1、攀枝花學院學生課程設計（論文）題 目：20Cr汽車齒輪的熱處理工藝設計學生姓名： XXX 學 號： 2011111020XXX 所在院(系)： 材料工程學院 專 業(yè)： 2011級材料成型及控制工程 班 級： 材料成型及控制工程 指 導 教 師： XXXX 職稱： 講 師 2013年12月28日攀枝花學院教務處制攀枝花學院本科學生課程設計任務書題目20Cr汽車齒輪的熱處理工藝設計1、課程設計的目的使學生了解、設計20Cr汽車齒輪的熱處理工藝設計，主要目的：（1）培養(yǎng)學生綜合運用所學的熱處理課程的知識去解決工程問題的能力，并使其所學知識得到鞏固和發(fā)展。（2）學習熱處理工藝設計的一般方法、熱處理設備

2、選用和裝夾具設計等。（3）進行熱處理設計的基本技能訓練，如計算、工藝圖繪制和學習使用設計資料、手冊、標準和規(guī)范。2、課程設計的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術要求、工作要求等）內(nèi)容：進行零件的加工路線中有關熱處理工序和熱處理輔助工序的設計。根據(jù)零件的技術要求，選定能實現(xiàn)技術要求的熱處理方法，制定工藝參數(shù)，畫出熱處理工藝曲線圖，選擇熱處理設備，設計或選定裝夾具，作出熱處理工藝卡。最后，寫出設計說明書，說明書中要求對各熱處理工序的工藝參數(shù)的選擇依據(jù)和各熱處理后的顯微組織作出說明。要求：（1）分析生產(chǎn)加工及熱處理過程中可能出現(xiàn)的缺陷，針對這些缺陷提出預防措施或補救措施。（2）提交設計說明書（或設計報告

3、），35千字，提交設計說明書。3、主要參考文獻1 崔明擇主編.工程材料及其熱處理M. 北京：機械工業(yè)出版社，2009.7.2崔忠析主編.金屬學與熱處理（第二版）M. 北京：機械工業(yè)出版社，2007.53王建安. 金屬學與熱處理M. 北京：機械工業(yè)出版社，19804 中國機械工程學會.熱處理手冊M. 北京：機械工業(yè)出版社，2006.75 范逸明.簡明金屬熱處理工手冊M.北京：國防工業(yè)出版社，2006.34、課程設計工作進度計劃第16周：對給定題目進行認真分析，查閱相關文獻資料，做好原始記錄。 第17周：撰寫課程設計說明書，并進行修改、完善，提交設計說明書。指導教師（簽字）日期年 月 日教研室意見

4、：年 月 日學生（簽字）： 接受任務時間： 年 月 日注：任務書由指導教師填寫。課程設計（論文）指導教師成績評定表題目名稱評分項目分值得分評價內(nèi)涵工作表現(xiàn)20%01學習態(tài)度6遵守各項紀律，工作刻苦努力，具有良好的科學工作態(tài)度。02科學實踐、調(diào)研7通過實驗、試驗、查閱文獻、深入生產(chǎn)實踐等渠道獲取與課程設計有關的材料。03課題工作量7按期圓滿完成規(guī)定的任務，工作量飽滿。能力水平35%04綜合運用知識的能力10能運用所學知識和技能去發(fā)現(xiàn)與解決實際問題，能正確處理實驗數(shù)據(jù)，能對課題進行理論分析，得出有價值的結論。05應用文獻的能力5能獨立查閱相關文獻和從事其他調(diào)研；能提出并較好地論述課題的實施方案；有

5、收集、加工各種信息及獲取新知識的能力。06設計（實驗）能力，方案的設計能力5能正確設計實驗方案，獨立進行裝置安裝、調(diào)試、操作等實驗工作，數(shù)據(jù)正確、可靠；研究思路清晰、完整。07計算及計算機應用能力5具有較強的數(shù)據(jù)運算與處理能力；能運用計算機進行資料搜集、加工、處理和輔助設計等。08對計算或實驗結果的分析能力（綜合分析能力、技術經(jīng)濟分析能力）10具有較強的數(shù)據(jù)收集、分析、處理、綜合的能力。成果質量45%09插圖（或圖紙）質量、篇幅、設計（論文）規(guī)范化程度5符合本專業(yè)相關規(guī)范或規(guī)定要求；規(guī)范化符合本文件第五條要求。10設計說明書（論文）質量30綜述簡練完整，有見解；立論正確，論述充分，結論嚴謹合理

6、；實驗正確，分析處理科學。11創(chuàng)新10對前人工作有改進或突破，或有獨特見解。成績指導教師評語指導教師簽名： 年月日摘 要 汽車中變速箱齒輪是關鍵件，齒輪材料的選用及熱處理工藝參數(shù)的確定一直是我們探究的主題。原來采用20CrMnTi材料，熱處理工藝為氣體滲碳，其滲碳溫度高、時間長，易造成晶粒粗大、表面沉積碳黑等缺陷。由20Cr代替20CrMnTi，熱處理工藝采用中溫氣體碳氮共滲直接淬火的方法。設備為RJJ-75-9T井式爐,滴柱式可控氣氛控制爐壓，滲劑為煤油加液態(tài)稀土共滲劑。此工藝共滲溫度降至880，共滲時間縮至3小時。節(jié)約能耗33.6%，因縮孔造成的返修率降低到2.87%，齒輪本身也得到了更好

7、的耐磨性、表面硬度和心部綜合機械性能。  關鍵詞：齒輪；氣體碳氮共滲；工藝參數(shù)；耐磨性 目 錄摘 要1、設計任務11.1設計任務11.2設計的技術要求12、設計方案22.1 變速箱設計的分析22.1.1工作條件22.1.2失效形式22.1.3性能要求22.2鋼種材料33、設計說明43.1加工工藝流程43.2具體熱處理工藝4預備熱處理工藝53.2.2機械加工5滲碳工藝53.2.4淬火+低溫回火熱處理工藝64、分析與討論85、結束語96、熱處理工藝卡片10參 考 文 獻111 設計任務1.1設計任務20Cr汽車齒輪的熱處理工藝設計1.2設計的技術要求 20Cr材料屬于低淬透性合

8、金鋼，采用滲碳工藝時晶粒容易長大，而中溫氣體碳氮共滲工藝，是在工件的表面同時滲入碳和氮，由于氮的加入使相區(qū)擴大，Ac3點下降因而能使鋼在更低的溫度增碳。其過程是將鋼件放入密封爐罐內(nèi)加熱到820880 ，并向爐內(nèi)滴入煤油或其它滲劑，然后加入共滲劑。共滲劑的分解，使活性的碳原子和氮原子在一定壓力下被吸附在工件表面并向內(nèi)擴散，從而形成一定深度的碳氮共滲層。碳氮共滲過程可分為兩個階段，第一階段即強滲階段，碳和氮在工件表面的滲入情同；隨著時間的延長，出現(xiàn)第二階段，這時碳繼續(xù)滲入而氮不僅不滲入工件表面，反而滲層表面部分的氮原子進入到氣體介質中，表面脫氮。所以應嚴格控制共滲溫度與共滲時間。 2 設

9、計方案2.1變速箱設計的分析2.1.1工作條件首先確定共滲劑：通過市場調(diào)研決定購進現(xiàn)成的液態(tài)碳氮共滲劑，這樣能保證原來氣體滲碳時的設備、工裝無需改動。 試塊采用自制的10×20（mm）的20Cr鋼棒（圖2）。 圖2 試塊共滲設備為RJJ-75-9T井式爐滴柱式碳氮共滲。 方法是：分別在井式爐的上區(qū)、下區(qū)特征位置每爐放置3塊試塊，分別在不同的共滲時間、共滲溫度、滲濟滴量下取出試塊做成金相試樣，隨時觀察其滲層厚度、滲層組織、晶粒大小、表面硬度，并做好記錄。  2.1.2失效形式主要失效形式為齒面點蝕和輪齒折斷。齒面點蝕。齒輪傳動過程中，齒輪接觸面上

10、各點的接觸應力呈脈動循環(huán)變化，經(jīng)過一段時間后，會由于接觸面上金屬的疲勞而形成細小的疲勞裂紋，裂紋的擴展造成金屬剝落，形成點蝕。輪齒折斷。最常見的是彎曲疲勞折斷、過載折斷。輪齒受力后,在齒根部產(chǎn)生的彎曲應力最大,且在齒根過渡圓角處有應力集中。如果輪齒的交變應力超過了材料的疲勞極限,在齒根圓角處將產(chǎn)生疲勞裂紋,隨著裂紋不斷擴展。2.1.3性能要求變速箱疲勞耐久性試驗。此項目考核變速箱各檔位齒輪、軸、軸承及殼體的疲勞耐久性, 是變速箱臺架試驗的必做項目。試驗時間長、試驗效果明顯是其主要特點。疲勞耐久性試驗的加載方式是試驗的關鍵, 一般采用機械封閉式變速箱加載試驗臺或電封閉式變速箱加載試驗臺。變速箱同

11、步器性能試驗。該項目適用于有同步器的變速箱或變速箱的有同步器的檔位。通過在一定油溫、一定輸出轉速下測量變速箱各檔位的同步位移、換檔力、輸入轉速、輸出轉速、輸出扭矩, 分析整理得到各檔位的同步時間、同步位移及換檔力、同步扭矩的變化規(guī)律, 從而判斷變速箱的換檔性能。試驗后變速箱無損傷。變速箱靜扭強度試驗。將變速箱安裝在試驗臺上, 固定其輸出端, 利用減速機帶動輸入端慢慢運轉, 同時記錄變速箱輸入端扭矩、輸出端扭矩、輸入軸扭轉角度, 直到達到某設定扭矩或直到變速箱損壞而停止加載。分析記錄數(shù)據(jù)的變化規(guī)律, 判斷變速箱的靜態(tài)扭轉強度性能。此項目試驗時間短, 直接反映變速箱某檔位的靜態(tài)強度性能, 是變速箱

12、強度性能的一項重要指標, 但試驗后變速箱的主要強度零件完全損壞。變速箱潤滑性能和溫升試驗。測量變速箱在不同的爬坡角度、不同的輸入轉速下空載溫度升高規(guī)律。由于是空載下運行, 輸入功率小、消耗功率少, 運轉時間不長, 故不損壞變速箱。雖然試驗成本低, 但變速箱設計上的缺陷、制造過程中的多種故障都能從溫升中反映出來, 故在變速箱臺架試驗及日常質量評價試驗中得到普遍應用。 變速箱傳動效率試驗。此項目需在可加載的試驗臺上進行。測量變速箱各檔在不同的輸入轉速、不同的輸入扭矩、不同的溫度下輸出功率與輸入功率得到變速箱的傳動效率值。傳動效率值反映出變速箱各檔位在不同輸入扭矩、不同溫度下的效率對比, 可判斷變速

13、箱在不同扭矩下的變形、干涉和異常磨損情況等多項性能, 從而尋找其不足進行改善。此項目不但在變速箱臺架試驗中有較為重要的意義, 而且對于批量生產(chǎn)的變速箱日常質量評價也是非常有意義的。通過測量值與經(jīng)驗值的對比,可以判定變速箱質量水平的高低3。 20cr有較高的強度及淬透性，在油中臨界淬透直徑達4 22mm，在水中臨界淬透直徑達1140mm，但韌性較差，此鋼滲碳時仍有晶粒長大傾向，降溫直接淬火對沖擊韌性影響較大，所以滲碳后需二次淬火以提高零件心部韌性，無回火脆性；鋼的冷應變塑性高，可在冷狀態(tài)下拉絲；可切削性在高溫正火或調(diào)質狀態(tài)下良好，但退火后較差；20Cr為珠光體，焊接性較好，焊后一般不需熱處理，但

14、厚度大于15mm的零件在焊前需預熱到100150，焊后也可不進行回火熱處理。20Cr鋼板抗拉強度（b/MPa）：835屈服點（s/MPa）：540斷后伸長率（5/%）：10斷面收縮率（/%）：40沖擊吸收功（Aku2/J）：47布氏硬度（HBS100/3000）（退火或高溫回火狀態(tài)）：179 2.2鋼種材料20cr淬火、低溫回火后具有良好的綜合力學性能，低溫沖擊韌性良好，回火脆性不明顯。滲碳時鋼的晶粒有長大趨勢，所以要求二次淬火，以提高心部韌性，不宜降溫淬火。當正火后硬度為170-217HB時，相對切屑加工性約為65%，焊接性中等，焊前應預熱到100-150，冷變形時塑性中等。為了提高模具型腔

15、的耐磨性，模具成型后需要進行滲碳處理，然后再進行淬火和低溫回火，從而保證模具表面具有很高硬度、高耐磨性而心部具有很好的韌性。對于使用壽命要求不很高的模具，也可以直接進行調(diào)質處理。3 設計說明3.1加工工藝流程20cr汽車齒輪熱處理工藝設計的熱加工工藝流程經(jīng)過許多次改進形成如下的加工工藝流程: 鍛造-退火（790度保溫后隨爐冷）-粗加工-滲碳、淬火（1000-1030攝氏度保溫8小時,然后降溫到850攝氏度出爐直接油淬）-回火（200攝氏度回火2-3個小時,）-精加工20cr是合金結構鋼的一種，用以制作截面尺寸小于30mm，形狀簡單，心部強度和韌性要求較高，表面受磨損的滲碳或氰化件，滲碳表面硬度

16、HRC56-62，其成分1如下表3.1.表3.1 21 20cr的化學成分（質量分數(shù)，%）CMnPSCrNiCuSi0.180.24 0.500.80 0.0350.0350.701.000.0300.030 0.170.37成分分析：Mn是良好的脫氧劑和脫硫劑。它能消除或減弱由于硫所引起的鋼的熱脆性，從而改善鋼的熱加工性能。Mn和Fe形成固溶體，提高鋼中鐵素體和奧氏體的硬度和強度，經(jīng)固溶處理后有良好的韌性，當受到?jīng)_擊而變形時，表面層將因變形而強化，具有高的耐磨性；同時又是碳化物形成元素，進入滲碳體中取代一部分鐵原子。Si能溶于鐵素體和奧氏體中提高鋼的硬度和強度。硅能提高鋼的彈性極限、屈服強度

17、和屈服比(s/b),以及疲勞強度和疲勞比(-1/b)等。 硅能促使鐵素體晶粒粗化，降低矯頑力。3.2具體熱處理20cr的熱處理包括初期的鍛造和退火熱處理，以減少坯料的硬度為方便后面的機加工，也為后續(xù)滲碳、淬火、回火提供優(yōu)良的原始組織。20cr的熱處理工藝分析： 有較高的強度及淬透性，在油中臨界淬透直徑達4 22mm，在水中臨界淬透直徑達1140mm，但韌性較差.需要提高其韌性. 通過鍛造和隨后的退火，形成硬度較低的原始坯料，為后續(xù)的切削加工提供有利的方便和減少對于車床的磨損。滲碳是通過對其表面更加的硬度能夠更大程度的提升，保證質量。為了碎化、細化共晶碳化物，把粗大的枝晶狀共晶碳化物打碎、提高碳

18、化物分布的均勻性，細化碳化物的粒度，一般20cr使用時都需要進行鍛造和預先熱處理, 以減少碳化物的不均勻分布, 為后續(xù)淬火、回火提供優(yōu)良的原始組織4。預備熱處理工藝退火是將偏離平衡狀態(tài)的金屬坯料或零件加熱至較高溫度，保持一定的時間后通常以相當緩慢的速度冷卻，以得到接近于平衡狀態(tài)組織的各種工藝方法。退火的目的是：a消除鋼錠的成分偏析，使成分均勻化。b消除因鑄、鍛、焊引起的組織缺陷。c降低硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷變形加工。d細化晶粒，均勻組織，為后續(xù)熱處理做組織準備。e消除鋼中的內(nèi)應力，以防止變形與開裂520cr完全退火曲線3-1-2加熱溫度：790C°；加熱速度：小于200/

19、h；保溫時間：4.5h3.2.2機械加工由于我們專業(yè)并不怎么涉及機加工方面的知識，因此此處只能說明其在車床上進行加工。工藝參數(shù)及工藝曲線 實驗發(fā)現(xiàn)一定溫度范圍內(nèi)，共滲溫度越高則共滲層越厚，當溫度高于880時滲層厚度的增加趨于緩慢(圖3)，但卻由于溫度的增加而使晶粒變的粗大。所以共滲溫度確定為上區(qū)880、下區(qū)860。 圖3 共滲溫度對共滲層的影響 （共滲時間3小時）試驗得出共滲時間超過3小時后，共滲劑對滲層厚度的影響明顯下降，共滲3小時與共滲4小時的滲層厚度相差不大(圖4)，反而因為在高溫下時間的延長而使晶粒長大。 圖4 共滲時間對共滲層的影響 

20、（共滲溫度上區(qū)880±10，下區(qū)860±10）于是我們把共滲階段分為兩段，即120分鐘的強滲階段和60分鐘的擴散階段，同時擴散階段的滴量和爐內(nèi)壓力要適當降低（表1）。分析原因在共滲初期試樣表面還沒有形成一定厚度的滲層，其共滲過程的控制因子主要是產(chǎn)生活性原子的界面反應和吸收活性原子的過程。表1 20Cr齒輪中溫氣體碳氮共滲工藝參數(shù) 因此，催滲的效果明顯。共滲120分鐘后，表面的碳氮原子已基本飽和，吸附碳氮原子的速度減慢。這時，應該預防的是高溫下工件表面的脫氮，即已經(jīng)滲入工件表面的部分氮原子又回到氣體介質中。所以在擴散階段和降溫階段仍然要保持一定的爐內(nèi)氣氛的壓力。通過

21、對實驗數(shù)據(jù)分析得出最終的20Cr齒輪中溫氣體碳氮共滲工藝的各個參數(shù)（表1）及熱處理工藝曲線（圖5）3.2.4淬火+低溫回火熱處理工藝淬火淬火是將鋼加熱至臨界溫度點Ac3或Ac1以上一定的度，保溫后以大于臨界冷卻速度的速度冷卻得到馬氏體（或下貝氏體）的熱處理工藝叫做淬火。其目的是使奧氏體化后的工件獲得盡量多的馬氏體，然后配以不同溫度回火獲得各種需要的性能。鋼的理想淬火冷卻曲線如圖3.47所示 Ac3 Ac1 A AP AB Ms圖3.4低溫回火回火是將淬火鋼加熱到A1以下某一溫度，經(jīng)過保溫，然后以一定的冷卻方法冷至室溫的熱處理操作。其目的在于：a.降低脆性，消除內(nèi)應力。工件淬火后存在著很大的內(nèi)應

22、力和脆性，若不及時回火，零件會產(chǎn)生變形或開裂。b.得到對工件所要求的力學性能。工件淬火后，硬度高，脆性大，為了了獲得對工件要求的性能，可以用回火溫度調(diào)整硬度，減小脆性，得到所需要的塑性、強度和硬度。c.穩(wěn)定工件尺寸。淬火后的組織是馬氏體和殘余奧氏體，這兩種組織都是不穩(wěn)定的，會自發(fā)地逐漸地發(fā)生組織轉變，因而引起工件尺寸和形狀的改變。通過回火，可以促使這些組織轉變。達到較穩(wěn)定狀態(tài)，以便在以后的使用過程中不發(fā)生變形8?；鼗鹨?guī)范如表3.2 9。 表3.5 A回火規(guī)范表  方案    淬火溫度 / 回 火用 途 加熱溫度/ 介質硬度HRC    

23、0;  10201040   消除應力   去除應力，降低硬度去除應力，降低硬度150170 200275   400425 油或硝鹽      6163   5759  5557           11151130 去除應力及形成二次硬化 去除應力及形成二次硬化 去除應力及形成二次硬化 510520多次回火   -78冷處理加510520一次回火 -78冷處理加一次510520回火，再-78冷處理     6061 6061  61623.2.5物理性能經(jīng)過上述各種熱處理后20cr的韌性、硬度、耐磨性都有所甚至很大的提升。4 分析與討論 20Cr汽車齒輪的熱處理工藝設計已經(jīng)在前面展示，單就其性能以及熱處理的過程想必是沒多大問題，若放入實際生產(chǎn)中有很多不可預知的問題，因此，不能紙上談兵須得到工廠或者實驗室中反復的通過實驗數(shù)據(jù)進行分析，然后在得出最重要的結論用于實踐中，從而在生產(chǎn)中減低成本、提高效率并且減少工時，降低能源消耗。5 結束語 20Cr齒輪中溫氣體碳氮共滲比20CrMnTi高溫氣體滲碳在較低的溫度下獲得同樣滲層厚度并且共滲速度快；處理后的工件表面、爐