1、1. 齒輪熱處理概述12. 零件圖23. 零件的服役條件、性能要求及技術(shù)指標(biāo)34. 材料選擇44.1零件用途44.2材料比較44.3 材料化學(xué)成分及合金元素的作用44.4 材料的相變點(diǎn)55. 齒輪加工制作工藝65.1傳統(tǒng)的齒輪材料的工藝路線：65.2 淬火工藝設(shè)計(jì)65.3 其他熱處理工藝86. 參考文獻(xiàn)151. 齒輪熱處理概述眾所周知，齒輪是機(jī)械設(shè)備中關(guān)鍵的零部件，它廣泛的用于汽車、飛機(jī)、坦克、輪船等工業(yè)領(lǐng)域。它具有傳動(dòng)準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)緊湊使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。齒輪傳動(dòng)是近代機(jī)器中最常見(jiàn)的一種機(jī)械振動(dòng)是傳遞機(jī)械動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的一種重要形式、是機(jī)械產(chǎn)品重要基礎(chǔ)零件。它與帶、鏈、摩擦、液壓等機(jī)械相比具有功率范圍

2、大，傳動(dòng)效率高、圓周速度高、傳動(dòng)比準(zhǔn)確、使用壽命長(zhǎng)、尺寸結(jié)構(gòu)小等一系列優(yōu)點(diǎn)。因此它已成為許多機(jī)械產(chǎn)品不可缺少的傳動(dòng)部件，也是機(jī)器中所占比例最大的傳動(dòng)形式。由于齒輪在工業(yè)發(fā)展中的突出地位，使齒輪被公認(rèn)為工業(yè)化的一種象征. 得益于近年來(lái)汽車、風(fēng)電、核電行業(yè)的拉動(dòng)，汽車齒輪加工機(jī)床、大規(guī)格齒輪加工機(jī)床的需求增長(zhǎng)十分耀眼。據(jù)了解，隨著齒輪加工機(jī)床需求的增加，近年來(lái)涉及齒輪加工機(jī)床制造的企業(yè)也日益增多。無(wú)論是傳統(tǒng)的汽車、船舶、航空航天、軍工等行業(yè)，還是近年來(lái)新興的高鐵、鐵路、電子等行業(yè)，都對(duì)機(jī)床工具行業(yè)的快速發(fā)展提出了緊迫需求，對(duì)齒輪加工機(jī)床制造商提出了新的要求。據(jù)權(quán)威部門(mén)預(yù)測(cè)2012 年將達(dá)到200

3、萬(wàn)噸。但我國(guó)齒輪的質(zhì)量與其他發(fā)達(dá)國(guó)家的同類產(chǎn)品相較還是具有一定的差距，主要表現(xiàn)在齒輪的平均使用壽命、單位產(chǎn)品能耗、生產(chǎn)率這幾方面上。本設(shè)計(jì)是在課堂學(xué)習(xí)熱處理知識(shí)后的探索和嘗試，其內(nèi)容討論如何設(shè)計(jì)齒輪的熱處理工藝，重點(diǎn)是制定合理的熱處理規(guī)程，并按此設(shè)計(jì)齒輪的熱處理方法。零件圖3. 零件的服役條件、性能要求及技術(shù)指標(biāo) 齒輪是機(jī)械工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的重要零件之一。其主要作用是傳遞動(dòng)力，改變運(yùn)動(dòng)速度和方向。是主要零件。其服役條件如下：?齒輪工作時(shí)，通過(guò)齒面的接觸來(lái)傳遞動(dòng)力。兩齒輪在相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，既有滾動(dòng)，又有滑動(dòng)。因此，齒輪表面受到很大的接觸疲勞應(yīng)力和摩擦力的作用。在齒根部位受到很大的彎曲應(yīng)力作用；高

4、速齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的過(guò)載產(chǎn)生振動(dòng)，承受一定的沖擊力或過(guò)載；在一些特殊環(huán)境下，受介質(zhì)環(huán)境的影響而承受其它特殊的力的作用。因此，齒輪的表面有高的硬度和耐磨性，高接觸疲勞強(qiáng)度，有較高的齒根抗彎強(qiáng)度，高的心部抗沖擊能力。技術(shù)要求齒表硬度：5863HRC心部強(qiáng)度：3345 HRC屈服強(qiáng)度：850Mpa齒根彎曲疲勞強(qiáng)度：1000Mpa4. 材料選擇4.1零件用途 齒輪是汽車中的重要零件，變速箱齒輪為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件，用于改變發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸和傳動(dòng)軸的速度比。4.2材料比較齒輪常用材料有20Cr ，20CrMnTi, 18Cr2Ni4WA20Cr有較高的強(qiáng)度及淬透性，但韌性較差。滲碳時(shí)有晶粒長(zhǎng)大傾向，降溫直接

5、淬火對(duì)沖擊韌性影響較大，因而滲碳后進(jìn)行二次淬火提高零件心部韌性；可切削性良好，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。20CrMnTi 20CrMnTi是性能良好的滲碳鋼，淬透性較高，經(jīng)滲碳淬火后具有高的強(qiáng)度和韌性，特別是具有較高的低溫沖擊韌性，切削加工性良好，加工變形小，抗疲勞性能好。18Cr2Ni4WA18Cr2Ni4WA屬于高強(qiáng)度中合金滲碳鋼。18Cr2Ni4WA鋼常用于合金滲碳鋼,強(qiáng)度,韌性高,淬透性良好,也可在不滲碳而調(diào)質(zhì)的情況下使用,一般用做截面較大,載荷較高且韌性良好的重要零件。對(duì)于汽車來(lái)說(shuō)，由于其使用條件復(fù)雜，采用調(diào)質(zhì)鋼不能保證要求，選用滲碳鋼較為合適。

6、20CrMnTi鋼采用滲碳+淬火+低溫回火，齒輪表面可以獲得5563HRC的高硬度，因淬透性較高，齒心部具有較高的強(qiáng)度和韌性。因而選用20CrMnTi鋼。4.3 材料化學(xué)成分及合金元素的作用4.3.1 20CrMnTi鋼的具體化學(xué)成分及含量 表1 20CrMnTi鋼的化學(xué)成分及含量（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）合金元素CCrMnTiSiSPNiCu含量（wt%）0.170.231.001.300.801.100.040.100.170.370.0350.0350.300.304.3.2 化學(xué)元素作用 C：C的含量決定了滲碳件心部的強(qiáng)度和韌性，從而影響零件的整體性能。一般滲碳鋼都是低碳鋼。 Cr：有利于滲碳層增

7、厚，提高鋼的淬透性，提高回火穩(wěn)定性，增加鋼的耐磨性。 Mn：提高鋼的淬透性，增加鋼的強(qiáng)度和硬度，有利于滲碳層增厚，細(xì)化珠光體組織以改善機(jī)械性能。 Ti：阻止奧氏體晶粒在高溫滲碳時(shí)長(zhǎng)大，細(xì)化晶粒，并且減小滲碳層厚度。 Si：阻止碳化物形核長(zhǎng)大，提高鋼的淬透性，提高鋼的抗回火穩(wěn)定性，提高對(duì)鋼的綜合機(jī)械性能。 S、P:都是鋼中的雜質(zhì)元素，S能明顯降低鋼的熱塑性，但能改善鋼的可切削性；P能降低鋼的強(qiáng)度和韌性。4.4 材料的相變點(diǎn) 20CrMnTi相變臨界點(diǎn) 牌 號(hào) 臨界溫度/鍛造加工溫度/正 火Ac1Ac3Ms加熱始鍛溫度/冷卻/硬度HBWAr1Ar3Mf終鍛20CrMnTi7308203601200

8、124011601200930950空冷156207690795850淬 火回 火溫度/淬火介質(zhì)硬度HRC不同溫度回火后的硬度值HRC150200300400500550600650860油424643414039353025175. 齒輪加工制作工藝5.1傳統(tǒng)的齒輪材料的工藝路線：下料鍛造正火齒形加工滲碳淬火低溫回火噴丸磨切削加工5.2 淬火工藝設(shè)計(jì)為了使工件獲得表硬內(nèi)韌的性能要求，工件滲碳后必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，由于齒輪的材料是20CrMnTi鋼，是本質(zhì)細(xì)晶粒鋼，特別是鋼中含有的強(qiáng)碳化物形成元素Ti，強(qiáng)烈阻止奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間滲碳后奧氏體晶粒并不明顯長(zhǎng)大，故可以用預(yù)冷直接淬火法。

9、正常加熱冷卻情況下， 工件加熱到860后，保溫一段時(shí)間，使之奧氏體化后用油冷卻至室溫，得到馬氏體和殘余奧氏體，具有較高的硬度。溫度：860 滲碳后的齒輪溫度在930左右，此時(shí)可以將齒輪留在滲碳爐中冷卻，即預(yù)冷，冷卻到860時(shí)，保溫一段時(shí)間，取出后立即放入油中，這樣對(duì)齒輪淬火，操作比較簡(jiǎn)單，降低了成本，提高了生產(chǎn)效率，也可以達(dá)到齒輪需要的要求，且齒輪氧化、脫碳及淬火變形均小。淬火介質(zhì)：油冷 淬火設(shè)備: 淬火油槽 鋼的加熱溫度一般可根據(jù)Fe-Fe3C相圖選擇，20CrMnTi鋼為亞共析鋼，淬火加熱溫度選擇Ac3以上3050。根據(jù)滲碳后齒輪的表層含碳量的分布狀況及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)從930預(yù)冷到860左右進(jìn)行

10、油冷可以得到好的效果。淬火冷卻速度太快,奧氏體向馬氏體組織轉(zhuǎn)變劇烈、體積收縮，引起很大的內(nèi)應(yīng)力，容易造成齒輪的變形和開(kāi)裂，由于20CrMnTi是合金鋼，淬透性較好，故選擇油冷減小冷卻速度，防止淬火造成齒輪變形或開(kāi)裂。同時(shí)也能獲得馬氏體組織，達(dá)到較高的硬度。保溫時(shí)間的確定 淬火加熱時(shí)間包括升溫和保溫時(shí)間兩段時(shí)間，升溫時(shí)間包括相變重結(jié)晶時(shí)間，保溫時(shí)間實(shí)際上只考慮碳化物溶解和奧氏體成分均勻化所需要的時(shí)間。 在具體的生產(chǎn)條件下，淬火加熱時(shí)間常用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，通過(guò)實(shí)驗(yàn)最終確定。常用的經(jīng)驗(yàn)公式為： = a*K*D 式中：，加熱時(shí)間，min；a，加熱系數(shù)，min/mm；K，裝爐修正系數(shù)；D，工件有效厚度，m

11、m。 加熱系數(shù)a表示工件單位厚度需要的加熱時(shí)間，其大小與工件尺寸、加熱介質(zhì)和鋼的化學(xué)成分有關(guān)，下表是常用鋼的加熱系數(shù)。 常用鋼的加熱系數(shù)工件材料工件直徑/mm600箱式爐中加熱750850鹽爐中加熱或預(yù)熱800900箱式爐或井式爐中加熱10001300高溫鹽爐中加熱碳鋼500.30.41.01.2500.40.51.21.5合金鋼500.450.501.21.5500.500.551.51.8高合金鋼0.300.400.300.350.170.2高速鋼0.300.350.160.18根據(jù)設(shè)計(jì)的20CrMnTi鋼齒輪，加熱系數(shù)a的大小取1.5。 修正系數(shù)K的值取2.2。故加熱時(shí)間為=aKD =1

12、55min2.5h因?yàn)樯郎睾捅禺?dāng)中有滲碳的過(guò)程，所以除去滲碳時(shí)間。齒輪的升溫時(shí)間為1.5h，所以得到保溫時(shí)間是1.0h。5.3 其他熱處理工藝5.3.1 正火溫度：930時(shí)間：保溫3個(gè)小時(shí)組織：片狀珠光體+鐵素體硬度：齒輪的表面硬度為156207HBW設(shè)備：中溫箱式爐我選擇的變速箱齒輪，它的直徑大約是200mm，內(nèi)圈直徑約為100mm，厚度約是50mm，齒輪正面的圓形面積S約為628mm2，體積V約為31400mm3.材料是低碳合金鋼20CrMnTi。它的正火溫度在950左右?？紤]到中溫爐在中溫測(cè)量時(shí)比較準(zhǔn)確，因而選用中溫箱式爐。結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。標(biāo)準(zhǔn)系列中溫箱式電阻爐技術(shù)數(shù)據(jù)如表3所示。中

13、溫箱式爐結(jié)構(gòu)圖1爐殼；2爐襯；3熱電偶；4爐膛；5爐門(mén)；6爐門(mén)升降結(jié)構(gòu)；7電熱元件；8爐底板；型 號(hào)功率/kw電壓/v相數(shù)最高工作溫度/爐膛尺寸（長(zhǎng)寬高）/mm爐溫850時(shí)的指標(biāo)空爐損耗功率/kw空爐升溫時(shí)間/h最大裝載量/kgRX(RX3-9Q)RX3-15-915380195060030025052.580RX3-30-930380395095045035072.5200 標(biāo)準(zhǔn)系列中溫箱式電阻爐技術(shù)數(shù)據(jù) 根據(jù)我選擇的齒輪大小，正火選用的電阻爐為RX3-15-9。正火工藝曲線5.3.2 滲碳 煤油是傳統(tǒng)的滲碳滴注劑，如圖5顯示了煤油熱分解氣成分與穩(wěn)定的關(guān)系。煤油價(jià)格低廉，滲碳能力強(qiáng)，但單獨(dú)使

14、用煤油滲碳會(huì)在高溫裂解后產(chǎn)生大量CH4和C，爐內(nèi)積碳嚴(yán)重，爐內(nèi)氣氛的成分和碳勢(shì)不穩(wěn)定，不易控制。現(xiàn)在，采用甲醇煤油混合液作為滲碳滴注劑，其中甲醇是稀釋劑，煤油是滲碳劑，可以明顯的減少炭黑。煤油熱分解氣成分與溫度的關(guān)系滲碳溫度:92010 依據(jù)：滲碳溫度在Ac3以上，考慮碳在鋼中的擴(kuò)散速度等因素，采用的溫度為910930。滲碳程度的升高，碳在鋼中的擴(kuò)散系數(shù)增大，滲碳速度很快，但滲碳溫度過(guò)高會(huì)造成晶粒粗大，選取t=930。 160180滴/分鐘 采用到溫加熱的方法，原因是避免金屬組織出現(xiàn)不需要的相轉(zhuǎn)變，加熱速度快，節(jié)約時(shí)間，便于批量生產(chǎn)。 設(shè)備：RQ3-60-9井式滲碳爐 滲碳爐是新型節(jié)能周期作業(yè)

15、式熱處理電爐，主要供鋼制零件進(jìn)行氣體滲碳。常用RQ系列滲碳井式爐的型號(hào) 型號(hào)額定功率/kW額定電壓/V相數(shù)額定溫度/工作空間尺寸（直徑深度）/mm在950時(shí)有關(guān)指標(biāo)空爐損耗功率/kW空爐損耗升溫時(shí)間/h最大裝載量/kWRQ3-35-935380395030060092.570RQ3-60-9603803950450600122.5150RQ3-75-9753803950450900142.5220根據(jù)我選擇的齒輪大小，選擇型號(hào)為RQ3-60-9系列的井式滲碳爐比較合適 齒輪在井式爐中的滲碳工藝曲線滲碳層組織表層：細(xì)針狀或隱晶馬氏體+細(xì)顆粒狀彌散均勻分布的碳化物+少量殘余奧氏體；心部：細(xì)晶粒低碳

16、馬氏體組織；表層與心部之間：高碳馬氏體+殘余奧氏體。 滲碳層中有25%30%的殘余奧氏體時(shí)，有利于提高接觸疲勞強(qiáng)度；表面粒狀碳化物增多，提高表面耐磨性及接觸疲勞強(qiáng)度，但碳化物數(shù)量過(guò)多將使沖擊韌度，疲勞強(qiáng)度等性能降低。5.3.3 回火 齒輪淬火后具有較高的強(qiáng)度和硬度，其淬火組織主要是韌性很差的孿晶馬氏體，有較大的淬火內(nèi)應(yīng)力和一些微裂紋，所以回火應(yīng)該及時(shí)點(diǎn)。在180回火能使孿晶馬氏體中過(guò)飽和的固溶碳原子沉淀析出彌散分布的碳化物，既可以提高鋼的韌性，又保持了鋼的硬度、強(qiáng)度、耐磨性。在180回火時(shí)，大部分裂紋已經(jīng)焊合，可大大減輕工件的脆裂傾向。低溫回火得到隱晶的回火馬氏體及在其上分布的均勻細(xì)小的碳化物

17、顆粒，硬度可以達(dá)到55HRC以上。 回火的保溫時(shí)間：2h 回火時(shí)間一般為13小時(shí)在空氣爐中保溫時(shí)間有效厚度/mm2020404060608080100保溫時(shí)間/min30454560609090120120150 合金鋼的保溫時(shí)間按上述表格中所列出的時(shí)間增加20%30%，空氣爐低溫回火的保溫時(shí)間不得低于120min；裝爐量大時(shí)，保溫時(shí)間應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)。所以齒輪的保溫時(shí)間確定為2h。 材料的組織及性能 加熱溫度為180。加熱到100時(shí)馬氏體開(kāi)始分解，共格析出-碳化物，回火保溫足夠長(zhǎng)的時(shí)間后得到回火馬氏體，硬度和耐磨性高。低溫回火時(shí)馬氏體中過(guò)飽和碳原子以碳化物的形式逐步析出, 馬氏體晶格畸變程度減弱,

18、內(nèi)應(yīng)力有所降低。此時(shí)的回火組織由馬氏體和碳化物組成, 稱為回火馬氏體。雖然馬氏體的分解使-Fe中碳的過(guò)飽和程度降低,鋼的硬度相應(yīng)下降,但析出的碳化物又對(duì)基體起強(qiáng)化作用, 部分的殘余奧氏體分解為回火馬氏體, 所以鋼仍保持很高的硬度和耐磨性和一定的韌性。鋼中含有的Si元素能提供鋼的回火抗性，Cr元素能提高回火穩(wěn)定性。回火設(shè)備：低溫箱式爐低溫箱式爐的最高工作溫度為650，用于鋼鐵零件淬火后的回火和時(shí)效處理，也可以作鋁合金的淬火加熱用。其零件的加熱是靠對(duì)流和輻射完成的，在爐頂或爐的后墻上安裝風(fēng)扇以及導(dǎo)風(fēng)裝置，強(qiáng)迫爐內(nèi)氣體的循環(huán)，來(lái)提高爐膛的溫度均勻性和傳熱效果。低溫箱式電阻爐技術(shù)數(shù)據(jù)型號(hào)功率/kW工作溫度/爐膛尺寸（長(zhǎng)寬高）/mm最大裝載量/kgRX31561565060030025080RX37567565018009005501200KH950370650127610601100700KH86176035018009505502100 根據(jù)我選