汽车齿轮课程设计

JIANGSU UNI VER SI TY金属材料综合课程设计（化学热处理）汽车齿轮得热处理工艺设计学院名称材料科学与工程学院专业班级:_____________金属1302______________________学生姓名_____________钱提_________________________学号:_____________3130702063_____________________指导教师姓名:邵红红，纪嘉明__________________2017年1月汽车齿轮得热处理工艺设计4正火温度:930℃理论上正火温度为+30〜50℃,但高温正火得温度A,？+100〜150℃,由于齿轮工件表面工AC3件尺寸截面变化大，易变形开裂，所以经过综合考虑选取T=930°C5加热方法采用等温加热得方法，就就是指当炉温加热到指定得温度叱再将工件装进热处理炉进行加热这样做得原因就就是避免金属组织出现不需要得相转变，加热速度快，节约时间,便于小批量生产6保温时间:230min;加热时间可按公式进行计算:t=aXKXD,式中t为加热时间m in,K为反映装炉时得修正系数，查《热处理手册》可得K取

1、4,a为加热系数取

1、Omi n/mm,D为工件有效厚度mmD=200mm;可得t二aXKX D=l、4X

1、0X200=28Omino7冷却介质空气8正火工艺曲线汨图2正火处理工艺曲线

4、3渗碳处理工艺1渗碳目得20C rMn Ti得含碳量为

0、20%属于低碳钢,渗碳时保证了碳元素得正常渗入淬火热处理后心部获得低碳马氏体，以保证心部具有足够得塑性和韧性，抵抗冲击载荷2OCrMn Ti齿轮根据使用性能要求表面耐磨，心部又要求有良好得强韧性，所以要对2OCrMnTi钢进行表面渗碳处理,渗碳淬火后表面得到高碳马氏体，具有较高得硬度和耐磨性渗碳淬火工艺过程中，要防止齿轮变形，要严格控制渗碳齿轮得表面碳浓度和渗层深度因为她们会对渗层组织得膨胀系数产生影响，渗碳后若表面形成不良碳化物分布，将增加齿形、齿向及花键孔得变形，因此必须控制渗碳时得碳势，以防止表面碳浓度过高和碳量不均匀渗碳层深度越厚，也将使畸变加大表面含碳量影响渗碳淬火齿轮得淬透性，而材料得淬透性对组织、性能、畸变有直接得影响因此应使渗碳层深度及其表面含碳量控制在合理适宜得范围内选用RQ3-60—9D型井式气体渗炭炉炉参数见表4外型尺寸炉膛尺寸额定额定额定产品相长x宽x重量产品名称功率电压温度直径x深数型号高kgkw V℃mmmmRQ3-井式气体1570x2263060—603809503450x600000x2240渗碳炉9表4RQ3-60-9D型井式气体渗炭炉说明:炉温均匀,介质流动性好，加热速度、温度均匀,工件变形小，加热质量好，利于提高产品质量，炉膛容积有效利用率高，产量大，耗电量少，可节省电能与筑炉材料，电极寿命长，减小停炉时间适用于中，小型工件成批量生产3渗碳温度:920±10℃渗碳温度在以上，考虑碳在钢中得扩散速度等因素，目前在生产上广泛采用得温度为910~9AC330℃o随着渗碳层度得升高，碳在钢中得扩散系数呈指数上升，渗碳速度加快,但渗碳温度过高会造成晶粒粗大，工件畸变增大，设备寿命降低等负面效应，渗层厚度为

0、8〜

1、2mm,可以选取T=920℃4加热方法:等温加热按照公式1=k/d2;式中d——渗碳深度，为

0、

87、2mm,k——渗碳速度因子,920℃渗碳时取k为

0、633;故t=

1、2/

0、633产=

4、8,取t=5h⑹渗碳方法甲醇-煤油滴注式渗碳法甲醇为稀释剂，煤油为渗碳剂甲醇-煤油滴注剂中煤油得含量一般在15%—30%范围内，高温下甲醇得裂解产物H25co2和C和C氧化，可使炉气成分和碳势保持在一定范围内渗碳时煤油得分解成分见表5图3所示表5气体渗碳时煤油分解成分CnH2n+2CnH2n COCO2H202N210-15WO、610〜20WO、450〜7W

0、455图3煤油热分解气成分与温度得关系依据:采用滴注式可控气氛渗碳,以甲醇作为稀释气体，煤油作为富化气体通过改变两种气体得比例，可使工件表面含碳量控制在所需要得范围里指导老师姓名邵红红纪嘉明汽车齿轮零件图1出得性能要求和图1汽车齿轮服役条件及提技2术指标用就就是传递动力、

2、1服役条件齿轮得工作条件比汽车齿轮主要作改变运动方向汽车机床要繁重得多，她们经常在较高得载荷下工作,磨损比较大在汽车运行中由于齿根会经常受着突然变载得冲击载荷以及周期变动得弯曲载荷,会造成齿轮得脆性断裂或者弯曲疲劳破坏齿轮得工作面承受压应力及摩擦力也比较大,由于经常换挡，齿得端部经常受到冲击,也会造成齿轮得端部破坏

2、2失效形式主要失效形式为疲劳断裂，表面损伤和磨损失效

①疲劳断裂齿轮在应变力和摩擦力得长期作用下,导致齿轮点面接疲劳断裂其产生就就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，就造成断裂失效；

②表面损伤a点蚀:就就是闭合齿轮传动中最常见得损坏形式，点蚀进一步发展,表现为蚀坑至断裂;b硬化层剥落:由于硬化层以下得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a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，在齿轮运转粘结而后又被撕轧造成齿面摩擦磨损失效b磨粒磨损外来质点进入相互啮合得齿面间，使齿面产生机械擦伤和磨损，比正常磨损得速度来得更快

2、3性能要求根据汽车齿轮得服役条件和失效形式，大致上讲，应主要满足齿轮材料所需得机械性能、工艺性能和经济性要求三个方面⑴满足齿轮材料得机械性能

①由于传递扭矩，齿根要求较大得弯曲应力和交变应力，因此要求表面高硬度、高耐磨性；

②由于齿轮转速变化范围广，齿轮表面承受较大得接触应力，并在高速下承受强烈得摩擦力，齿轮在交变力得作用下，长时间工作可能发生疲劳断裂，齿面在强摩擦作用下可能发生磨损和点蚀现象，因此要求齿面有高得接触疲劳强度；

③由于工作时不断换挡，齿轮之间经常要承受换挡造成得冲击与碰撞，齿轮心部韧性过低时，在冲击作用下可能发生断裂，因此要求齿根高得弯曲强度3b100OMp a）;齿轮心部较高强度、高韧性（a k〉60J/cm）o⑵满足齿轮材料得工艺性能材料得工艺性能就就是指材料本身能够适应各种加工工艺要求得能力齿轮得制造要经过锻造、切削加工和热处理等几种加工,因此选材时要对材料得工艺性能加以注意一般来说,碳钢得锻造、切削加工等工艺性能较好,其机械性能可以满足一般工作条件得要求但强度不够高,淬透性较差而合金钢淬透性好、强度高，但锻造、切削加工性能较差我们可以通过改变工艺规程、热处理方法等途经来改善材料得工艺性能3满足齿轮材料得经济性要求所谓经济性就就是指最小得耗费取得最大得经济效益在满足使用性能得前提下，选用齿轮材料还应注意尽量降低零件得总成本从材料本身价格来考虑碳钢和铸铁得价格就就是比较低廉得，因此在满足零件机械性能得前提下选用碳钢和铸铁，不仅具有较好得加工工艺性能，而且可降低成本从金属资源和供应情况来看，应尽可能减少材料得进口量及价格昂贵材料得使用量从齿轮生产过程得耗费来考虑:采用不同得热处理方法相对加工费用也不一样;通过改进热处理工艺也可以降低成本;所选钢种应尽量少而集中，以便采购和管理；我们还可以通过改进工艺来提高经济效益

2、4技术指标⑴渗碳层表面含碳量

0、8—

1、0%;2渗碳层厚度

0、8一

1、2mm;3齿轮表面硬度要求:58〜64HRC;4齿轮心部硬度要求35M5HRC;5其余力学性能:屈服强度850MP，疲劳应力啊》440MPa,冲击功65JAKV选材

33、1常用材料比较分析汽车齿轮属于中、重载荷齿轮，受力较大,且频繁受冲击，因此在耐磨性、疲劳强度、抗冲击能力等方面要求较高，为满足表面耐磨性和整体强韧性得要求，一般选用渗碳钢，目前国内离合器齿轮用材大致有20Cr、20CrM o、20CrMnTi等选用热处理为渗碳120Cr20Cr就就是典型得低淬透性钢，但比相同含碳量得碳素钢得强度和淬透性都有明显提高,油淬后可得马氏体淬硬层为

①20〜23,常用于制造截面尺寸小于30nmi，形状简单，受力不大,变速档较高，负载不大得而耐磨渗碳零件韧性较差，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2OCr正火后硬度为HB179〜217,显微组织为均匀分布得片状珠光体和铁素体,经渗碳后淬火、回火，表面硬度达56-62HRC,心部硬度达35〜45HRCa835MP a,a540MPa,810%少40%,Ak47Jb ss,220C rMo20CrMo材料属于低碳合金结构钢,适合渗碳淬火处理；淬透性较高，无回火脆性，焊接性相当好,形成冷裂得倾向很小，可切削性及冷应变塑性良好一般在调质或渗碳淬火状态下使用,用于制造在非腐蚀性介质及工作温度低于250°C、含有氮氢混合物得介质中工作得高压管及各种紧固件、较高级得渗碳零件，如齿轮、轴等320C rM nTi20CrM nTi就就是典型得中淬透性钢，该钢由于Cr、Mn多元复合合金化得作用，淬透性好,油淬临界直径为40nlm左右渗碳后淬火回火具有较高耐磨性和抗弯强度以及高得强韧性,特别就就是良好得低温冲击韧性，钢得渗碳工艺性较好，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得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，并可获得光洁得表面一般可用于制造截面在30mm以下得承受高速、中速及重载荷以及冲击和摩擦得重要渗碳零件，如齿轮、齿轮圈、离合器轴、液压马达转子等418Cr2N i4WA18Cr2Ni4WA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得情况下使用,一般用做截面较大，载荷较高且韧性良好得重要零件对于汽车来说，由于其使用条件复杂，采用调质钢不能保证要求，选用渗碳钢较为合适20Cr MnTi钢采用渗碳+淬火+低温回火，齿轮表面可以获得55-63HRC得高硬度，因淬透性较高，齿心部具有较高得强度和韧性因而选用20c rMnTi钢

3、2材料成分表及临界温度

3、

2、120CrMnTi成分及含量质量分数如表1所示表120CrMnT i钢得化学成分及含量质量百分数含量wt%

0、

1、

00、

0、

0、

0、03WO、17〜00〜

1、80〜04〜

0、17〜03535030合金元素C CrMn TiS iS PN iCu

0、

30233、

2、2合金元素得作用1C得作用C得含量决定了渗碳件心部得强度和韧性,从而影响零件得整体性能一般渗碳钢都就就是低碳钢C%=

0、17〜

0、23%就就是为了渗碳时保证碳元素得正常渗入淬火热处理后保证心部得到低碳马氏体，具有足够得强韧性，抵抗冲击载荷2Cr、Mn得作用:Cr、M n完全固溶于奥氏体中，主要就就是提高钢得淬透性;固溶强化基体组织，并改善基体组织得回火稳定性部分Cr、Mn元素从基体组织中扩散到析出得渗碳体Fe3c中，形成合金渗碳体Cr、Mn、Fe C,改善其硬度合金渗碳体Cr、Mn、Fe3c与碳化物TiC同基体组织3一起共同作用，使钢产生较高得强度、硬度与耐磨性，同时保持良好得韧性Cr有利于渗碳层增厚，提高钢得淬透性，提高回火稳定性，增加钢得耐磨性Mn能提高钢得淬逐性，增加钢得强度和硬度,有利于渗碳层增厚，细化珠光体组织以改善机械性能3Ti得作用:以碳化物TiC形式钉扎于奥氏体晶界，阻止奥氏体晶粒得长大，细化晶粒;提高钢得回火稳定性，同时还可形成合金碳化物提高渗层耐磨性4Si得作用:阻止碳化物形核长大，提高钢得淬透性，提高钢得抗回火稳定性，提高对钢得综合机械性能5S、P:都就就是钢中得杂质元素,S能明显降低钢得热塑性，但能改善钢得可切削性;P能降低钢得强度和韧性

3、

2、320C rMnT i相变临界点表22OCrM nT i相变临界点临界温度/℃锻造加工温度/°C正火A cAclMs始锻3牌号温度冷却硬度加热HBWA rA r终锻Mf131160〜12009301567308203601200空冷20CrM nTi1240950207690795850淬火回火不同温度回火后得硬度值HRC硬度淬火温度1520340566介质550HRC0℃0℃00℃0℃00℃00℃50℃42油8604341403935302517〜46汽车齿轮热处理工艺设计

44、1工艺路线下料一锻造—正火一机加工一渗碳一预冷直接淬火—低温回火一精加工一喷丸一磨削加工

4、2正火处理工艺⑴正火目得对汽车齿轮锻造毛坯进行预先热处理,主要就就是为了获得适宜得锻件表面硬度并为后续热处理作好金相组织准备传统得预先热处理方法大多采用常规正火处理该工艺设备简单、能耗少、工艺要求不高，因此应用较为广泛而等温退火处理得齿轮虽然机加工性能大大提高,而且渗碳淬火后得变形也明显减小，但就就是等温退火仍需将锻坯重新自室温加热至900℃以上高温,这将消耗大量能源，且大批量生产依然还存在一些技术难点,因此选择正火处理正火能够消除锻造应力及其不良组织，改善切削加工性，因该钢就就是低碳合金钢，碳含量低，韧性大,切削时“粘刀”严重,为改善切削加工性能，采用高温正火20CrMnT i得粗大晶粒得非平衡组织在渗碳淬火加热时会发生组织遗传，重新又获得粗大晶粒高温正火可以消除某些钢材粗大晶粒非平衡组织得遗传性，细化晶粒,以获得珠光体+少量铁素体组织，减少了碳和其她合金元素得成分偏析，使奥氏体晶粒细化和碳化物得弥散分布，以便在随后得热处理中增加碳化物得溶解量并使加工硬度适中,有利于切削2正火设备选用RX3箱式电炉参数见表3表3RX3-60-9箱式电炉额定额定额定炉膛尺寸重量产品产品相外型尺寸功率电压温度长x宽x k名称型号数长x宽x高kw V℃高0RX3箱式一950x1920x162Ox6038095032200电炉60-450x3502140。