：5864HRC；心部硬度：ms8mm时，3245HRC；ms8mm时，2945HRC。需要进行渗碳，渗碳层深度：ms5mm时，0.91.3mm；5mmms8mm时，1.01.4mm；ms8mm时，1.21.6mm。（ms端面模数）表1 20CrMnTi钢的技术要求试样取样位置力学性能条钢按GB2975，锻件按图样零件表面b MPa9300.2 MPa6855 %11 %50Aku J8
7、8HB217HRC 2845HRC562.3 汽车发动机齿轮材料的选择及分析 2.3.1 汽车发动机齿轮材料的选择22CrMnMo、20CrMnMoH和20CrMoH钢由于有着较高淬透性而用于中型汽车齿轮。此类钢可采用渗碳后直接淬火工艺。由于铬锰钼钢和铬钼钢中含有铬和钼等形成碳化物的元素，在渗碳过程中将促使轮齿表面碳含量增加，容易在渗碳层组织中出现大量碳化物，使渗碳层性能恶化。因此，齿轮采用铬锰钼钢和铬钼钢渗碳时，宜采用弱渗碳气氛，以防止形成过量碳化物。22CrMnMo和20CrMnMoH齿轮锻坯正火后在650670进行高温回火处理，金相组织为细片状珠光体+少量铁素体，硬度为171229HB。
8、20CrMnH齿轮锻坯最好在连续式等温正火炉中处理，935945加热，640650先预冷后等温，可获得均匀的铁素体+珠光体组织，硬度为156207HB。文献指出，20CrMoTi钢冶炼工艺稳定，淬透性带较窄且易于控制，与20CrMnH钢齿轮比较，具有热处理畸变小；渗层有良好、稳定的淬透性；金相组织、渗碳淬火后的表面和心部硬度，均能较好地满足技术要求；疲劳性能好，比较适合汽车中小模数齿轮。20CrMnTi是典型的中淬透性钢，该钢由于Cr、Mn多元复合合金化的作用，淬透性好，油淬临界直径为40mm左右。渗碳后淬火回火具有较高耐磨性和抗弯强度以及高的强韧性，特别是良好的低温冲击韧性，钢的渗碳工艺性较
9、好，晶粒长大倾向小，热处理工艺简单，但高温回火时有回火脆性倾向，渗碳后可直接淬火，变形比较小。20CrMnTi的热加工和冷加工性能较好，正火后硬度为HB180230，相对切削性能好，并可获得光洁的表面。一般可用于制造截面在30mm以下的承受高速、中速及重载荷以及冲击和摩擦的重要渗碳零件，如齿轮、齿轮圈、离合器轴、液压马达转子等。综合考虑齿轮的服役条件，既保证齿轮的疲劳寿命，又减少齿轮的热处理畸变，采用20CrMnTi作为本次课设的汽车发动机齿轮的材料。2.3.2 汽车发动机齿轮材料的分析表2 20CrMnTi的化学成分(质量分数，%)CSiMnPSCrNiCu Ti 0.170.230.170
10、.37 0.801.10 0.0350.035 1.001.30 0.0300.030 0.040.10成分分析：钢的含碳量可保证形成大量的合金碳化物，淬火加热时，一部分融入奥氏体中，提高其稳定性，同时也使马氏体中的合金元素含量增加，保证其硬度；而未溶的碳化物则起细化晶粒、提高韧性的作用并提高钢的耐磨性。Cr是20CrMnTi合金钢中主要的合金元素，它使钢的淬透性大大增加，提高其回火稳定性，并产生二次硬化现象。钛与碳形成高硬度的碳化物，加热时未溶的碳化物可细化晶粒、提高钢的耐磨性的作用。锰和硅是炼钢过程中必须加入的脱氧剂，用以去除溶于钢液中的氧。它还把钢液中的氧化铁还原成铁，并形成氧化锰和二氧
11、化硅。锰除了脱氧作用外，还有除硫作用，即与钢液中的硫结合成MnS,从而在相当大成度上消除硫在钢中的有害影响。这些反应产物大部分进入炉渣，小部分残留与钢中，成为非金属夹杂物。脱氧剂中的锰和硅会有一部分溶于钢液中，冷至室温后即溶于铁素体中，提高铁素体的强度。硅溶于铁素体中后有很强的固溶强化作用，显著提高钢的强度和硬度。Ti也是20CrMnTi合金钢中的主要元素。它的存在提高了钢的强度，而不降低其塑性，改善了钢铁的低温韧性降低了钢铁的临界冷却速度，提高铁的淬透性扩大奥氏体区，是奥氏体化的有效元素 ，此外其本身具有一定耐蚀性，对一些还原性酸类有良好的耐蚀能力。3 汽车发动机齿轮加工工艺3.1 汽车发动
12、机齿轮加工工艺流程及各工序作用（1）工艺路线汽车发动机齿轮的制造工序基本上相同，对于不同的钢种，在其热处理时有些许差异。一般都采用棒料经锻造粗车调质半精车粗磨基准开齿（包括插齿、刨齿、滚齿、铣齿等）磨齿局部渗碳(渗氮或氰化)低温回火(渗碳后扩散处理)淬火喷丸-精磨基准磨齿。（2）各工序作用锻造的作用：通过锻造能消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷，优化微观组织结构，同时由于保存了完整的金属流线，锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件。正火的作用：用于低碳钢，正火后硬度略高于退火，韧性也较好，可作为切削加工的预处理；用于中碳钢，可代替调质处理作为最后热处理，也可作为用感应加热方法进行表面淬火前
13、的预备处理；用于工具钢、轴承钢、渗碳钢等，可以消降或抑制网状碳化物的形成，从而得到球化退火所需的良好组织；用于铸钢件，可以细化铸态组织，改善切削加工性能；用于大型锻件，可作为最后热处理，从而避免淬火时较大的开裂倾向；用于球墨铸铁，使硬度、强度、耐磨性得到提高，如用于制造汽车、拖拉机、柴油机的曲轴、连杆等重要零件；过共析钢球化退火前进行一次正火，可消除网状二次渗碳体，以保证球化退火时渗碳体全部球粒化。渗碳的作用：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900950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
14、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。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获得很高的硬度，提高其耐磨程度。 淬火的作用：获得强度，硬度和塑性，韧性都较好的综合机械性能。回火的作用：消除工件淬火时产生的残留应力，防止变形和开裂；调整工件的硬度、强度、塑性和韧性，达到使用性能要求；稳定组织与尺寸，保证精度；改善和提高加工性能。喷丸的作用：是把金属毛坯，一般是铸件或锻件放入密闭的喷丸室内，金属颗粒（喷丸）在压力空气的作用下，撞击毛坯表面。其作用是去除毛坯表面氧化皮，消除毛坯内部应力。3.2 汽车发动机齿轮具体热处理工艺及分析3.2.1 锻造造齿轮的毛坯经过锻造后获得基本的形状。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。齿轮的锻造工艺是用棒料镦经切削加工制成的，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，力学性能得到很大的提高。20CrMnTi合金钢的始锻温度为1180，中锻温度为850，锻后进行缓慢冷却。接触疲劳试样由棒料，弯曲疲劳试样从GF齿圈上截取，改锻成齿轮式样毛坯。20CrMnTi合金钢的终锻温度为850，锻后经880920正火（空冷）和650780退火（炉冷）处理。表3 锻造热处理温度始锻温度
