20CrMnTi解放牌載重汽車變速箱變速齒輪熱處理工藝設計

1、目錄1 .緒論31.1 弓I言31.2 20CrMnTi鋼的基本性質41.2.1 鋼的化學成分和力學性能41.2.2 合金元素的作用51.2.3 淬透性51.3 解放牌汽車變速箱變速齒輪的熱處理工藝設計51.3.1 服役條件61.3.2 失效形式61.3.3 性能要求72 .20CrMnTi鋼變速齒輪生產工藝路線及分析92.1 CrMnTi鋼變速齒輪生產工藝路線92.2 加工工藝路線的分析92.2.1 正火92.2.2 +淬火+回火92.2.3 噴丸112.2.4 檢驗113 .各種熱處理后的金相組織分析123.1 20CrMnTi等溫正火后金相組織123.2 20CrMnTi淬火、回火處理金

2、相組織134 .熱處理工藝過程中的質量檢驗項目154.1 滲碳淬火后齒輪的檢驗項目、內容和要求154.2 滲碳齒輪的常見缺陷及防止措施165 .質量控制與檢驗方法195.1 隨爐試樣檢驗195.2 齒輪熱處理質量檢驗22總結24致謝25參考文獻261 .緒論1.1 引言熱處理工藝是金屬材料工程的重要組成部分。現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展對機械零部件的要求愈來愈高，因此通過熱處理可以改變材料的加工工藝性能，充分發(fā)揮材料的潛力，提高工件的使用壽命。熱處理不僅對鍛造機械加工的順利進行和保證加工效果起著重要作用，而且在改善或消除加工后缺陷，提高工件的使用壽命等方面起著重要作用。為獲得理想組織性能，保證零件在生產

3、過程中的質量穩(wěn)定性和使用壽命，就必須從工件的特點、要求和技術條件，認真分析產品在使用過程中的受力狀況和可能的失效形式，正確選擇材料；再根據(jù)生產規(guī)模、現(xiàn)場條件、熱處理設備提出幾種可行的熱處理方案，最后根據(jù)其經濟性、方便性、質量穩(wěn)定和便于管理、降低成本等因素，確定出一種最佳方案。本設計便是對20CrMnTi解放牌載重汽車變速箱變速齒輪熱處理工藝進行詳細的說明，從選材下料到熱處理工藝路線，以及最后的質量檢驗、可能產生的缺陷及預防措施等，都進行逐一分析和講解，盡可能的將整個過程詳盡的展現(xiàn)出來，從而對大家有所幫助。1.2 20CrMnTi鋼的基本性質20CrMnTi齒輪鋼是為含碳量為0.17%-0.24

4、%的低碳鋼。汽車上多用其制造傳動齒輪，是中淬透性滲碳鋼中CrMnTi鋼，具淬透性較高，在保證淬透情況下，具有較高的強度和韌性，特別是具有較高的低溫沖擊韌性，其焊接性中等，正火后可切削性良好。用于制造截面30mm0勺承受高速、中等或重載荷、沖擊及摩擦的重要零件，如齒輪、齒圈、齒輪軸十字等。20CrMnTi表面滲碳硬化處理用鋼。良好的加工性，特加工變形微小，抗疲勞性能相好。1.2.1 鋼的化學成分和力學性能表1-1鋼的化學成份碳C:0.170.23硅Si:0.170.37鎰Mn：0.801.10硫S:允許殘留含量w0.035磷P:允許殘留含量w0.035銘Cr:1.001.30銀Ni:允許殘留含量

5、w0.035銅Cu:允許殘留含量w0.035鈦Ti:0.040.10表1-2鋼的力學性能抗拉強度gb(MPa)>1080(110)屈服強度(rs(MPa)>835(85)伸長率”()>10斷面收縮率H%)>45沖擊功Akv(J)>55沖擊韌性值%kv(J/cm2)A69(7)硬度w217HB1.2.2 含碳量及合金元素的作用20CrMnTi齒輪鋼是為含碳量為0.17%-0.24%的低碳鋼。根據(jù)該齒輪的工作特點，結合其使用要求，應選用低合金滲碳鋼，一是含有較多的合金元素，確保了滲碳后淬透性，減少齒輪的變形量。二是齒輪基體的強度和韌性得到了保障，能夠滿足齒輪的工作需要

6、。含碳量低可使齒輪心部具有良好的韌性。合金元素銘和鎰的存在提高了淬透性，心部得到低碳馬氏體組織，增強了鋼的強度；而銘元素還有促進滲碳、提高滲碳速度的作用；鎰具有減弱滲碳時表面含碳量過高的作用；而鈦阻止晶粒的長大，提高軸承鋼的強度和韌性。1.2.3 淬透性淬透性的波動范圍直接影響到齒輪的產品質量。淬透性過低，則制成的齒輪滲碳淬火后，心部硬度低于技術條件規(guī)定的數(shù)值，疲勞試驗時，齒輪的疲勞壽命降低；若淬透性過高，則齒輪滲碳淬火后，內孔收縮量過大而影響齒輪裝配。在20CrMnTi鋼中，碳、鎰元素顯著增強其淬透性，銘元素則影響不大，鈦元素對淬透性的影響有兩個方面：當Ti<0.07%時，提高淬透性；

7、Ti<0.07%時，則降低鋼的淬透性。1.3 解放牌汽車變速箱變速齒輪的熱處理工藝設計齒輪是機械設備及汽車中的重要零件，變速箱齒輪為汽車、拖拉機等發(fā)動機的重要部件，用于改變發(fā)動機曲軸和傳動軸的速度比。故齒面在較高的載荷（沖擊載荷和交變載荷等）下工作，因此磨損快。在工作過程中，通過齒面的接觸傳遞動力，兩齒面在相對運動過程中,既有滾動也有滑動，存在較大的壓應力和摩擦力，經常換擋使齒端部受到沖擊。要求變速箱齒輪具有高的抗彎強度、接觸疲勞強度和良好的耐磨性，心部有足夠的強度和沖擊韌性。齒輪在傳遞力及改變速度的運動過程中嚙合齒面之間既有滾動，又有滑動而且齒面還受到脈動或交變彎曲應力的作用。1.3.

8、1 服役條件A汽車齒輪的工作條件比機床要繁重得多，它們經常在較高的載荷下工作，磨損亦較大。B在汽車運行中由于齒根受著突然變載的沖擊載荷以及周期變動的彎曲載荷，會造成輪齒的脆性斷裂或彎曲疲勞破壞。C輪齒的工作面承受著較大的壓應力及摩擦力，會造成麻點、接觸疲勞破壞及深層剝落，由于經常換檔，齒的端部經常受到沖擊，也會造成輪齒的端部破壞。因此在耐磨性、疲勞強度、心部強度和沖擊韌性等方面的要求均比機床齒輪高。1.3.2 失效形式(1)疲勞斷裂齒輪在交變應力和摩擦力的長期作用下，導致齒輪點面接疲勞斷裂。其產生是由于當齒輪受到彎曲應力超過其持久極限就出現(xiàn)疲勞破壞而超過材料抗彎強度時，就造成斷裂失效；(2)表

9、面損傷a點蝕：是閉式齒輪傳動中最常見的損壞形式，點蝕進一步發(fā)展，表現(xiàn)為蝕坑至斷裂；b硬化層剝落：由于硬化層以下的過渡區(qū)金屬在高接觸應力作用下產生塑性變形，使表面壓應力降低，形成裂紋造成碳化層剝落；(3)磨損失效a摩擦磨損：汽車、拖拉機上變速齒輪屬于主載荷齒輪，受力比較大，摩擦產生熱量較大，齒面因軟化而造成塑性變形，在齒輪運轉時粘結而后又被撕裂，造成齒面摩擦磨損失效b磨粒磨損：外來質點進入相互嚙合的齒面間，使齒面產生機械擦傷和磨損，比正常磨損的速度來得更快。另外，齒輪除上述失效形式外，還有在換檔時，齒端相互撞擊，而造成的齒端磨損，或因換檔過猛或過載造成斷裂以及齒面塑性變形，崩角等失效形式。1.3

10、.3 性能要求根據(jù)變速齒輪服役條件及失效形式，對齒輪的性能作如下要求：(1)有較高的彎曲疲勞強度；(2)表面有高的硬度和耐磨性；(3)具有高接觸疲勞抗力；(4)足夠的塑性和韌性；(5)高的淬透性。由于傳遞扭矩，齒根要承受較大的彎曲應力和交變應力，由于傳遞扭矩，齒根要承受較大的彎曲應力和交變應力，因此要求表面高硬度、高耐磨性：齒面硬度58-64HRC,心部硬度30-45HRC由于變速箱齒輪轉速變化范圍廣，齒輪表面承受較大的接觸應力，并在高速下承受強烈的磨擦力，輪齒在交變應力的作用下，長時間工作可能發(fā)生疲勞斷裂，齒面在強磨擦作用下可能發(fā)生磨損和點蝕現(xiàn)象因此要求齒面有高的接觸疲勞強度。由于工作時不斷

11、換檔，輪齒之間經常要承受換檔造成的沖擊與碰撞，齒輪心部韌性過低時，在沖擊作用下可能發(fā)生斷裂，齒根高的彎曲強度(Tb>1000M陽因此要求齒輪心部較高強度、高韌性(ak>60J/cm)2. 20CrMnTi鋼變速齒輪加工工藝路線及分析2.1 變速箱齒輪常用的加工工藝路線下料一鍛造一等溫正火-機械加工一滲碳十淬火十回火一噴丸一磨削一檢驗。2.2 各種工藝路線的分析2.2.1 等溫正火鍛坯等溫正火是為消除內應力，改善、細化組織，為后續(xù)加做準備，便于切削加工。設備：RJX-75-9t/h圖2-1正火工藝曲線2.2.2 滲碳+淬火+回火a滲碳：使機械零件獲得高的表面硬度，耐磨性和高的接觸疲勞

12、強度和彎曲疲勞強度。滲碳溫度：920950C,保溫時間按滲碳層深度確定，取t=6h,滲碳層深度：1.81.9mm20CrMnTi滲碳采用井式氣體滲碳爐滲碳，滲碳氣體使用碳氫化合物有機液體，如煤油、丙酮等直接滴入爐內氣體而得，為提高滲入速度，是表面達到合適的含碳量，將滲入過程分兩個過程進行，即滲入階段和擴散階段。b淬火：20CrMnTi經滲碳后直接進行淬火。齒輪滲碳后可預冷到870880c并保溫一段時間，預冷過程中滲碳層析出二次滲碳體，深層中殘余奧氏體量減少，預冷溫度不應過低，以免心部游離鐵素體增多，降低心部硬度，預冷應在爐內進行，并應防止表面脫碳，選擇870C,預冷2h。淬火介質選擇10#機械

13、油，因為20CrMnTi淬透性好，油淬臨界直徑Db<40mm由淬后可減少滲碳層中殘余奧氏體，提高耐磨性和接觸疲勞強度而心部有較高強度和韌性，淬火表面硬度HRC58-63,心部HRC3345。設備：RQ3-75-9T。其滲碳后淬火工藝路線如下：930±10甲等清滴/min)煤油稠it八摘900爐壓/Pa候冷強灣15-204。20255-10ft®時間/h45min3,52,5圖2-3滲碳淬火工藝曲線c回火：淬火后，工件內存在淬火應力，為消除殘余應力，選擇低溫回火。低溫回火溫度為180200C,滲碳件選擇下限，回火后需經磨削或噴丸處理，故選擇180C,溫2h出爐空冷，其硬

14、度HRC56-63顯微組織為回火馬氏體+殘余奧氏體。設備：RJ2-75-6o其回火工藝路線如下：圖2-3回火工藝曲線2.2.3 噴丸處理噴丸處理不僅是一個清潔工序，而且對齒輪的使用性能也有較大影響，但只有當噴丸時間足夠長的情況下，噴丸對齒面抗麻點剝落性能才會得到有利的影響，如噴丸時間較短，則由于齒面光潔度差反而使壽命降低，噴丸對齒輪彎曲疲勞性能是有利的，但應注意使丸粒直射齒根。2.2.4 檢驗：a.外觀：表面無損傷、燒傷、嚴重腐蝕等缺陷；b.滲層深度：1.81.9mmc.硬度：心部3345HRC齒面5862HRCd.金相組織：馬氏體+殘余奧氏體3各種熱處理工藝后的金相組織分析3.120CrMn

15、Ti等溫正火后金相組織如下所示:20CrMnTi（鍛造后等溫正火處理）的金相圖如下所示：圖3-1(100X)圖3-2(500X)浸蝕方法：4%肖酸酒精溶液浸蝕組織說明：均勻細小等軸狀的珠光體和鐵素體組織20CrMnTi是一種滲碳用鋼，滲碳前一般應進行正火處理，以細化晶粒、改善組織分布，為正常滲碳作好組織準備20CrMnTi（滲碳后淬火、回火處理）金相圖圖3-4(400X)圖3-5（400乂）浸蝕方法：4%肖酸酒精溶液浸蝕組織說明：圖3-3:表面滲碳層至心部組織分布形貌，回火溫度較低，表面合金高碳馬氏體區(qū)較難浸蝕。圖3-4:齒的節(jié)圓處滲碳層組織，針狀及隱針狀馬氏體（34級），殘余奧氏體（8級），

16、白色小條狀碳化物（45級）。圖3-5:齒角處滲碳層組織，基本與節(jié)圓相同，但碳化物趨網(wǎng)狀分布，可評為78級。4熱處理工藝過程中的質量檢驗項目4.1滲碳淬火后齒輪的檢驗項目、內容和要求檢驗項目檢驗內容及要求原材料質量用試樣檢查化學成分、低倍組織、晶粒度、淬透性、帶狀組織毛坯力學性能用試樣檢查檢查布氏硬度，按圖樣檢查巧、©2、&皿Ak外觀質量用齒輪檢查滲碳淬火后100%檢查表面氧化、裂紋及碰傷滲層深度用試樣檢查按圖樣要求，從表面測到HV550采度處為有效硬化層深度，顯微檢查滲碳總深度時，碳鋼為過共析+共析+1/2過渡區(qū)；合金鋼為過共析+共析+全部過渡區(qū)。過共析+共析層應占總深度為5

17、0%70%表面硬度用齒輪檢查按圖樣要求，為HRC5862心部硬度組織用齒輪檢查按圖樣要求，為HRC3345心部組織為板條馬氏體+少量鐵素體表面碳濃度用試樣檢查按圖樣要求，為0.75%1.0%表層顯微組織用試樣檢查按ZB/T04001-1988檢查，細針馬氏體+分散細小碳化物+少量殘余奧氏體為佳，按標準圖，馬氏體和殘余奧氏體15表面裂紋不允許有裂紋,100%磁粉探傷，批量件A5牛可抽查齒部磁粉探傷模數(shù)/mm缺陷最大尺寸/mm<2.50.8>2.581.682.4畸變用齒輪檢查按圖樣和工藝要求檢查4.2滲碳齒輪的常見缺陷及防止措施缺陷名稱產生原因防止措施毛坯硬度偏高正火溫度偏低或保溫時

18、間不足使組織中殘留少量硬度較高（H>250）的魏氏組織，正火溫度超過鋼材晶粒顯著長大的溫度應重新制訂正火工藝；檢查控溫儀表，校準溫度，控制正火冷卻速度毛坯硬度偏低正火冷卻過緩重新正火，加強冷卻帶狀偏析鋼材合金元素和雜質偏析，一般正火難以消除更換材料層深不足碳勢偏低；溫度偏低或滲期不足提高碳勢；檢查爐溫，調整工藝，延長滲碳時間滲層過深碳勢過高，滲碳溫度偏高；滲期過長降低碳勢；縮短周期，調整工藝滲層不均爐內各部分溫度不均；碳勢不均；爐氣循劃、不佳；工件相互撞碰；齒面有臟物；滲碳時在齒面結焦齒輪表面清洗干凈；合理設計夾具；防止齒輪相互碰撞；在齒輪料盤上加導流罩，保證爐內各部溫度均勻；嚴格控制滲

19、碳劑中不飽和碳氫化合物過共析+共析層比例過大（大于總深度的3/4）爐氣碳勢過高；強滲和擴散時間的比例選擇不當降低碳勢；調整強滲與擴散期的比例，如果滲層深度允許，可返修進行擴散處理過共析+共析層比例過?。ㄐ∮诳偵疃鹊?/2）爐氣碳勢過低，強滲時間過短提高爐氣碳勢；增加強滲時間；可在爐氣碳勢較高的爐中補滲表面碳濃度過高形成大塊碳化物網(wǎng)爐氣碳勢過高，強滲時間過長降低碳勢，縮短強滲時間；如果滲層深度允許，可在較低碳勢爐中進行擴散處理；適當提高淬火溫度；進行一次滲層的球化退火表面殘留奧氏體過多碳含量過高；滲后冷卻過快，碳量析出不夠，淬火溫度偏高調整滲碳工藝控制碳含量；從滲碳爐或預冷爐中出爐的溫度不宜過高

20、；降低淬火溫度表面含碳量過爐氣碳勢過低，爐溫偏高；提高碳勢；檢查爐溫，調整強低擴散時間過長滲與擴散時間的比例表層馬氏體針粗大淬火溫度偏高降低淬火溫度表層出現(xiàn)非馬氏體組織升溫排氣不充分；爐子密封性差，漏氣，使表層合金元素氧化，淬火冷卻速度低從設備和工藝操作上減少空氣進入爐內；適當提高淬火冷卻速度；在滲碳最后10min左右通入適里氨氣表層脫碳滲后出爐溫度過高；爐子出現(xiàn)嚴重漏氣；淬火時產生氧化防止爐子漏氣；降低出爐溫度；控制淬火時爐內氣氛；鹽爐淬火脫氧要充分；補滲碳心部硬度偏低淬火溫度過低；冷卻速度不當，心部游離鐵素體過多；選材不當提高淬火溫度；加強淬火冷卻；采用兩次淬火；更換材料畸變淬火溫度偏高；

21、冷卻方法不當；夾具設計不合理，材料選擇不當調整淬火工藝，合理設計夾具，改善冷卻條件，改換鋼材5質量控制與檢驗方法5.1隨爐試樣檢驗1）表面硬度根據(jù)有效硬化層濃度選用洛氏、表面洛氏等硬度計，選擇方法見表5-1或按各行業(yè)規(guī)定，并按GB/T230或GB1818m定檢測。硬度值應符合圖樣技術要求。表5-1硬度范圍有效硬化層深度mm硬度的類別7580>0.30.5HR30N6369>0.50.8HR45N5862>0.8HRC2）心部硬度心部硬度值一般要求3045HRC可由設計者根據(jù)齒輪使用條件規(guī)定。a齒形試樣心部硬度的測定位置參見GB8539b當用圓棒試樣時，在試棒長度中部截取10m

22、得的試樣，在試樣橫截面中心處測定。試樣尺寸與模數(shù)關系應符合表5-1。3）有效硬化層深度a對于滲碳淬火后需加的齒輪，滲碳的工藝層深應為圖樣上標湛劉的深度加上輪齒單側的加工余量。b有效硬化層深度的測定應以硬度法為準，測定部位按GB8539m定，測定方法按GB9450GB434O定，也可按各行業(yè)規(guī)定或生產廠與用戶的協(xié)議。c用金相法、斷口法檢測滲層深度時，應預先找出與硬度法測定有效硬化層深度的關系，以保證成品齒輪滿足圖樣技術要求。d當圖樣要求測定齒根有效硬化層深度時，應在齒形試樣的法截面上向內測定。e若隨爐試樣有效硬化層深度不符合技術要求，則從該批中至少再抽取一件齒輪解剖測定，并以其測定結果為準。4）

23、表層含碳量a表層含碳量為表面至0.10mm深度范圍的平均含碳量。b如無特殊要求，表層含碳量一般控制在0.8%1.0%范圍內，原則上不低于相應鋼材的共析含碳量。c表層含碳量為表面至0.10mm深度范圍的平均含碳量。d如無特殊要求，表層含碳量一般控制在0.8%1.0%范圍內，原則上不低于相應鋼材的共析含碳量。e表層含碳量可用試樣剝層進行化學分析，也可用金相法判別或用直讀光譜儀分析。f應用各種碳控技術對滲碳過程進行控制時，應預先找出各種鋼材滲碳時，具表層含碳量與氣氛碳勢的關系。g當新產品試制或工藝調試時，應檢驗表層含碳量。在批量生產中，若滲碳過程無任何氣氛控制措施時，應定期檢驗表層含碳量。5）表層組

24、織a殘余奧氏體按各行業(yè)金相檢驗級別圖評定。一般齒輪應控制在30姒下，高精度齒輪應控制在20%Z下，對于留有加工余量的齒輪,評定部位按內控標準規(guī)定。b馬氏體按各行業(yè)金相檢驗級別圖評定。對于齒形試樣應以分度圓附近的嚴重視場作為評判依據(jù)。c碳化物按各行業(yè)金相檢驗級別圖評定。當采用ZBT04001碳化物評級圖時，若試樣在400倍下無明顯碳化物，但試樣表面硬度及含碳量合格，表層組織不為亞共析狀態(tài)時，可評為1級。d表層脫碳試樣經4%肖酸酒精溶液輕腐蝕后，置于顯微鏡下放大400倍觀察，對于齒形試樣著重檢查齒根圓角處，脫碳層深度應不大于0.02mme表層非馬氏體試樣經4%肖酸酒精溶液輕腐蝕后，置于顯微鏡下放大

25、400倍觀察，對于齒形試樣檢測分度圓及齒根圓角處，按GB8539分檔控制。6）心部組織按各行業(yè)規(guī)定或生產廠與用戶的協(xié)議檢驗。7）至表面硬度降、至心部硬度降當圖樣要求測定至表面硬度降和心至心部硬度降時，參見GB8539或按各行業(yè)規(guī)定執(zhí)行。8）心部沖擊性能當用戶有要求時，在隨爐圓棒試樣或齒坯試樣上取料，加工成沖擊試樣，進行沖擊試驗。5.2齒輪熱處理質量檢驗1）外觀齒輪經熱得理后，表面不得有氧化皮、碰傷、剝落、銹蝕等缺陷2）齒面硬度a應根據(jù)齒輪重要程度、批量及爐型規(guī)定抽檢數(shù)量。b測定部位以齒面為準，也可測齒頂或端面，但應考慮其與齒面硬度的差異。測量點要求分布在約相隔120。的三個輪齒上，每個輪齒上一

26、般不得不于2點。c硬度計應穩(wěn)定、可靠、重現(xiàn)性好。當選用齒面硬度計檢測齒面時，應將測頭垂直于齒面；當用洛氏硬度計檢測齒頂時，應將被測處用砂紙打磨，其表面粗糙應符合GB/T230規(guī)定，測量時應放置平穩(wěn)；當用錘刀檢驗齒頂、齒根硬度時，錘刀應為標準錘刀；當用肖氏硬度計或里氏硬度計D型沖頭裝置檢測時，齒輪的有效硬化層深度必須大于0.8mmd對于無法用硬度計檢測的齒輪，一般以隨爐試樣的測量值為準。e當硬度不符合技術要求時，應加倍抽檢，若仍不符合則應根據(jù)具體情況進行返修或判廢。3）有效硬化層深度a當采用各種碳控技術控制滲碳過程且生產質量穩(wěn)定時，可以隨爐試樣的檢測結果為準。抽檢周期可根據(jù)具體情況確定。b對指量

27、生產的齒輪，當滲碳氣氛無任何控制措施時，在試樣合格的情況下，每周應抽檢一件齒輪解剖測定。4）表層組織、心部硬度、心部組織一般以隨爐試樣的檢測結果為準。工廠可根據(jù)具體情況，確定解剖齒輪檢驗項目及檢驗周期。5）裂紋a在熱得理和磨齒后，可靠度要求高的齒輪應100%僉驗，一般齒輪應進行抽檢。磨加工后表面一般不允許有裂紋。b裂紋的檢驗方法可采用以下任意一種，如磁粉探傷、超聲波探傷、熒光浸透及染色浸透探傷等。c冷處理后微裂紋的檢驗用顯微鏡放大400倍觀察隨爐試樣，在0.30mnrK0.25mm的矩形范圍內，長度大于1個晶粒的微裂紋不得超過10個。6）畸變a熱得理后畸變量應控制在有關技術要求的范圍內。b批量生產時，抽檢項目和件數(shù)按產品圖樣的技術要求。c單件生產的齒輪應定期抽驗?？偨Y通過本次熱處理課程設計，我熟悉了熱處理工藝的制定過程：通過對零件服役條件、失效形式、性能分析來選擇合適的材料，從而制定出正確的工藝流程，工藝過程中要準確掌握各種零件熱處理加熱溫度、時間和保溫時間及冷卻方式等；不同材料經過同一熱處理工藝及同種材料經過不同的熱處理工藝會得到不同組織和性能