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1、20CrMnMo齿轮热处理工艺设计课程设计20CrMnMo齿轮热处理 目 录 1 绪 论 1 1.1 热处理工艺课程设计的目的 1 1.2 课程设计的任务 1 1.3 热处理工艺设计的方法 1 2 热处理工艺课程设计内容和步骤 1 2.1 课题工件简图 1 2.2 技术要求： 2 2.3 特点 2 2.4 适用范围 2 2.5 齿轮的性能要求及为何选用20CrMnMo 2 2.6 化学成分作用 3 2.7 20CrMnMo钢的淬透性曲线 4 2.8 淬透性 5 2.9 渗碳热处理工艺规范 5 2.10 钢的等温转变和连续冷却转变 5 3 热处理工艺方案以及参数论述 6 3.1 热处理工艺流程
2、6 3.2 热处理工艺方案论证 6 3.2.1 20CrMnMo处理温度以及冷却方式 6 3.2.2 热处理方案制定 6 3.3 热处理方案 6 3.3.1 正火 7 3.3.2 正火工艺曲线 7 3.3.3 正火冷却 8 3.4 20CrMnMo的渗碳工艺 8 3.4.1 渗碳的目的 8 3.4.2 渗碳过程 8 3.5 20CrMnMo的淬火工艺 9 3.5.1 渗碳后一次重新加热淬火的目的 9 3.5.2 淬火事项 9 3.6 低温回火工艺 10 3.6.1 回火的目的 10 3.6.2 回火温度 11 3.6.3 加热介质 11 3.6.4 保温时间 11 3.6.5 回火工艺曲线 1
3、1 3.6.6 冷却方式 12 4 总的热处理工艺曲线 12 4.1 热处理总工艺曲线 12 4.2 选择加热设备 12 4.2.1 装置选择：井式电阻炉 12 4.2.2井式炉示意图 13 4.3.1 井式气体渗碳炉型号规格及技术数据 13 5 工装图 14 5.1 工装图及装件 14 6 工序质量检验 15 7 热处理工艺过程中常见缺陷分析 15 7.1 常见的淬火及防护措施 15 7.2 常见的渗碳缺陷及防护措施 16 8 心得体会 17 9 参考文献 17 20CrMnMo齿轮热处理工艺设计 1 绪 论 1.1 热处理工艺课程设计的目的 热处理工艺课程设计是高等工业学校金属材料工程专业
4、一次专业课设计练习，是热处理原理与工艺课程的最终一个教学环节。其目的是： （1）培育学生综合运用所学的热处理课程的学问去解决工程问题的实力，并使其所学学问得到巩固和发展。（2）学习热处理工艺设计的一般方法、热处理设备选用和装夹具设计等。（3）进行热处理设计的基本技能训练，如计算、工艺图绘制和学习运用设计资料、手册、标准和规范。因此，本课程设计要求我们综合运用所学来的学问 解决生产实践中的热处理文艺，包括工艺设计中的细微环节问题，如设备的选用，为何选用该设备温度调整，。要求我们设计工艺流程，并且须要我们翻阅大量文献。敏捷运用书籍中的资料，精简学问，精要描绘并且完整体现出来，不能一蹴而就。1.2
5、课程设计的任务 进行零件的加工路途中有关热处理工序和热处理协助工序的设计。依据零件的技术要求，选定能实现技术要求的热处理方法，制定工艺参数，画出热处理工艺曲线图，选择热处理设备，设计或选定装夹具，作出热处理工艺卡。最终，写出设计说明书，说明书中要求对各热处理工序的工艺参数的选择依据和各热处理后的显微组织作出说明。1.3 热处理工艺设计的方法 热处理工艺的最佳方案是在能够保证达到依据零件运用性能和由产品设计者提出的热处理技术要求的基础上，设计的一种高质量、低成本、低能耗、清洁、高效、精确的热处理工艺方法，通过综合经济技术分析，确定最佳热处理工艺方案。最终，编写主要热处理工序的操作守则。 2 热处
6、理工艺课程设计内容和步骤 2.1 课题工件简图 课题工件简图如图2.1 图2.1 工件示意图（单位：mm） 材料：20CrMnMo 2.2 技术要求： 1. 由于齿面硬度很高，具有很强的抗点蚀和耐磨损性能；心部具有很好的韧性，表面经硬化后产生的残余应力，大大提高了齿根强度；一半齿面硬度范围5663HRC。 2. 简要流程：下料-锻造-正火-粗加工-渗碳-淬火-低温回火-精磨-成品。 2.3 特点 1. 加工性能好。 2. 热处理畸变较大，热处理后应磨齿，可以获得高的精度。2.4 适用范围 广泛用于要求承载实力高，抗冲击性能好，精度高，体积小的中型一下齿轮，多出应用于汽车变速器，分动箱，起动机及
7、驱动桥的各类齿轮以及拖拉机的动力传送装置的各类齿轮，20CrMnMo的性能要比20CrMnTi的性能相对较硬。2.5 齿轮的性能要求及为何选用20CrMnMo 为保证齿轮的正常工作,齿轮应具备以下主要性能: 1. 高的弯曲疲惫强度和接触疲惫强。除材料本身性能外，还可以依靠齿轮的表面强化处理来实现。2. 齿面具有高的硬度和耐磨性，以防止黏着磨损和应力磨损。耐磨性的提高，主要依靠提高表面硬度和降低摩擦因数来实现。3. 齿轮心部具有足够的强度和韧性，以提高承载实力。常用的渗碳钢有20CrMnMo，20CrMnTi。本次设计我用的是20CrMnMo。20CrMnMo淬火温度850，只须要一次，冷却方式
8、与20CrMnTi一样，都采纳油冷，一般可制造小雨300mm的高速，中载，受冲击和磨损的重要零件，适用于拖拉机变速箱齿轮，离合器轴和车辆上的主动轴，但某些方面优于20CrMnTi。表2.1 20CrMnMo的化学成分1 C Si Mn Cr Mo P,S Ni C 0.170.23 0.170.37 0.901.20 1.101.40 0.200.30 0.0.35 0.30 0.30 2.6 化学成分作用 铬（Cr的影响） 铬为碳化物形成元素。它能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性；阻挡晶粒长大，增加钢的淬透性，降低钢的临界冷却速度。因而，使钢在热处理时，退火、正火、淬火的加热
9、温度有所提高。并使它在油中便能淬硬。但它降低了钢的马氏体点，因而增加了钢残余奥氏体量。使钢的奥氏体不稳定区域变为700-500和400-250。提高了钢的硬度和强度，增加了钢在高温回火时强度降低的抗力。钼（Mo的影响） 提高钢的淬透性，热强性，有二次硬化的作用，能降低回火脆性。锰（Mn） 降低钢的Ac1和Ac3而使钢在热处理时的温度有所降低。增加奥氏体的稳定性，降低钢的临界冷却速度，但它使参加奥氏体量增加。可以削减钢在淬火时的变形和增加钢的强度和硬度。使钢的回火脆性与晶粒长大的作用增大。 表2.2 20CrMnMo的热处理基本参数2 临界温度 Ac1 Ac3 Ar1 Ar3 Ms 温度/ 71
10、0 830 620 740 - 20CrMnMo属于亚共析钢，缓慢冷却到室温后的组织为铁素体+珠光体，从钢的分类来看，20CrMnMo钢属于高级渗碳结构钢，以加工和加热并且性能良好，强度，塑性和韧性都比较高，过热倾向小，无回火脆性，即可做渗碳钢运用，也可作为调质钢运用，渗碳淬火后具有较高的抗弯强度和耐磨性，但是磨削时简单产生裂纹，淬火以及低温挥霍具有良好的综合力学性能和低温冲击任性。20CrMnMo钢采纳低温回火，表面可获得60-65HRC的高硬度。 20CrMnMo的含碳量为0.2%属于低碳钢，渗碳时保证了碳元素的正常渗入。钢中合金元素为Cr小于1.4%，Mn小于1.2%,Mo小于0.3%。
11、加工时要对20CrMnMo进行表面渗碳处理，渗碳淬火后表面得到高谈马氏体，具有较高的耐磨性。2.7 20CrMnMo钢的淬透性曲线 如图2.2 20CrMnMo钢淬透性曲线 图2.2 钢淬透性曲线3 2.8 淬透性 淬透性：淬透性随着淬火温度提高而增加，因为温度上升，奥氏体晶粒尺寸增大，淬透性提高。但是假如温度过高，奥氏体晶粒过于粗大淬火后会产生开裂或者变形。2.9 渗碳热处理工艺规范 表2.3 渗碳热处理工艺规范3 渗碳/ 淬火温度/ 淬火冷却/ 回火温度/ 回火冷却 920940 炉内降温至830850 油冷 180200 空冷 2.10 钢的等温转变和连续冷却转变 如图2.3 钢的等温转
12、变图和连续冷却转变 图2.3 钢的等温转变和连续冷却转变3 3 热处理工艺方案以及参数论述 3.1 热处理工艺流程 简要流程：下料-锻造-正火-粗加工-渗碳-淬火-低温回火-精磨-成品。3.2 热处理工艺方案论证 3.2.1 20CrMnMo处理温度以及冷却方式 表3.1 20CrMnMo处理温度以及冷却方式4 正火 渗碳 87010 92510 35min 2.5h 空冷 空冷 低温回火 16010 0.5h 空冷 3.2.2 热处理方案制定 20CrMnMo钢经热加工后,必需经过预备热处理来降低硬度,消退热加工时造成的组织缺陷,细化晶粒,改善组织,为最终热处理做好打算,对于20CrMnMo
13、钢而言,正火可以细化晶粒,是组织匀称化,消退切削加工后的组织樱花现象和去除内应力.接着进行渗碳淬火,得到高强度,高硬度,高抗弯强度和耐磨性,满意加工齿轮的运用要求。经过渗碳后,仅使表面层的含碳量提高0.7%1.05%,仍达不到表层高硬度和耐磨的要求.因此,渗碳后还须要淬火和低温回火,使工件表层具有高的硬变和耐磨性.渗碳的目的是提高工件表面碳浓度,以便淬火后达到提高表面硬度和耐磨性的目的.渗碳后淬火加低温回火是达到表层高硬度的热处理方式,淬火后低温回火,表层得到回火马氏体组织,耐磨性达到较高水平,淬火的目的是提高硬度,淬火使得到尽量多的马氏体组织,得到高硬度,回火是为了马氏体二次分解形成索氏体,
14、以便得到良好的机械性能。 3.3 热处理方案 3.3.1 正火 1.正火的目的 正火可以细化晶粒,使组织匀称化。 消退切削加工后的组织硬化现象和去除内应力。消退共析钢中的网状硬化物,为热处理做好组织打算。2.加热温度 加热温度:87010 因为20CrMnMo是亚共析钢，钢中含有碳化物形成元素。为使合金中难溶的特别碳化物溶入奥氏体中，使奥氏体合金化程度增高，正火的加热温度为Ac3以上3050，20CrMnMo的含碳量为0.20%，Ac3为830，所以将钢件的加热温度确定为870。3.加热方式 采纳到温加热的方法,是指当炉温加热到指定的温度时,再将工件装进热处理炉进行加热,缘由是加热速度过快,节
15、约时间。保温时间=保温时间系数有效尺寸，保温时间用表示。合金钢保温时间系数（mm/min）保温时间=保温时间系数装炉修正系数工件厚度。工件加热保温时间与加热介质，材料成分，炉温，工件的形态和大小，装炉量和装炉量等因素有关。一般用阅历公式来计算保温时间：保温时间=保温时间系数装炉系数工件的有效厚度。合金结构钢选择750900井式电阻炉加热的保温时间系数选为1.5，装炉系数K一般选择1.4。工件的有效厚度为D=(10*3)2=15mm 所以=KD=1.51.415=31.5min取35min。3.3.2 正火工艺曲线 如图3.1 正火工艺曲线 图3.1 正火工艺曲线 3.3.3 正火冷却 冷却方式
16、采纳出炉空冷冷却介质是空气正火组织产生细珠光体。 3.4 20CrMnMo的渗碳工艺 3.4.1 渗碳的目的 渗碳的详细方法是将工件置入具有活性渗碳介质中，加热到900-950的单相奥氏体区，保温足够时间后，使渗碳介质中分解出的活性碳原子渗入钢件表层，从而获得表层高碳，心部仍保持原有成分。 相像的还有低温渗氮处理。这是金属材料常见的一种热处理工艺，它可以使渗过碳的工件表面获得很高的硬度，提高其耐磨程度。渗碳可以在多方面提高钢件的机械性能,可以提高钢件的硬度和耐磨性,降低冲击任性和断裂韧性(冲击韧性和断裂任性随着表面碳含量的越高,碳层越深,降低的越多),同事可以提高疲惫强度.采纳炉内滴注式气体渗
17、碳，高温下甲醇的裂解产物H2O,CO2等将CH4和C氧化。可使炉气成分和碳势保持在肯定范围内 渗碳温度:目前在生产上广泛运用的温度920-940.通常渗碳的温度选择要依据渗层的深度确定。依据本次材料以及用途确定渗层深度为0.9-1.2，渗碳温度为92510。 3.4.2 渗碳过程 1.保温时间; 采纳的渗碳介质是煤油,并且渗碳保温时间是2.5小时。 公式为： (mm)：渗碳层深度；K：与渗碳温度有关的系数925时K=0.633；t(min)：渗碳保温时间。经计算选渗碳时间t=（0.9/0.63）（0.9/0.63）=2.01h2.5h。2.冷却方法 空冷。3.渗碳后的组织 表面为碳化物+珠光体
18、，心部为珠光体; 4.20CrMnMo钢渗碳工艺曲线 如图3.2 20CrMnMo钢渗工艺曲线 温度 925 30min 1h 2h 850 排气 强渗 降温 保温 图3.2 钢渗碳工艺曲线 5.渗碳后的组织性能分析 降低渗碳温度,具有节能降耗、减小工件变形、减小材料晶粒粗化倾向、细化组织等优点渗碳层硬度梯度趋于平缓。 3.5 20CrMnMo的淬火工艺 3.5.1 渗碳后一次重新加热淬火的目的 提高硬度和耐磨性，如刃具，量具，模具等； 提高强韧性，提高耐腐蚀性和耐热性。 3.5.2 淬火事项 1.淬火温度 84010，依据亚共析钢加热温度选用AC3+（30-50），这样既能保证充分奥氏体化，
19、又保持奥氏体晶粒细小。2.保温时间 淬火加热时间包括升温柔保温时间两个时间段，升温时间包括想变重结晶时间，保温时间事实上只考虑碳化物溶解和奥氏体成分匀称化所须要的时间。公式：t=KD t:保温时间（min），a：钢在不同介质中加热时的保温系数（minmm）(这里取1.2)，k：零件装炉调整系数（1.3），D：零件有效厚度（15mm），因此此次保温时间为 t=23.4min，所以时间为0.5h。 3.淬火后组织 表面是高碳马氏体+碳化物+残余奥氏体； 心部是低碳马氏体+残余奥氏体。 4.淬火工艺曲线 如图3.3淬火工艺曲线 图3.3 淬火工艺曲线 5.淬火过程中组织转变分析 正常加热冷却：工件加
20、热到860后珠光体转变为奥氏体，保温时组织不变，晶粒细化，出炉油冷到室温可以获得马氏体和少量残余奥氏体，具有很高的耐磨性和硬度。 3.6 低温回火工艺 3.6.1 回火的目的 回火是将淬火后的零件加热到A1一下的某一温度，保温肯定时间后，以适当的形式冷却到室温的热处理工艺。 回火的主要目的是使零件有高的硬度和耐磨性,消退了淬火应力与脆性，改善了零件淬火后的韧性及组织稳定性。并且，降低或消退淬火引起的残余应力。由于淬火马氏体和残余奥氏体都是不稳定组织，在工件中会发生分解，从而导致工件的尺寸不精确。某些碳含量较高的钢制大型零件或困难零件甚至淬火后在等待回火的期间就发生突然爆裂。所以说，淬火零件不经
21、回火就投入运用时危急地，也是不允许的。渗碳和碳氮共渗淬火后的零件，一般要进行低温回火处理。低温回火时，马氏体发生分解，得到回火马氏体，淬火内应力得到部分消退，淬火时产的微纹也大部分得到愈合，因此低温回火也可以在很少降低硬度的同时使钢的韧性明显提高。3.6.2 回火温度 回火加热温度选择16010。依据：在低温回火时马氏体发生分解，析出碳化物成为马氏体，淬火内应力得到部分消退，淬火时产生的微纹也大部分也得到愈合，因此低温回火也可以在很少降低硬度的同时使钢的韧性明显提高。通常渗碳和渗氮零件的回火温度是180。3.6.3 加热介质 加热介质：空气。 3.6.4 保温时间 保温时间为1.5h 确定回火
22、保温时间一般的做法是依据工件的截面厚度而定，一般每25mm厚度保温1-2h，温度高可酌情缩短。 回火的保温时间一般为1-3小时。3.6.5 回火工艺曲线 回火工艺曲线 如图3.4所示 图3.4 回火工艺曲线 3.6.6 冷却方式 冷却方式：出炉空冷。 4 总的热处理工艺曲线 4.1 热处理总工艺曲线 如图4.1 热处理总工艺曲线 图4.1 热处理总工艺曲线 4.2 选择加热设备 4.2.1 装置选择：井式电阻炉 表4.1 RJ3-75-9井式电阻炉产品规格及技术参数5 型号 功率/kw 电压/V 相数 额定温度/ 炉膛尺寸（直径深度）/mmmm 炉温850时的指标 空炉损耗功率/kw 空炉升温
23、时间/h 最大装载量/kg RJ2-40-9 40 380 3 950 600800 9 2.5 350 材料是20CrMnMo，它的正火温度在870左右。考虑到中温炉在中温测量时比较精确，因而选用中温井式炉。 4.2.2 井式炉示意图 如图4.2 井式炉示意图 如图4.2 井式炉示意图6 4.3 井式渗碳炉 渗碳炉是新型节能周期作业式热处理电炉，主要供钢制零件进行气体渗碳。由于选用超轻质节能卢琛材料和先进的一体化水冷炉用密封风机，渗碳炉炉温匀称，升温快，保温好，工件渗碳速度加快，渗碳气氛匀称，渗层匀称，在炉压提高时，无任何泄漏。提高了生产效率和渗碳质量。4.3.1 井式气体渗碳炉型号规格及技
24、术数据 表4.2 RQ3-75-9 950井式气体渗碳炉的型号规格及技术数据7 额定功率KW 额定电压V 额定温度 加热区数 电热原件接法 工作空间尺寸（直径深） 空炉升温时间h 空炉损耗功率KW 最大装载量 75 380 950 1 Y 450900 2.5 14 220 4.4 井式气体渗碳炉 如图4.3 井式气体渗碳炉 如图 4.3井式气体渗碳炉8 1渗碳工件 2耐热罐 3加热元件 4风扇 5液体渗碳剂 6废气 7沙封。 5 工装图 5.1 工装图及装件 如图5.1工装图 如图5.1 工装图 5.2 装件 底面一圆盘中，中间两个圆盘通孔若干，整个工装筐由底盘，中间支撑轴以及工件固定杆组成
25、，运用时将工装筐置于平地，将每个齿轮水平套进工件固定杆，每个工件固定杆之间距离固定，防止工件与工件之间相互接触，磨损，导致淬火不匀称，每个工件之间摆放位置井然有序，节约空间，大量提升了空间利用率。中间轴设计为弯钩，便利勾吊。 装炉量：16*6=96. 6 工序质量检验 检查主轴的外观表面，渗层深度，硬度，金相组织是否达到设计的要求 1. 外观：表面无损伤，烧伤，眼中腐蚀等缺陷；运用测量工具测量，用显微镜看表面是否有裂纹。2. 渗层深度的检测。打断试样，磨光，腐蚀。3. 硬度的检测。60-65HRC，洛氏硬度计打硬度 4. 金相组织：马氏体，残余奥氏体以及少量条状碳化物采纳重载齿轮渗碳金相检验评
26、定。5. 工件变形检验：依据图样技术检验工件挠曲变形，尺寸及几何形态的改变。 7 热处理工艺过程中常见缺陷分析 7.1 常见的淬火及防护措施 表7.1 淬火缺陷及其产生的缘由及预防措施9 缺陷 产生缘由 预防措施 硬度不 足 亚共析刚加热不足，有未溶铁素体 冷却速度不够 在淬火介质中停留时间不够 氧化和脱碳导致淬火后的硬度降低 正确选择并严格限制加热温度，保留时间和炉温的匀称性 合理选择淬火介质；限制淬火介质的温度不超过最高运用温度；定期检查或更换淬火介质 正确限制在淬火介质中的停留时间 实行防氧化脱碳措施；采纳下线加热温度；在600左右预热，然后再加热到淬火温度，缩短高温加热时间 7.2 常
27、见的渗碳缺陷及防护措施 表7.2 常见渗碳缺陷缘由以及防止措施10 常见缺陷 产生缘由 防止方法 表面碳质量分数低 1. 炉温低 2. 渗剂滴量少 3. 炉子漏气 4. 工件表面不干净 1.校检仪表，调整温度 2.按工艺规范调整滴量 3.检查炉子密封性 4.清理工件表面，补渗 渗层深度不够 1. 保温时间不够 2. 表面碳质量分数低 1. 适当延长保温时间 2. 按正常渗剂滴量补渗 渗层不匀称 1.炉温不匀称 2.零件表面不清洁，有锈点、油污 1.合理装炉，尽量使工件之间间隙匀称 2.装炉前严格清洗零件表面 碳化物出现网状分布 1.淬火温度低或保温时间不够 2.淬火冷却过程慢 .渗层表面浓度过
28、高 1.适当提高淬火温度，采纳两次淬火 2.冷却操作要快速，正确 3.降低渗剂活性，严格限制碳势 淬火后变形 1.淬火方式错误 2.淬火冷却速度过大 3淬火加热温度过高 1.制定正确的淬火方式，严格根据操作流程进行 2.选择合适的淬火介质， 3.选择正确的淬火加热温度 表面贫碳或脱碳 1.炉内气氛碳势过低 2.高温出炉后在空气中缓冷时氧化脱碳 1.在碳势较高的渗碳介质中进行补碳 2.脱碳层小于0.02mm下采纳磨去或喷丸等方法补救 8 心得体会 通过3周的课程设计，让我学到了许多。在这3周之中不仅让我见识到了热处理这项工艺的严谨性。也检验我所学的学问，还培育了我如何从不同角度思索一件事情，然后
29、动脑去完成这件事情。我非常享受这个过程，什么都靠自己动手，还可以和同学相互探讨，相互学习。 通过这次课程设计，本人在多方面都有所提高，无论是课程上的理论学问还是实际操作本事，驾驭了很多以前不懂得计算机学问，绘图实力，熟识了规范和标准，同事也了解各科相关的学问，也让我认清自己，相识到自己的不足。我发觉了以前许多搞不懂的更加清楚的呈现在我眼前，让我学习更加有动力，也让我今后在我从事的岗位更有信念。热处理是一门很有技术含量，很有发展潜力的技术，在这门技术发展这么多年来，依旧有这么高的魅力，由于自己的设计实力有限，在设计中也难免出现错误，恳请老师们多多指引。 最终感谢老师给我这次机会来熬炼我们，辛苦为
30、我们选课。 9 参考文献 1杨满. 好用热处理技术手册.机械工业出版社.2010：100110 2胡光立.钢铁热处理好用技术.化学工业高校出版社，2008年：155200 3任颂赞，张静江，陈质如.钢铁的金相图谱.上海科技文献出版社.2003年6 4热处理工艺手册编写组，热处理手册1-4，机械工业出版社，1982年12 5叶宏.金属热处理原理与工艺M.北京：化学工业出版社.2011.6：137-138 6齿轮热处理手册陈保华，热处理，机械工业出版社 7范逸明。简明金属热处理手册。国防工业出版社，2006年3月 8樊东黎，徐跃明，杨满. 热处理技术数据手册.机械工业出版社，2006：158187 9叶宏.金属热处理原理与工艺M.北京：化学工业出版社.2011.6：137-138 10李国斌.热处理工艺规范与数据手册.北京：化学工业出版社.2012.9:85-85