20CrMnTi钢齿轮热处理工艺

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20CrMnTi钢变速箱齿轮热处理工设计题目 艺

材料科学与工程 学 院 年 级

金属材料工程 专 业 学生姓名 学 号 指导教师

佳木斯大学热处理工艺设计说明书 目录

1. 变速箱齿轮的热处理工艺设计……………………………1 1.1 变速齿轮的服役条件………………………………………1 1.2 变速齿轮常见的失效形式…………………………………1 1.3 变速齿轮的性能要求………………………………………1 1.4 变速齿轮备选材料分析…………………………………‥1 1.5 变速齿轮的加工工艺路线…………………………………2 1.6 热加工及热处理工艺规程…………………………………2 1.7 各热处理工艺后的金相组织分析…………………………4 1.8 热处理工艺过程中的质量检验项

目………………………6 1.8.1 渗碳淬火后齿轮的检验项目、内容和要

求………………6 1.8.2 渗碳齿轮的常见缺陷及防止措施…………………………6

2. 心得…………………………………………………………8 3. 参考文献……………………………………………………8

佳木斯大学热处理工艺设计说明书 1.变速箱齿轮的热处理工艺设计 1.1变速齿轮的服役条件

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。

1.2变速齿轮常见的失效形式 根据其服役条件，常见的失效形式为: 1)疲劳断裂

齿轮在交变应力和摩擦力的长期作用下，导致齿轮点面接疲劳断裂。其产生是由于当齿轮受到弯曲应力超过其持久极限就出现疲劳破坏而超过材料抗弯强度时，就造成断裂失效;

2)表面损伤

点蚀:是闭式齿轮传动中最常见的损坏形式，点蚀进一步发展，表现为蚀坑至断裂; 硬化层剥落:由于硬化层以下的过渡区金属在高接触应力作用下产生塑性变形，使表面压应力降低，形成裂纹造成碳化层剥落;

3)磨损失效

摩擦磨损:汽车、拖拉机上变速齿轮属于主载荷齿轮，受力比较大，摩擦产生热量较大，齿面因软化而造成塑性变形，在齿轮运转时粘结而后又被撕裂，造成齿面摩擦磨损失效

磨粒磨损:外来质点进入相互啮合的齿面间，使齿面产生机械擦伤和磨损，比正常磨损的速度来得更快。

另外，齿轮除上述失效形式外，还有在换档时，齿端相互撞击，而造成的齿端磨损，或因换档过猛或过载造成断裂以及齿面塑性变形，崩角等失效形式。

1.3变速齿轮的性能要求

根据变速齿轮服役条件及失效形式，对齿轮的性能作如下要求:

有较高的弯曲疲劳强度;表面有高的硬度和耐磨性;具有高接触疲劳抗力; 足够的塑性和韧性;高的淬透性。

1.4变速齿轮的材料的分析

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

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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HB180,230，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。

?化学成份

碳C:0.17,0.23 硅Si:0.17,0.37 锰Mn:0.80,1.10 铬Cr:1.00,1.30 硫S:允许残余含量?0.035 磷P:允许残余含量?0.035 铬Cr:1.00,1.30 镍Ni:允许残余含量?0.030 铜Cu:允许残余含量?0.030 钛Ti:0.04,0.10

C%,0.17,0.23% 是能保证心部得到低碳马氏体，具有足够的强韧性;Cr、Mn、Si的作用:增加钢的淬透性;Ti的作用:细化晶粒，防止渗碳温度下奥氏体晶粒粗化，以便实现渗碳预冷直淬工艺，同时还可形成合金碳化物渗层耐磨性。

1.5汽车变速齿轮的加工工艺路线

工艺路线为:下料?锻造?等温正火?机械加工?渗碳，淬火，回火?喷丸?磨削?检验。

1.6 热加工及热处理工艺规程 ?等温正火

锻坯等温正火是为消除内应力，改善、细化组织，为后续加做准备，便于切削加工。设备:RJX-75-9

? 930,950? 600?10? 2 1 空冷 t/h

图1 正火工艺曲线 第 2 页

佳木斯大学热处理工艺设计说明书 ?渗碳+淬火+回火

渗碳:使机械零件获得高的表面硬度，耐磨性和高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度。

渗碳温度:920,950?，保温时间按渗碳层深度确定，取t,6h，渗碳层深度:1.8,1.9mm

20CrMnTi渗碳采用井式气体渗碳炉渗碳，渗碳气体使用碳氢化合物有机液体，如煤油、丙酮等直接滴入炉内气体而得，为提高渗入速度，是表面达到合适的含碳量，将渗入过程分两个过程进行，即渗入阶段和扩散阶段。

淬火:20CrMnTi经渗碳后直接进行淬火。

齿轮渗碳后可预冷到870,880?并保温一段时间，预冷过程中渗碳层析出二次渗碳体，深层中残余奥氏体量减少，预冷温度不应过低，以免心部游离铁素体增多，降低心部硬度，预冷应在炉内进行，并应防止表面脱碳，选择870?，预冷2h。

淬火介质选择10,机械油，因为20CrMnTi淬透性好，油淬临界直径DO?40mm油淬后可减少渗碳层中残余奥氏体，提高耐磨性和接触疲劳强度而心部有较高强度和韧性，淬火表面硬度HRC58,63,心部HRC33,45。

设备:RQ3-75-9T。

其渗碳后淬火工艺路线如下:

图2 渗碳淬火工艺曲线

回火:淬火后，工件内存在淬火应力，为消除残余应力，选择低温回火。

低温回火温度为180,200?，渗碳件选择下限，回火后需经磨削或喷丸处理，故选择180?，保温2h出炉空冷，其硬度HRC56,63。显微组织为回火马氏体+残余奥氏体。

设备:RJ2-75-6。 其回火工艺路线如下: 第 3 页

佳木斯大学热处理工艺设计说明书 ? 180,200? 2h 空冷 t/h

图3回火工艺曲线

喷丸处理:喷丸处理不仅是一个清洁工序，而且对齿轮的使用性能也有较大影响，但只有当喷丸时间足够长的情况下，喷丸对齿面抗麻点剥落性能才会得到有利的影响，如喷丸时间较短，则由于齿面光洁度差反而使寿命降低，喷丸对齿轮弯曲疲劳性能是有利的，但应注意使丸粒直射齿根。

检验:

外观:表面无损伤、烧伤、严重腐蚀等缺陷; 渗层深度:1.8,1.9mm;

硬度:心部33,45HRC，齿面58,62HRC; 1.7 各热处理工艺后的金相组织分析 20CrMnTi等温正火后金相组织如下所示:

图4(100×) 图5(500×) 浸蚀方法:4%酒精溶液浸蚀 组织说明:均匀细小等轴状的珠光体和铁素体组织

20CrMnTi是一种渗碳用钢，渗碳前一般应进行正火处理，以细化晶粒、改善组织分布，为正常渗碳作好组织准备。

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20CrMnTi(930?渗碳后淬火、回火处理)金相组织如下图所示:

图6(100×) 图7(400×)

浸蚀方法:4%酒精溶液浸蚀 组织说明:

图6:表面渗碳层至心部组织分 布形

貌，回火温度较低，表面合金高碳马氏体区 较难 浸蚀。

图7:齿的节圆处渗碳层组织，针状及隐针状 马氏体(3,4级)，残余奥氏体(8级)，白色小条状 碳化物(4,5级)。

图8:齿角处渗碳层组织，基本与节圆相同， 但碳化物趋网状分布，可评为7,8级。 图8(400×) 第 5 页

佳木斯大学热处理工艺设计说明书 1.8 热处理工艺过程中的质量检验项目 1.8.1渗碳淬火后齿轮的检验项目、内容和要求 检验项目 检验内容及要求

原材料质用试样检查 化学成分)低倍组织)晶粒度、淬透性、带状组织 量 毛坯力学用试样检查 检查布氏硬度，按图样检查σ、σ、δ、Ψ、A b0.2k性能

外观质量 用齿轮检查 渗碳淬火后100,检查表面氧化、裂纹及碰伤 渗层深度 用试样检查 按图样要求，从表面测到HV550深度处为有效硬化层深

度，显微检查渗碳总深度时，碳钢为过共析，共析，1/2过渡区;合金 钢为过共析，共析，全部过渡区。过共析，共析层应占总深度为50,, 70,

表面硬度 用齿轮检查 按图样要求，为HRC58,62 心部硬度用齿轮检查 按图样要求，为HRC33,45 组织 心部组织 为板条马氏体，少量铁素体 表面碳浓用试样检查 按图样要求，为0.75,,1.0,

度

表层显微用试样检查 按ZB/T04 001-1988检查，细针马氏体，分散细小碳化物，组织 少量残余奥氏体为佳，按标准图，马氏体和残余奥氏体1,5 表面裂纹 不允许有裂纹,100,磁粉探伤,批量件?5件可抽查 齿部磁粉模数/mm 缺陷最大尺寸/mm 探伤 ?2.5 0.8

,2.5,8 1.6 ,8 2.4

畸变 用齿轮检查 按图样和工艺要求检查 1.8.2渗碳齿轮的常见缺陷及防止措施 缺陷名称 产生原因 防止措施

毛坯硬度偏正火温度偏低或保温时间不足应重新制订正火工艺;检查控温仪高 使组织中残留少量硬度较高表，校准温度，控制正火冷却速度

(HV?250)的魏氏组织，正 火温度超过钢材晶粒显著长大 的温度

毛坯硬度偏正火冷却过缓 重新正火，加强冷却 低 带状偏析 钢材合金元素和杂质偏析，一更换材料 般正火难以消除 第 6 页

佳木斯大学热处理工艺设计说明书 层深不足 碳势偏低;温度偏低或渗期不提高碳势;检查炉温，调整工艺，

足 延长渗碳时间

渗层过深 碳势过高，渗碳温度偏高;渗降低碳势;缩短周期，调整工艺 期过长

渗层不均 炉内各部分温度不均;碳势不齿轮表面清洗干净;合理设计夹 均;炉气循环不佳;工件相互具;防止齿轮相互碰撞;在齿轮料 撞碰;齿面有脏物;渗碳时在盘上加导流罩，保证炉内各部温度 齿面结焦 均匀;严格控制渗碳剂中不饱和碳 氢化合物

过共析，共炉气碳势过高;强渗和扩散时降低碳势;调整强渗与扩散期的比析层比例过间的比例选择不当 例，如果渗层深度允许，可返修进大(大于总行扩散处理

深度的3, 4)

过共析，共炉气碳势过低，强渗时间过短 提高炉气碳势;增加强渗时间;可析层比例过在炉气碳势较高的炉中补渗 小(小于总

深度的1, 2)

表面碳浓度炉气碳势过高，强渗时间过长 降低碳势，缩短强渗时间;如果渗过高形成大层深度允许，可在较低碳势炉中进块碳化物网 行扩散处理;适当提高淬火温度;

进行一次渗层的球化退火 表面残留奥碳含量过高;渗后冷却过快，调整渗碳工艺控制碳含量;从渗碳氏体过多 碳量析出不够，淬火温度偏高 炉或预冷炉中出炉的温度不宜过

高;降低淬火温度 表面含碳量炉气碳势过低，炉温偏高;扩提高碳势;检查炉温，调整强渗与过低 散时间过长 扩散时间的比例 表层马氏体淬火温度偏高 降低淬火温度 针粗大

表层出现非升温排气不充分;炉子密封性从设备和工艺操作上减少空气进入马氏体组织 差，漏气，使表层合金元素氧炉内;适当提高淬火冷却速度;在

化，淬火冷却速度低 渗碳最后10min左右通入适量氨气 表层脱碳 渗后出炉温度过高;炉子出现防止炉子漏气;降低出炉温度;控

严重漏气;淬火时产生氧化 制淬火时炉内气氛;盐炉淬火脱氧

要充分;补渗碳 心部硬度偏淬火温度过低;冷却速度不提高淬火温度;加强淬火冷却;采低 当，心部游离铁素体过多;选用两次淬火;更换材料

材不当

畸变 淬火温度偏高;冷却方法不调整淬火工艺，合理设计夹具，改 当;夹具设计不合理，材料选善冷却条件，改换钢材 择不当 第 7 页

佳木斯大学热处理工艺设计说明书 2. 心得

通过本次热处理工艺课程设计，我熟悉了热处理工艺的制定过程;通过对零件服役条件、失效形式、性能分析来选择合适的材料，从而制定出正确的工艺流程，工艺过程中要准确掌握各种零件热处理加热温度、时间和保温时间及冷却方式等;不同材料经过同一热处理工艺及同种材料经过不的热处理工艺会得到不同组织和性能。 同时，我还通过查阅相关文献、资料，提高了查阅资料的技巧和综合分析问题的能力。

通过对齿轮的工艺设计及金相分析，综合了《材料科学基础》、《金属热处理工艺学》、《失效分析》、《金属力学性能》等知识。更重要的是使我懂得了运用知识的重要性和理论联系实际的妙处。为我今后走向社会从事本专业工作打下了良好的基础。

3. 参考文献

1) 赵品，谢辅洲，孙振国主编.材料科学基础教程.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，

2009.2

2) 夏立芳编.金属热处理工艺学.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2008.4 3) 中国机械工程学会热处理学会编.热处理手册.北京:机械工业出版社，2008.1 4) 上海市热处理协会编.实用热处理手册.上海:上海科学技术出版社，2009.1

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