20CrMnMo齒輪熱處理

1、1 緒 論11.1 熱處理工藝課程設計的目的11.2 課程設計的任務11.3 熱處理工藝設計的方法12 熱處理工藝課程設計內(nèi)容和步驟12.1 課題工件簡圖12.2 技術要求：22.3 特點22.4 適用范圍22.5 齒輪的性能要求及為何選用20CrMnMo22.6 化學成分作用32.7 20CrMnMo鋼的淬透性曲線42.8 淬透性52.9 滲碳熱處理工藝規(guī)范52.10 鋼的等溫轉(zhuǎn)變和連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變53 熱處理工藝方案以及參數(shù)論述63.1 熱處理工藝流程63.2 熱處理工藝方案論證63.2.1 20CrMnMo處理溫度以及冷卻方式63.2.2 熱處理方案制定63.3 熱處理方案63.3.1 正火

2、73.3.2 正火工藝曲線73.3.3 正火冷卻83.4 20CrMnMo的滲碳工藝83.4.1 滲碳的目的83.4.2 滲碳過程83.5 20CrMnMo的淬火工藝93.5.1 滲碳后一次重新加熱淬火的目的93.5.2 淬火事項93.6 低溫回火工藝103.6.1 回火的目的103.6.2 回火溫度113.6.3 加熱介質(zhì)113.6.4 保溫時間113.6.5 回火工藝曲線113.6.6 冷卻方式124 總的熱處理工藝曲線124.1 熱處理總工藝曲線124.2 選擇加熱設備124.2.1 裝置選擇：井式電阻爐124.3.1 井式氣體滲碳爐型號規(guī)格及技術數(shù)據(jù)135 工裝圖145.1 工裝圖及裝

3、件146 工序質(zhì)量檢驗157 熱處理工藝過程中常見缺陷分析157.1 常見的淬火及防護措施157.2 常見的滲碳缺陷及防護措施168 心得體會179 參考文獻1720CrMnMo齒輪熱處理工藝設計1 緒 論1.1 熱處理工藝課程設計的目的熱處理工藝課程設計是高等工業(yè)學校金屬材料工程專業(yè)一次專業(yè)課設計練習，是熱處理原理與工藝課程的最后一個教學環(huán)節(jié)。其目的是：（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、

4、標準和規(guī)范。因此，本課程設計要求我們綜合運用所學來的知識 解決生產(chǎn)實踐中的熱處理文藝，包括工藝設計中的細節(jié)問題，如設備的選用，為何選用該設備溫度調(diào)節(jié)，。要求我們設計工藝流程，并且需要我們翻閱大量文獻。靈活運用書籍中的資料，精簡知識，精要描繪并且完整體現(xiàn)出來，不能一蹴而就。 課程設計的任務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。 熱處理工藝設

5、計的方法熱處理工藝的最佳方案是在能夠保證達到根據(jù)零件使用性能和由產(chǎn)品設計者提出的熱處理技術要求的基礎上，設計的一種高質(zhì)量、低成本、低能耗、清潔、高效、精確的熱處理工藝方法，通過綜合經(jīng)濟技術分析，確定最佳熱處理工藝方案。最后，編寫主要熱處理工序的操作守則。2 熱處理工藝課程設計內(nèi)容和步驟2.1 課題工件簡圖圖2.1 工件示意圖（單位：mm）材料：20CrMnMo2.2 技術要求：1. 由于齒面硬度很高，具有很強的抗點蝕和耐磨損性能；心部具有很好的韌性，表面經(jīng)硬化后產(chǎn)生的殘余應力，大大提高了齒根強度；一半齒面硬度范圍5663HRC。2. 簡要流程：下料-鍛造-正火-粗加工-滲碳-淬火-低溫回火-精

6、磨-成品。2.3 特點1. 加工性能好。2. 熱處理畸變較大，熱處理后應磨齒，可以獲得高的精度。2.4 適用范圍廣泛用于要求承載能力高，抗沖擊性能好，精度高，體積小的中型一下齒輪，多出應用于汽車變速器，分動箱，起動機及驅(qū)動橋的各類齒輪以及拖拉機的動力傳送裝置的各類齒輪，20CrMnMo的性能要比20CrMnTi的性能相對較硬。2.5 齒輪的性能要求及為何選用20CrMnMo為保證齒輪的正常工作,齒輪應具備以下主要性能:1. 高的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強。除材料本身性能外，還可以依靠齒輪的表面強化處理來實現(xiàn)。2. 齒面具有高的硬度和耐磨性，以防止黏著磨損和應力磨損。耐磨性的提高，主要依靠提高表面

7、硬度和降低摩擦因數(shù)來實現(xiàn)。3. 齒輪心部具有足夠的強度和韌性，以提高承載能力。常用的滲碳鋼有20CrMnMo，20CrMnTi。本次設計我用的是20CrMnMo。20CrMnMo淬火溫度850，只需要一次，冷卻方式與20CrMnTi一樣，都采用油冷，一般可制造小雨300mm的高速，中載，受沖擊和磨損的重要零件，適用于拖拉機變速箱齒輪，離合器軸和車輛上的主動軸，但某些方面優(yōu)于20CrMnTi。表2.1 20CrMnMo的化學成分1 C Si Mn Cr Mo P,S Ni C2.6 化學成分作用鉻（Cr的影響） 鉻為碳化物形成元素。它能顯著提高強度、硬度和耐磨性，但同時降低塑性和韌性；

8、阻止晶粒長大，增加鋼的淬透性，降低鋼的臨界冷卻速度。因而，使鋼在熱處理時，退火、正火、淬火的加熱溫度有所提高。并使它在油中便能淬硬。但它降低了鋼的馬氏體點，因而增加了鋼殘余奧氏體量。使鋼的奧氏體不穩(wěn)定區(qū)域變?yōu)?00-500和400-250。提高了鋼的硬度和強度，增加了鋼在高溫回火時強度降低的抗力。鉬（Mo的影響）提高鋼的淬透性，熱強性，有二次硬化的作用，能降低回火脆性。錳（Mn）降低鋼的Ac1和Ac3而使鋼在熱處理時的溫度有所降低。增加奧氏體的穩(wěn)定性，降低鋼的臨界冷卻速度，但它使參與奧氏體量增加?？梢詼p少鋼在淬火時的變形和增加鋼的強度和硬度。使鋼的回火脆性與晶粒長大的作用增大。表2.2 20C

9、rMnMo的熱處理基本參數(shù)2臨界溫度Ac1Ac3Ar1Ar3Ms溫度/710830620740-20CrMnMo屬于亞共析鋼，緩慢冷卻到室溫后的組織為鐵素體+珠光體，從鋼的分類來看，20CrMnMo鋼屬于高級滲碳結構鋼，以加工和加熱并且性能良好，強度，塑性和韌性都比較高，過熱傾向小，無回火脆性，即可做滲碳鋼使用，也可作為調(diào)質(zhì)鋼使用，滲碳淬火后具有較高的抗彎強度和耐磨性，但是磨削時容易產(chǎn)生裂紋，淬火以及低溫揮霍具有良好的綜合力學性能和低溫沖擊任性。20CrMnMo鋼采用低溫回火，表面可獲得60-65HRC的高硬度。20CrMnMo的含碳量為0.2%屬于低碳鋼，滲碳時保證了碳元素的正常滲入。鋼中合

10、金元素為Cr小于1.4%，Mn小于1.2%,Mo小于0.3%。加工時要對20CrMnMo進行表面滲碳處理，滲碳淬火后表面得到高談馬氏體，具有較高的耐磨性。2.7 20CrMnMo鋼的淬透性曲線如圖2.2 20CrMnMo鋼淬透性曲線圖2.2 鋼淬透性曲線32.8 淬透性淬透性：淬透性隨著淬火溫度提高而增加，因為溫度升高，奧氏體晶粒尺寸增大，淬透性提高。但是如果溫度過高，奧氏體晶粒過于粗大淬火后會產(chǎn)生開裂或者變形。2.9 滲碳熱處理工藝規(guī)范滲碳熱處理工藝規(guī)范3滲碳/淬火溫度/淬火冷卻/回火溫度/回火冷卻920940爐內(nèi)降溫至830850 油冷180200 空冷2.10 鋼的等溫轉(zhuǎn)變和連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變

11、如圖2.3 鋼的等溫轉(zhuǎn)變圖和連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖2.3 鋼的等溫轉(zhuǎn)變和連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變33 熱處理工藝方案以及參數(shù)論述3.1 熱處理工藝流程簡要流程：下料-鍛造-正火-粗加工-滲碳-淬火-低溫回火-精磨-成品。3.2 熱處理工藝方案論證3.2.1 20CrMnMo處理溫度以及冷卻方式表3.1 20CrMnMo處理溫度以及冷卻方式4正火滲碳870±10925±1035min空冷空冷低溫回火160±10空冷3.2.2 熱處理方案制定20CrMnMo鋼經(jīng)熱加工后,必須經(jīng)過預備熱處理來降低硬度,消除熱加工時造成的組織缺陷,細化晶粒,改善組織,為最終熱處理做好準備,對于20CrMnM

12、o鋼而言,正火可以細化晶粒,是組織均勻化,消除切削加工后的組織櫻花現(xiàn)象和去除內(nèi)應力.接著進行滲碳淬火,得到高強度,高硬度,高抗彎強度和耐磨性,滿足加工齒輪的使用要求。經(jīng)過滲碳后,僅使表面層的含碳量提高0.7%1.05%,仍達不到表層高硬度和耐磨的要求.因此,滲碳后還需要淬火和低溫回火,使工件表層具有高的硬變和耐磨性.滲碳的目的是提高工件表面碳濃度,以便淬火后達到提高表面硬度和耐磨性的目的.滲碳后淬火加低溫回火是達到表層高硬度的熱處理方式,淬火后低溫回火,表層得到回火馬氏體組織,耐磨性達到較高水平,淬火的目的是提高硬度,淬火使得到盡量多的馬氏體組織,得到高硬度,回火是為了馬氏體二次分解形成索氏體

13、,以便得到良好的機械性能。3.3 熱處理方案3.3.1 正火正火可以細化晶粒,使組織均勻化。消除切削加工后的組織硬化現(xiàn)象和去除內(nèi)應力。消除共析鋼中的網(wǎng)狀硬化物,為熱處理做好組織準備。加熱溫度:870±10因為20CrMnMo是亞共析鋼，鋼中含有碳化物形成元素。為使合金中難溶的特殊碳化物溶入奧氏體中，使奧氏體合金化程度增高，正火的加熱溫度為Ac3以上3050，20CrMnMo的含碳量為0.20%，Ac3為830，所以將鋼件的加熱溫度確定為870。采用到溫加熱的方法,是指當爐溫加熱到指定的溫度時,再將工件裝進熱處理爐進行加熱,原因是加熱速度過快,節(jié)約時間。保溫時間=保溫時間系數(shù)×

14、;有效尺寸，保溫時間用表示。合金鋼保溫時間系數(shù)（mm/min） 保溫時間=保溫時間系數(shù)×裝爐修正系數(shù)×工件厚度。工件加熱保溫時間與加熱介質(zhì)，材料成分，爐溫，工件的形狀和大小，裝爐量和裝爐量等因素有關。一般用經(jīng)驗公式來計算保溫時間：保溫時間=保溫時間系數(shù)×裝爐系數(shù)×工件的有效厚度。合金結構鋼選擇750900井式電阻爐加熱的保溫時間系數(shù)選為1.5，裝爐系數(shù)K一般選擇1.4。工件的有效厚度為D=(10*3)2=15mm所以=×K×××15=31.5min取35min。3.3.2 正火工藝曲線 如圖3.1 正火工

15、藝曲線圖3.1 正火工藝曲線3.3.3 正火冷卻冷卻方式采用出爐空冷冷卻介質(zhì)是空氣正火組織產(chǎn)生細珠光體。3.4 20CrMnMo的滲碳工藝3.4.1 滲碳的目的滲碳的具體方法是將工件置入具有活性滲碳介質(zhì)中，加熱到900-950的單相奧氏體區(qū)，保溫足夠時間后，使?jié)B碳介質(zhì)中分解出的活性碳原子滲入鋼件表層，從而獲得表層高碳，心部仍保持原有成分。 相似的還有低溫滲氮處理。這是金屬材料常見的一種熱處理工藝，它可以使?jié)B過碳的工件表面獲得很高的硬度，提高其耐磨程度。滲碳可以在多方面提高鋼件的機械性能,可以提高鋼件的硬度和耐磨性,降低沖擊任性和斷裂韌性(沖擊韌性和斷裂任性隨著表面碳含量的越高,碳層越深,降低的

16、越多),同事可以提高疲勞強度.采用爐內(nèi)滴注式氣體滲碳，高溫下甲醇的裂解產(chǎn)物H2O,CO2等將CH4和C氧化?？墒範t氣成分和碳勢保持在一定范圍內(nèi)滲碳溫度:目前在生產(chǎn)上廣泛使用的溫度920-940.通常滲碳的溫度選擇要根據(jù)滲層的深度確定。根據(jù)本次材料以及用途決定滲層深度為0.9-1.2，滲碳溫度為925±10。3.4.2 滲碳過程;采用的滲碳介質(zhì)是煤油,并且滲碳保溫時間是2.5小時。公式為： (mm)：滲碳層深度；K：與滲碳溫度有關的系數(shù)925時K=0.633；t(min)：滲碳保溫時間。經(jīng)計算選滲碳時間t=（0.9/0.63）×2.5h?？绽?。表面為碳化物+珠光體，

17、心部為珠光體;如圖3.2 20CrMnMo鋼滲工藝曲線 溫度 925 30min 1h 2h 850 排氣 強滲 降溫 保溫圖3.2 鋼滲碳工藝曲線降低滲碳溫度,具有節(jié)能降耗、減小工件變形、減小材料晶粒粗化傾向、細化組織等優(yōu)點滲碳層硬度梯度趨于平緩。3.5 20CrMnMo的淬火工藝3.5.1 滲碳后一次重新加熱淬火的目的提高硬度和耐磨性，如刃具，量具，模具等；提高強韌性，提高耐腐蝕性和耐熱性。3.5.2 淬火事項840±10，依據(jù)亞共析鋼加熱溫度選用AC3+（30-50），這樣既能保證充分奧氏體化，又保持奧氏體晶粒細小。淬火加熱時間包括升溫和保溫時間兩個時間段，升溫時間包括想變重結

18、晶時間，保溫時間實際上只考慮碳化物溶解和奧氏體成分均勻化所需要的時間。公式：t=×K×Dt:保溫時間（min），a：鋼在不同介質(zhì)中加熱時的保溫系數(shù)（minmm）()，k：零件裝爐調(diào)整系數(shù)（1.3），D：零件有效厚度（15mm），因此此次保溫時間為 t=23.4min，所以時間為0.5h。 表面是高碳馬氏體+碳化物+殘余奧氏體；心部是低碳馬氏體+殘余奧氏體。圖3.3 淬火工藝曲線正常加熱冷卻：工件加熱到860后珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，保溫時組織不變，晶粒細化，出爐油冷到室溫可以獲得馬氏體和少量殘余奧氏體，具有很高的耐磨性和硬度。3.6 低溫回火工藝3.6.1 回火的目的回火是將淬

19、火后的零件加熱到A1一下的某一溫度，保溫一定時間后，以適當?shù)男问嚼鋮s到室溫的熱處理工藝?；鼗鸬闹饕康氖鞘沽慵懈叩挠捕群湍湍バ?消除了淬火應力與脆性，改善了零件淬火后的韌性及組織穩(wěn)定性。并且，降低或消除淬火引起的殘余應力。由于淬火馬氏體和殘余奧氏體都是不穩(wěn)定組織，在工件中會發(fā)生分解，從而導致工件的尺寸不精確。某些碳含量較高的鋼制大型零件或復雜零件甚至淬火后在等待回火的期間就發(fā)生突然爆裂。所以說，淬火零件不經(jīng)回火就投入使用時危險地，也是不允許的。滲碳和碳氮共滲淬火后的零件，一般要進行低溫回火處理。低溫回火時，馬氏體發(fā)生分解，得到回火馬氏體，淬火內(nèi)應力得到部分消除，淬火時產(chǎn)的微紋也大部分得到愈合

20、，因此低溫回火也可以在很少降低硬度的同時使鋼的韌性明顯提高。3.6.2 回火溫度回火加熱溫度選擇160±10。依據(jù)：在低溫回火時馬氏體發(fā)生分解，析出碳化物成為馬氏體，淬火內(nèi)應力得到部分消除，淬火時產(chǎn)生的微紋也大部分也得到愈合，因此低溫回火也可以在很少降低硬度的同時使鋼的韌性明顯提高。通常滲碳和滲氮零件的回火溫度是180。3.6.3 加熱介質(zhì)加熱介質(zhì)：空氣。 3.6.4 保溫時間保溫時間為1.5h 確定回火保溫時間一般的做法是根據(jù)工件的截面厚度而定，一般每25mm厚度保溫1-2h，溫度高可酌情縮短?；鼗鸬谋貢r間一般為1-3小時。3.6.5 回火工藝曲線圖3.4 回火工藝曲線3.6.6

21、 冷卻方式冷卻方式：出爐空冷。4 總的熱處理工藝曲線4.1 熱處理總工藝曲線如圖4.1 熱處理總工藝曲線圖4.1 熱處理總工藝曲線4.2 選擇加熱設備4.2.1 裝置選擇：井式電阻爐表4.1 RJ3-75-9井式電阻爐產(chǎn)品規(guī)格及技術參數(shù)5型號功率/kw電壓/V相數(shù)額定溫度/爐膛尺寸（直徑深度）/mmmm爐溫850時的指標空爐損耗功率/kw空爐升溫時間/h最大裝載量/kgRJ2-40-9403803950600×8009350材料是20CrMnMo，它的正火溫度在870左右?？紤]到中溫爐在中溫測量時比較準確，因而選用中溫井式爐。井式爐示意圖如圖4.2 井式爐示意圖如圖4.2 井式爐示意

22、圖64.3 井式滲碳爐滲碳爐是新型節(jié)能周期作業(yè)式熱處理電爐，主要供鋼制零件進行氣體滲碳。由于選用超輕質(zhì)節(jié)能盧琛材料和先進的一體化水冷爐用密封風機，滲碳爐爐溫均勻，升溫快，保溫好，工件滲碳速度加快，滲碳氣氛均勻，滲層均勻，在爐壓提高時，無任何泄漏。提高了生產(chǎn)效率和滲碳質(zhì)量。4.3.1 井式氣體滲碳爐型號規(guī)格及技術數(shù)據(jù)表4.2 RQ3-75-9 950井式氣體滲碳爐的型號規(guī)格及技術數(shù)據(jù)7額定功率KW額定電壓V額定溫度加熱區(qū)數(shù)電熱原件接法工作空間尺寸（直徑×深）空爐升溫時間h空爐損耗功率KW最大裝載量753809501Y450×900142204.4 井式氣體滲碳爐如圖4.3 井

23、式氣體滲碳爐81滲碳工件 2耐熱罐 3加熱元件 4風扇 5液體滲碳劑 6廢氣 7沙封。5 工裝圖5.1 工裝圖及裝件如圖5.1 工裝圖5.2 裝件底面一圓盤中，中間兩個圓盤通孔若干，整個工裝筐由底盤，中間支撐軸以及工件固定桿組成，使用時將工裝筐置于平地，將每個齒輪水平套進工件固定桿，每個工件固定桿之間距離固定，防止工件與工件之間相互接觸，磨損，導致淬火不均勻，每個工件之間擺放位置井然有序，節(jié)省空間，大量提升了空間利用率。中間軸設計為彎鉤，方便勾吊。 裝爐量：16*6=96.6 工序質(zhì)量檢驗檢查主軸的外觀表面，滲層深度，硬度，金相組織是否達到設計的要求1. 外觀：表面無損傷，燒傷，眼中腐蝕等缺陷

24、；使用測量工具測量，用顯微鏡看表面是否有裂紋。2. 滲層深度的檢測。打斷試樣，磨光，腐蝕。3. 硬度的檢測。60-65HRC，洛氏硬度計打硬度4. 金相組織：馬氏體，殘余奧氏體以及少量條狀碳化物采用重載齒輪滲碳金相檢驗評定。5. 工件變形檢驗：根據(jù)圖樣技術檢驗工件撓曲變形，尺寸及幾何形狀的變化。7 熱處理工藝過程中常見缺陷分析7.1 常見的淬火及防護措施表7.1 淬火缺陷及其產(chǎn)生的原因及預防措施9缺陷產(chǎn)生原因預防措施硬度不 足亞共析剛加熱不足，有未溶鐵素體冷卻速度不夠在淬火介質(zhì)中停留時間不夠氧化和脫碳導致淬火后的硬度降低正確選擇并嚴格控制加熱溫度，保留時間和爐溫的均勻性合理選擇淬火介質(zhì)；控制淬火介質(zhì)的溫度不超過最高使用溫度；定期檢查或更換淬火介質(zhì)正確控制在淬火介質(zhì)中的停留時間采取防氧化脫碳措施；采用下線加熱溫度；在600左右預熱，然后再加熱到淬火溫度，縮短高溫加熱時間7.2 常見的滲碳缺陷及防護措施表7.2 常見滲碳缺陷原因以及防止措施10 常見缺陷 產(chǎn)生原因 防止方法 表面碳質(zhì)量分數(shù)低1. 爐溫低2. 滲劑滴量少3. 爐子漏氣4. 工件表面不干凈 1.校檢儀表，調(diào)整溫度 4.清理工件表面，補滲 滲層深度不夠1. 保溫時間不夠2. 表面碳質(zhì)量分數(shù)低1. 適當延長保溫時間2. 按正常滲劑滴量補滲 滲層不均勻2.零件表面不清潔，有銹點、油污