【42CrMo齒輪熱處理工藝設計6500字（論文）】

42CrMo齒輪熱處理工藝設計目錄3794_WPSOffice_Level1一、引言 323003_WPSOffice_Level2（一）選題的意義 322100_WPSOffice_Level2（二）國內外研究動態(tài) 323003_WPSOffice_Level1二、齒輪鋼的現(xiàn)狀 43383_WPSOffice_Level2（一）純凈度和雜質元素的控制 423125_WPSOffice_Level2（二）淬透性和合金元素的控制 431129_WPSOffice_Level2（三）晶粒度 513348_WPSOffice_Level2（四）熱處理 522100_WPSOffice_Level1三、熱處理工藝的探討 530445_WPSOffice_Level2（一）預備熱處理工藝試驗 525867_WPSOffice_Level2（二）滲碳熱處理工藝試驗 9結論30445_WPSOffice_Level2 9一、引言（一）選題的意義在汽車生產(chǎn)中，齒輪是必不可少的基本零件。齒輪質量的優(yōu)劣，尤其是后橋齒輪、變速箱齒輪，直接影響到總成裝配及整車的可靠性，齒輪滲碳淬火后變形波動是影響總成質量的主要原因之一。對于42Mocr材料，由于Mo是顯著提高滲碳鋼淬透性的元素，因此，在相同的滲碳淬火工藝下，較20CrMnTi材料的有效硬化層深且心部硬度值高。即工藝性能和使用性能較好。Mo含量越高效果越顯著。這是因為Mo元素的加入，不但細化奧氏體晶粒，更主要的是該元素可以部分滲入奧氏體中增加了過冷奧氏體的穩(wěn)定性，從而有效提高材料的淬透性，提高心部硬度，使整齒的抗彎性能得以提高。為使此種材料盡快應用于生產(chǎn)，對其熱處理工藝的研究具有重要意義。材料的選定和熱處理工藝的正確制定是零件綜合機械性能的保證，同時，控制熱處理過程中的變形，對提高齒輪付的嚙合精度、降低噪音都具有深遠的意義。在齒坯的預備熱處理中推廣等溫退火工藝,有利于改善毛坯的切削性能,減小滲碳熱處理變形,在齒輪滲碳熱處理中采用碳勢控制技術和計算機自動控制技術,并摸索探討減齒輪熱處理變形的規(guī)律和措施,提高和穩(wěn)定齒輪的熱處理質量。并且由于我國很多引進汽車(桑塔納、奧迪、富康、斯太爾、依維柯等)的傳動系齒輪都使用Mn一cr系列齒輪鋼,每年用量很大,實現(xiàn)這種汽車齒輪鋼的國產(chǎn)化，可節(jié)約大量外匯。（二）國內外研究動態(tài)隨著國外先進車型的引進，各種齒輪鋼的國產(chǎn)化使我國的齒輪鋼水平上了一個新臺階。目前，德國的Cr-Mn，日本的Cr-Mo系鋼和美國的SAE86鋼滿足了中小模數(shù)齒輪用鋼。針對鋼材淬透性能對輪齒心部的硬度和畸變都有極其重大影響的因素，近年來，由于我國鋼材冶煉技術水平的提高以及合金結構鋼供應情況的改善，已經(jīng)有條件把齒輪鋼的淬透性帶進一步縮窄，長春一汽生產(chǎn)“解放”牌9t載貨汽車后橋齒輪時，由于20CrMnTiH鋼易發(fā)生早期失效，參考了日本的SCM822H鋼，與鋼廠協(xié)商，生產(chǎn)出了國產(chǎn)化的新鋼種22CrMoH鋼，其淬透性能指標為J9=36-42HRC，較好地滿足了汽車齒輪的使用要求。隨著汽車產(chǎn)品技術水平的日益提高及市場競爭的日益激化，汽車齒輪用鋼正處于由各大企業(yè)的經(jīng)驗型向科學化、國際化方向發(fā)展的過度階段，由各具特色的Cr-Ni鋼、Cr-Ni-Mo鋼、Ni-Mo鋼向低成本、通用的Cr-Mo鋼、Cr-Mn鋼過渡。因此必須采用相應合理的熱處理新工藝與之相配合。二、齒輪鋼的現(xiàn)狀（一）純凈度和雜質元素的控制鋼的純凈度主要指鋼中的氧含量,它反映了鋼中的氧化夾雜物含量,氧化物夾雜對齒輪的疲勞性能特別是接觸疲勞性能有明顯的危害。為改善切削性能,可在鋼中加入0.020%一0.040%的S。德國亞深工業(yè)大學用高溫斷面收縮率來研究連鑄鋼坯的熱裂傾向,結果表明,低Mn時,熱裂傾向隨含s量增加而增大,高Mn時,s的影響基本一致;同樣的Mn/s比例,高幽要比低咖的熱裂傾向小,對于cr、cr一oM、cr一iN和c--riN一oM鋼比例必須大于20一25。合金滲碳鋼中過高的枷會導致帶狀組織,二次精煉技術能消除帶狀組織。Mn一cr系鋼硫含量均有下限要求,對硫化物級別指標控制又甚為嚴格，要同時保證二項指標難度很大。多年來不斷發(fā)展的煉鋼技術提高了滲碳鋼的純凈度,二次精煉和連鑄坯的發(fā)展減少了鋼中偏析、降低了氧化夾雜物含量,現(xiàn)在又能成功地控制鋼中的硫含量和雜質物形貌。國外降低鋼中氧含量的方法是真空處理，例如日本采用鋼包真空脫氣和真空連鑄的雙真空方法，鋼中氧含量可以降到10ppm以下的超低氧水平。我國針對國情，計劃采用真空脫氣或保護劑下連鑄的辦法，達到日本用雙真空處理才能達到的氧含量水平。（二）淬透性和合金元素的控制許多合金滲碳鋼都是根據(jù)特定應用所要求的心部淬透性分級,也就是說是根據(jù)特定應用所要求的心部性能決定鋼種的選用。在碳素鋼的基礎上添加合金元素的作用主要是改善心部性能,不同的合金系列或同一系列改變碳含量即能滿足心部淬透性的不同要求，淬透性確定后,淬透性帶寬很大程度上決定了滲碳淬火后齒輪的變形,因此國外對滲碳鋼的淬透性帶范圍要求較窄,Mn一cr鋼控制帶寬一般在8個HRc以下,對于同一批料更是要求4一5個HRc以內，這比有關規(guī)定要嚴得多,也比國產(chǎn)齒輪鋼的淬透性帶窄得多。（三）晶粒度為使齒輪鋼的晶粒細化,可添加一定量的晶粒細化元素如1A、iT、Nb，事實上國外從30年代初引進能避免高溫滲碳時晶粒過度長大的1A鎮(zhèn)靜鋼以來這種工藝幾乎沒有多大改變。由于過量的叭在鋼中易與N形成顆粒粗大帶棱角的ITN，它是疲勞裂紋的起點，會降低齒輪的疲勞性能，因此，國外幾乎不用Ti細化晶粒。Mn一rC系鋼要求的晶粒度要細于5級,對進口毛坯件檢測表明均細于6級，國產(chǎn)齒輪鋼能夠達到這一水平。枷一rC系鋼的晶粒粗化傾向較其他系列鋼如Nr-C系、rC-M。系嚴重,在生產(chǎn)中要嚴格控制熱處理工藝用lA細化晶粒的鋼，容易出現(xiàn)粗晶或混晶組織，因此不僅要控制1A含量。使lA、N量相匹配,而且要嚴格控制煉鋼后的鍛、軋或熱處理工藝。（四）熱處理眾所周知，齒輪質量的高低除了鋼材本身的因素外,在很大程度上還受熱處理工藝的影響,這里所說的熱處理工藝不單是指齒輪的滲碳淬火工藝,而且也包括齒輪鍛坯的熱處理工藝,一般來說,齒輪鍛坯的熱處理工藝有兩個目的:一是保證獲得良好的切削性能,這就要求在熱處理后得到均勻等軸晶粒的鐵素體一珠光體組織;二是保證齒輪毛坯得到均勻一致的組織,這對減小滲碳淬火時難以避免的不規(guī)則變形有利,對保證齒輪有良好的接觸面、降低噪音有重要意義。三、熱處理工藝的探討（一）預備熱處理工藝試驗以前,我國引進的齒輪鋼(如seM42oH、seM822H、sAE432o等)在試驗和試生產(chǎn)過程中都曾出現(xiàn)過按傳統(tǒng)正火工藝處理后硬度偏高,切削加工性能較差,零件表面粗糙度大，且滲碳后的變形無規(guī)律等問題,所以,齒坯預備熱處理必須引起足夠的重視。為此,我們對42Mncr鋼進行了系統(tǒng)的預備熱處理工藝試驗,希望能解決目前存在的問題。試驗方案:試樣經(jīng)1200℃加熱鍛造,鍛后空冷,其金相組織為粒狀貝氏體,然后進行完全退火、等溫退火、正火和正火加高溫回火或直接利用鍛造余熱進行等溫退火五種預備熱處理工藝試驗,并分別進行硬度測試和組織觀察。1.完全退火試件經(jīng)930℃加熱保溫hl后隨爐冷卻,其硬度為167BHs,金相組織為鐵素體和珠光體(F十P)(見表3一1)，硬度適中,組織均勻,完全能滿足切削加工性能的要求。但完全退火工藝周期長、生產(chǎn)率低,不能適應大批量生產(chǎn),且完全退火在兩相區(qū)冷速較慢,容易出現(xiàn)帶狀組織,硬度偏低,所以20咖csr鋼的預備熱處理不宜采用完全退火工藝。2.正火正火是將工件加熱到cA3(或ccA。)以上30一50℃保溫適當時間獲得奧氏體組織后,在靜止空氣中或輕微流動的空氣中冷卻的工藝。其主要目的是消除應力、細化組織、改善切削性能。目前我國汽車齒輪、傳動軸等重要零件的鍛造毛坯一般均經(jīng)正火處理,目的就是改善切削加工性能和為滲碳淬火后獲得細小晶粒和較小變形作好顯微組織準備。但一般很難獲得滿意的結果。加之,齒輪切削加工性能和滲碳淬火后的變形要求很嚴格,因而對鋼件正火提出更嚴格的要求:(1)硬度范圍較窄為160~19oHBs;(2)顯微組織為鐵素體加細珠光體,無貝氏體及馬氏體;(3)切削性能較好。本次正火工藝試驗是將試件加熱到930℃保溫1小時后,分別空冷或風冷,或將試件加熱到950℃保溫z小時后,空冷,正火后的硬度分別為Zo7HB、229HB、Zz7HB(見表3一1),組織分別為鐵素體、粒狀貝氏體和少量珠光體(F+B,+P少)、粒狀貝氏體和少量珠光體(B砂P少)及鐵素體、粒狀貝氏體和少量珠光體(P+B,+P少),可見42Mncrs鋼經(jīng)正火后,不論采用何種規(guī)范,都將不同程度地出現(xiàn)粒狀貝氏體組織(見圖3一1)，致使材料組織不均勻,硬度偏高,切削加工困準,表面光潔度下降,而且對最終熱處理后的產(chǎn)品性能也將帶來不利影響。表3一1的結果還表明,隨奧氏體化溫度升高和冷卻速率的增大,產(chǎn)生粒狀貝氏體的傾向亦將增大。對于2OMcnsr這樣一些合金元素含量較高的鋼,由于c曲線的形狀發(fā)生了明顯的變化,上部為珠光體轉變區(qū),下部為貝氏體轉變區(qū),而且在珠光體轉變區(qū)過冷奧氏體非常穩(wěn)定,其轉變曲線右移。這樣在正火空冷條件下,組織中就會出現(xiàn)大量粒狀貝氏體，從而導致硬度增加,切削性能下降。表3-142Mncrs鋼退火與正火試驗結果正火作為我國傳統(tǒng)的預備熱處理工藝,雖然具有生產(chǎn)周期短,工藝簡單,成本低等優(yōu)點,但也存在明顯的不足。首先,由于正火采用空冷,零件的冷卻速度不穩(wěn)定,影響因素較多,如氣候不同，冷卻速度差異很大;另外，正火空冷時零件通常堆放在一起,這樣堆放在外部的零件和內部的零件其冷卻速度就不同,由于冷卻速度不同,即使是同一爐正火零件,其金相組織和性能也不一致。這種組織和性能的不均勻性和不穩(wěn)定性是造成齒輪滲碳熱處理變形無規(guī)律的主要因素之一。如果零件較小,堆放時又處于外部，組織中就可能出現(xiàn)粒狀貝氏體,給切削加工帶來困難。因此42Mncsr鋼的預備熱處理工藝采用正火是不合適的,滿足不了引進鋼種的技術要求。3.等溫退火本次試驗中等溫退火工藝是將試件加熱到940℃保溫。.5小時后,分別在580℃、600℃、620℃、650℃、670℃等溫1小時,退火后的硬度分別為170HB、170HB、163HB、163HB、156HB(見表3一1),組織為均勻的珠光體和鐵素體(見圖3一2)。試驗表明，42Mnc巧鋼經(jīng)奧氏體化后在580~670℃范圍內等溫均能得到理想的組織和硬度。另外等溫退火工藝還消除了氣候及正火堆放時內外部零件冷卻速度不一致等因素的影響,因而能獲得均勻的組織和性能,是保證產(chǎn)品質量的理想工藝。為了使合金滲碳鋼件等溫正火處理后獲得良好的結果,必須控制好5個工藝參數(shù)。(1)奧氏體化溫度,對于40Mncrs合金滲碳鋼鍛件的預先熱處理,由于有晶粒粗大的非平衡組織、混晶、帶狀組織及成分偏析等不同程度的存在,其奧氏體化溫度一般采用940士10℃。(2)奧氏體化時間,保證零件溫度和奧氏體碳濃度均勻一致。(3)等溫溫度,等溫溫度是影響零件顯微組織形態(tài)和硬度的主要參數(shù),它受鋼的化學成分影響。20Mnc巧鋼一般采用640一650℃。(4)等溫時間,保證過冷奧氏體全部轉變成鐵素體和珠光體。(5)等溫前的冷卻速度,奧氏體化后至等溫溫度這一階段的冷卻速度應盡量快些,以防止出現(xiàn)帶狀組織，可采用風冷或噴霧冷卻。4.正火加高溫回火考慮到現(xiàn)有國內汽車及齒輪生產(chǎn)廠家的實際條件,我們還進行了正火加高溫回火試驗,結果如表3一2所示,可以看到,經(jīng)600一700℃保溫2一4小時的高溫回火處理,其組織為鐵素體和珠光體,硬度也達到了適中的范圍,因此,我們認為若無等溫退火條件可用正火加高溫回火作為42Mncrs鋼等引進鋼種的預備熱處理工藝。表3-242Mncrs鋼正火加高溫回火試驗結果(HB)5.鍛造余熱等溫退火鍛造余熱等溫退火是鍛件在模鍛成型、切邊后冷至接近等溫溫度,然后進人等溫爐中進行等溫轉變的預備熱處理工藝。由于利用鍛造余熱,少了一道重新加熱工序,因而節(jié)省大量能源,而且轉變是在恒溫下進行的,組織和性能均勻一致。由于鍛件停鍛溫度一般為1000℃左右,奧氏體晶粒粗大(2~3級),但這種組織對切削性能和最終熱處理沒有不利的影響。因此鍛造余熱等溫退火是一種很有前途的齒坯預備熱處理工藝。42Mncrs鋼的鍛造余熱等溫退火工藝試驗目前正在進行之中。（二）滲碳熱處理工藝試驗1.滲碳工藝。氣體滲碳是機械制造工業(yè)應用最廣泛、最重要的熱處理方法之一。其目的是為了強化零件表面,提高耐磨性和疲勞性能,從而提高其使用壽命。影響零件使用性能的因素很多,如表面碳濃度、滲層表面組織及滲層深度等,其中表面碳濃度是決定性的因素,因為表面碳濃度的變化會引起表面組織形態(tài)的變化。這包括碳化物的含量、形態(tài)分布、殘余奧氏體的含量及馬氏體的形態(tài)等。對于不同鋼種制造的零件,根據(jù)其使用條件不同,表面含碳量的最佳值也不同。根據(jù)引進汽車產(chǎn)品的要求,對滲碳齒輪而言要求表面碳濃簇0.90,當有效硬化層深(vHs巧處)延1。時,齒輪表面不允許有碳化物,殘余奧氏體延30%。另外,疲勞試驗結果也表明,當零件載荷不太大,失效主要由磨損引起時,則要求零件具有較高的耐磨性,表面含碳量應高一些,一般為0.8~0.9%c;當零件載荷較大,失效主要由疲勞斷裂引起時,表面含碳量低一些為好,一般為0.7~0.8%c。由此可見,在氣體滲碳過程中,必須對爐內氣氛的碳勢進行精確控制?？煽貧夥諢崽幚碓诠I(yè)發(fā)達國家的應用已十分普及。我國自改革開放以來,引進了先進的熱處理生產(chǎn)技術和設備,尤其是測氧傳感器(氧探頭)碳勢控制技術,使產(chǎn)品的滲碳熱處理質量有了很大提高,并與計算機技術相結合實現(xiàn)了滲碳過程的自動控制,可控氣氛熱處理技術水平上了一個大臺階。但在用測氧傳感器單因素控制碳勢時,即使在溫度、滲劑種類及氧電勢(滲碳工藝參數(shù))恒定不變的情況下,不同爐次的滲碳零件表面碳濃度卻往往不一樣,且波動較大,從而引起滲碳零件質量不穩(wěn)定。針對引進產(chǎn)品對滲碳零件的要求,我們根據(jù)碳勢控制的基本理論,就滲碳介質、滲碳工藝,控制方法等問題進行了分析研究。滲碳工藝的制訂。試驗齒輪滲碳熱處理技術條件要求：(1)表面碳濃度表面碳濃度控制在0.70~0.85%范圍內(2)有效硬化層深度以515HV附處距表面的距離作為有效硬化層深度，其要求為0.7~1.0mm(3)表面及心部硬度滲碳熱處理后,表面硬度59~63HcR,心部硬度33~45HRC(4)金相組織表面馬氏體、殘余奧氏體≦5級齒頂碳化物<2級心部鐵素體蕊≦3級2、滲碳工藝試驗在RJJ一35KW井式滲碳爐上進行。滲碳過程分強滲、擴散及降溫三個階段,其碳勢分別采用1.%1、0.95%及。.80%。由表3一3氧探頭輸出電勢與爐氣碳勢對照表可知,在920℃滲碳,860℃降溫淬火時,三個階段對應的氧電勢分別為1134vm、1124vm及l(fā)o98vnI。根據(jù)20Mnc巧鋼試驗齒輪滲碳熱處理技術條件要求,其滲碳工藝曲線見圖3一3。圖3-342Mncr鋼試驗齒輪滲碳工藝曲線結果表明,滲碳工藝、控制方法合理,層深、金相組織和硬度達到了引進產(chǎn)品的要求,而且42Mncr三鋼滲碳后進行直接淬火是完全可行的。3.冷熱加工相互配合我們知道熱處理變形是不可避免的,熱處理變形也并不可怕,就怕變形沒有規(guī)律,只要熱處理變形有規(guī)律,就可以通過冷熱加工相互配合來消除。在實際生產(chǎn)中對于熱處理變形有規(guī)律的零件,熱處理技術人員應將變形數(shù)據(jù)及日書醫(yī)報給冷加工技術人員，然后根據(jù)具體清況查當調整零件的加工尺寸。熱處理后尺寸漲大的零件,切削加工時縮小一個變形量,熱處理后尺寸縮小的零件，切削加工時擴大一一個變形量,這樣熱處理后變形互相抵消,從而達到減小變形的目的。結論為了提高合金滲碳鋼件的切削加工性能和獲得穩(wěn)定的滲碳淬火變形規(guī)律,預先熱處理必須采用等溫退火,或采用正火加高溫回火,才能使其顯微組織和性能達到最佳狀態(tài),確保具有適宜的硬度160一18OHBs和穩(wěn)定的顯微組織--一鐵素體加細珠光體。42Mncrs鋼齒輪滲碳時采用測氧傳感器單因素控制碳勢,并使甲醇和丙酮按比例同步增減,滲碳后直接淬火,其滲碳層深度、金相組織和硬度完全達到了引進產(chǎn)品的要求。42Mnc巧鋼中含有的主要合金元素Mn和cr與氧的親和力都比基體Fe大,其氧化物曲線在FeO的下方,所以這種鋼在滲碳時,容易發(fā)生內氧化,在滲層中形成黑色組織。但采取適當?shù)拇胧?如增加淬火介質的冷卻能力、降低表面碳濃度及縮短排氣時間)能有效抑制黑色組織的出現(xiàn)。參考文獻[1]孫震,孫云飛,欒彩強,等.齒輪的熱處理工藝設計[J].2019.[2]陳世英,張?zhí)?蘇程.某型柴油機曲軸熱處理工藝開發(fā)[J].金屬加工(熱加工),2020.[3]李波,唐軍,周鵬,等.42CrMo4合金鋼連桿熱處理工藝優(yōu)化[J]