解放牌汽车变速箱齿轮热处理工艺设计.docx
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解放牌汽车变速箱齿轮热处理工艺设计
毕业设计（论文）
题目：
解放牌汽车变速箱齿轮热处理工艺设计
年级专业：
精细化学品生产技术
学生姓名：
学号：
指导教师：
职称：
副教授
导师单位：
化学工程系
论文完成时间：
2009年12月20日
附件2
山东化工职业学院
毕业设计（论文）任务书
专 业：
精细化学品生产技术
班 级：
精细化学品生产技术1班
设计者：
合作者：
指导教师：
课题名称：
解放牌汽车变速箱齿轮的热处理工艺设计
完成日期：
2009年12月20日
附件3
山东化工职业学院
毕业设计（论文）评定表
专业
精细化学品生产技术
姓名
周数
3
班级
精细化学品生产技术1班
学号
课题
名称
解放牌汽车变速箱齿轮的热处理工艺设计
指
导
教
师
评
语
签名：
年月日
系
意
见
盖章年月日
成
绩
备注
前言
热处理工艺是金属材料工程的重要组成部分。
通过热处理可以改变材料的加工工艺性能，充分发挥材料的潜力，提高工件的使用寿命。
本课程设计是在《材料科学基础》﹑《金属热处理工艺学》﹑《失效分析》﹑《金属力学性能》等课程学习的基础上开设的，是理论与实践相结合的重要教学环节。
通过该课程设计，可使学生在综合运用所学专业基础理论和专业知识能力方面得到训练，学会独立分析问题和解决问题的方法，提高工程意识和工程设计能力。
热处理工艺是整个机械加工过程种的一个重要环节，它与工件设计及其它加工工艺之间存在密切关系。
如何实现工件设计时提出的几何形状和加工精度，满足设计时所要求的多种性能指标，热处理工艺制定的合理与否，有着至关重要的作用。
现代工业的飞速发展对机械零部件﹑工模具等提出的要求愈来愈高。
热处理不仅对锻造机械加工的顺利进行和保证加工效果起着重要作用，而且在改善或消除加工后缺陷，提高工件的使用寿命等方面起着重要作用。
为获得理想的组织与性能，保证零件在生产过程中的质量稳定性和使用寿命，就必须从工件的特点﹑要求和技术条件，认真分析产品在使用过程中的受力状况和可能失效形式，正确选择材料；再根据生产规模﹑现场条件﹑热处理设备提出几种可行的热处理方案，最后根据其经济性﹑方便性﹑质量稳定性和便于管理﹑降低成本等因素，确定出一种最佳方案。
目录
1.课程设计的原则……………………………………………4
1.1热处理零件结构形状设计………………………………‥4
1.1.1结构形状设计应避免应力集中…………………………‥4
1.1.2结构形状设计应尽量简单、均衡、规则、对称………‥4
1.1.3设计中实际措施…………………………………………‥5
1.2热处理零件的选材原则……………………………………5
1.2.1使用性原则…………………………………………………5
1.2.2工艺性原则…………………………………………………5
1.2.3经济性原则…………………………………………………6
1.2.4选材时应注意的几个问题…………………………………6
1.3热处理工艺设计……………………………………………7
1.3.1热处理在加工工艺路线中的位置…………………………7
1.3.2热处理工艺选择时应重点考虑的因素……………………8
1.3.3热处理工艺规程的拟定……………………………………8
1.4本课程设计任务……………………………………………9
2.解放牌汽车变速箱齿轮的热处理工艺设计………………10
2.1汽车变速齿轮的服役条件…………………………………10
2.2汽车变速齿轮常见的失效形式……………………………10
2.3汽车变速齿轮的性能要求…………………………………11
2.4汽车变速齿轮的材料的选择………………………………11
2.4.1汽车变速齿轮备选材料分析……………………………‥12
2.5汽车变速齿轮的加工工艺路线…………………………13
2.6热加工及热处理工艺规程………………………………14
2.7各热处理工艺后的金相组织分析………………………16
2.8热处理工艺过程中的质量检验项目……………………19
2.8.1渗碳淬火后齿轮的检验项目、内容和要求……………19
2.8.2渗碳齿轮的常见缺陷及防止措施………………………21
3.心得体会………………………………………………‥23
4．参考文献………………………………………………‥24
1.课程设计的原则
1.1热处理零件结构形状设计
需要热处理的工件，在设计时，除了应考虑服役条件、承受载荷的大小和机械加工工艺外，还要要考虑热处理的变形、开裂所造成的产品报废。
因此，对热处理件结构形状有一定的设计要求。
1.1.1结构形状设计应避免应力集中
截面急剧变化的工件，淬火时易引起过量变形或开裂，一般应采用平滑过渡或圆弧过渡；外形的尖锐棱边，尖角和凹腔角处会产生应力集中，因此，也常用圆弧代替尖角，为防止工件上的孔或模具型腔成为裂纹的策源地，孔与孔之间应有一定的距离，冲模型腔与模边之间的距离也应足够大。
1.1.2结构形状设计应尽量简单、均衡、规则、对称
结构件的形状应尽量使工件各部位的质量均匀分布，以减少淬火时可能引起的过量变形和开裂。
理想的结构形状可遵循以下的基本原则：
a.球形优于立方体，更优于长方体；
a.圆柱体优于圆锥体；
b.圆形截面优于椭圆形截面，方形截面优于矩形截面；
c.在可能的条件下，应尽量使功能孔的尺寸与位置均衡、对称、分布，也可以通过加开工艺孔或工艺槽来解决质量均衡问题；
d.辅助孔应位于交叉刃口的延长线上，尤其不能靠近小锐角，以免成为裂纹的策源地。
1.1.3设计中实际措施
机械构件中工作的轮廓、形状和尺寸是各式各样的，往往不能遵循上述设计原则，对此可根据实际情况采取措施加以补救。
a.设计成合理形状，淬火后再磨去不必要的部分；
b.开切必要的孔槽使质量均衡；
c.一个不平衡的工件，为了平衡质量、改善散热条件，可加开工艺孔；
d.大型复杂工件可采用拼镶结构，以解决加工和热处理的困难；
e.刻字、印痕的位置应远离应力集中程度高的孔。
为减少损失，避免事故，充分估计各种因素的影响，可采用设计、热加工和热处理几方面共同商讨，协同设计，避免因设计不当造成加工、热处理和使用上的问题。
1.2热处理零件的选材原则
1.2.1使用性原则
使用性原则是零件在使用中应该具有的性能，这是保证零件完成规定功能的必要条件。
在选材之前必须了解零件承受的负载类型及大小，所处工作环境和介质温度等服役条件。
服役条件不同，性能要求也不一样。
如：
螺栓、拉杆等承受拉伸载荷的工件要求有较高的屈服强度和抗拉强度；承受交变载荷的半轴、曲轴等除了应具备良好的综合机械性能外，还应有高的疲劳强度；而冲模、齿轮、铣刀等则要求有高的表面硬度。
1.2.2工艺性原则
零件毛坯主要有铸件、锻件、焊接件和型材四种，熟悉材料的
加工工艺过程和材料的工艺性能，使所选材料比较容易加工成工件，在选材时必须考虑材料的加工工艺性能。
从原材料到成品件，不同的工作经过了不同的冷、热加工工艺，从工艺性出发，选材可按下列技术路线进行：
1.2.3经济性原则
选材要讲经济效益，即应计算所得与所费、投入与产出、有用效果与、劳动消耗，要对它们进行评价和比较，从中选择最合适的不一定是最好的或单价最贵的材料，以最好的消耗量得到最大的效益，这就是经济性原则。
1.2.4选材时应注意的几个问题
零件选材原则的实质是所选材料要耐用，易加工且费用低。
同时，应注意以下几点：
a.在大多数情况下优先考虑使用性能，工艺性能和经济性原则次之;
b.有些力学性能指标（如σb、σ0.2、σ-1、K1c）可直接用于设计计算;δ、Ψ、Ak等不能直接用于计算，而是用于提高零件的抗过载能力，以保证零件工作安全性;
c.在对零件的力学性能要求转化为材料力学性能指标时，要注意手册上给出的组织状态。
如果零件的最终状态与手册上给出的相同，可直接使用，否则，还得查阅其它手册、文献资料或进行针对性的力学性能试验；
d.手册或标准给出的力学性能数据是在试验室条件下对小试样的试验结果，引用这些数据时要注意尺寸效应；
e.由于材料成分是一个范围，试样毛坯的供应状态可以有多种，因此，即使是同一牌号的材料，性能也不完全相同。
国际标准或原冶金部标准给出的热轧或退火状态的力学性能范围或最低值，其数据可靠；而技术资料、论文中给出的数据一般是特定条件下的平均值，使用时要加以注意；
f.同一材料的不同供应状态（如铸造、锻造、冷变形等）对数据影响很大；
g.选材时要注意同时考虑所选材料的成型加工方法。
1.3热处理工艺设计
热处理工艺设计包括热处理工艺在整个工件加工制造过程中的位置，热处理工艺选择和热处理工艺规程拟定。
1.3.1热处理在加工工艺路线中的位置
材料的加工工艺路线是比较复杂的，根据对工件性能要求的不同，热处理在加工工艺路线中的位置通常有以下三种情况：
a．毛坯→正火（退火）→机械加工→工件成品（一般工件）
b．毛坯→预先热处理（正火、退火或调质）→粗加工→最终热处理（淬火、回火、化学热处理等）→精加工（要求较高的工件）
c．毛坯→预先热处理→粗加工→淬火、回火或化学热处理→半精加工→稳定化处理或化学热处理→精加工→稳定化处理→工件成品（精密工件）
1.3.2热处理工艺选择时应重点考虑的因素
a）工件设计中热处理技术条件如材料（包括规格、钢种、晶粒度等）、金相组织、硬化层及渗层厚度、强度、冲击韧性及硬度要求；
b）热处理的工艺性确定热处理工艺时，应根据每种工件的技术,尽量做到工艺上的先进性，技术上的可靠性和经济上的合理性;
c）工厂生产条件及批量确定热处理工艺时还应考虑工厂的现场特点、现有设备、生产批量等因素。
在保证技术要求和质量稳定的前提下，可选用周期作业炉、连续作业炉或设计新标准设备。
1.3.3热处理工艺规程的拟定
a.分析所有可能的热处理工艺方案，比较后选择其中保证工件高质量而有最经济的方案；
b.需要热处理的工件应按材料、形状、尺寸、重量和性能要求等选择合适的热处理工艺；
c.根据现场加热和冷却设备选择工件的加热和冷却方法；
d.热处理工艺过程各工序顺序应力求优化，避免在工艺传递过程中的重复。
1.4本课程设计任务
1.根据所给零件，分析服役条件和可能的失效形式；
2.根据失效形式，确定零件的性能特点；
3.根据性能特点，选择材料，分析含碳量及合金元素的作用；
4.根据零件的材料，确定该零件的加工工艺路线以及热处理在加工工艺路线中的位置；
5.拟定热处理工艺规程，画出热处理工艺曲线示意图；说明各热处理工艺曲线中加热温度、保温时间、冷却介质的选择理由，分析各热处理工艺后的力学性能；
6.画出各热处理工艺后的金相组织示意图，分析显微组织特点，说明相组成物、组织组成物的名称;
7.编写热处理工艺过程中的质量检测项目。
2．解放牌汽车变速箱齿轮的热处理工艺设计
2.1汽车变速齿轮的服役条件
齿轮是机械工业中应用最广泛的重要零件之一。
其主要作用是传递动力，改变运动速度和方向。
是主要零件。
其服役条件如下：
1）齿轮工作时，通过齿面的接触来传递动力。
两齿轮在相对运动过程中，既有滚动，又有滑动。
因此，齿轮表面受到很大的接触疲劳应力和摩擦力的作用。
在齿根部位受到很大的弯曲应力作用；
2）在运转过程中的过载产生振动，承受一定的冲击力或过载；
3）变速齿轮在换档时，端部受冲击，承受一定冲击力；
4）在一些特殊环境下，受介质环境的影响而承受其它特殊的力的作用。
2.2汽车变速齿轮常见的失效形式
根据其服役条件，常见的失效形式为：
1）疲劳断裂
齿轮在交变应力和摩擦力的长期作用下，导致齿轮点面接疲劳
断裂。
其产生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时，就造成断裂失效；
2）表面损伤
a）点蚀：
是闭式齿轮传动中最常见的损坏形式，点蚀进一步发展，表现为蚀坑至断裂;
b）硬化层剥落：
由于硬化层以下的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
b）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，在齿轮运转时粘结而后又被撕裂，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的齿面间，使齿面产生机械擦伤和磨损，比正常磨损的速度来得更快。
另外，齿轮除上述失效形式外，还有在换档时，齿端相互撞击，而造成的齿端磨损，或因换档过猛或过载造成断裂以及齿面塑性变形，崩角等失效形式。
2.3汽车变速齿轮的性能要求
根据变速齿轮服役条件及失效形式，对齿轮的性能作如下要求：
1）有较高的弯曲疲劳强度；
2）表面有高的硬度和耐磨性；
3）具有高接触疲劳抗力；
4）足够的塑性和韧性；
5）高的淬透性。
2.4汽车变速齿轮的材料的选择
汽车变速齿轮属于重载荷齿轮，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的要求，一般选用渗碳钢，如20Cr、20CrMnTi,选用热处理为：
渗碳。
2.4.1汽车变速齿轮备选材料分析
对于20Cr
1）成分
C﹪＝0.17～0.24﹪Si﹪＝0.20～0.40﹪Mn﹪＝0.50～0.80﹪
Cr﹪＝0.70～1.00﹪P﹪≤0.040﹪S﹪≤0.040﹪
临界点：
Ac1＝760℃Ac3＝830℃
2）性能特点
20Cr是典型的低淬透性钢，但比相同含碳量的碳素钢的强度和淬透性都有明显提高，油淬后可得马氏体淬硬层为Φ20～23，常用于制造截面尺寸小于30㎜，形状简单，受力不大，变速档较高，负载不大的而耐磨渗碳零件。
20Cr正火后硬度为HB179～217，显微组织为均匀分布的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35～45HRC。
σb≥835MPa，σS≥540MPa,δS≥10﹪,ψ≥40﹪,Ak≥47J。
对于20CrMnTi钢
1）成分
C﹪＝0.17～0.24﹪Si﹪＝0.20～0.40﹪Mn﹪＝0.80～1.10﹪
Cr﹪＝1.10～1.30﹪Ti﹪＝0.06～0.12﹪S、P﹪≤0.040﹪
临界点：
Ac1＝750℃Ac3＝835℃
2）主要性能
20CrMnTi是典型的中淬透性钢，该钢由于Cr、Mn多元复合合金化的作用，淬透性好，油淬临界直径为40mm左右。
渗碳后淬火回火具有较高耐磨性和抗弯强度以及高的强韧性，特别是良好的低温冲击韧性，钢的渗碳工艺性较好，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的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，并可获得光洁的表面。
一般可用于制造截面在30mm以下的承受高速、中速及重载荷以及冲击和摩擦的重要渗碳零件，如齿轮、齿轮圈、离合器轴、液压马达转子等。
由以上分析可得：
解放牌汽车变速箱齿轮从服役条件、失效形式、性能综合考虑，故选用20CrMnTi作为汽车变速齿轮的材料。
其含碳量及合金元素的作用如下：
C%＝0.17～0.24%是为了保证心部得到低碳马氏体，具有足够的强韧性；
Cr、Mn、Si的作用：
增加钢的淬透性；
Ti的作用：
细化晶粒，防止渗碳温度下奥氏体晶粒粗化，以便实现渗碳预冷直淬工艺，同时还可形成合金碳化物渗层耐磨性。
2.5汽车变速齿轮的加工工艺路线
汽车变速齿轮属重载荷齿轮，须满足表面高耐磨和强韧性的要求，采用渗碳钢，如20CrMnTi进行渗碳热处理，其工艺路线为：
下料→锻造→等温正火→机械加工→渗碳﹢淬火﹢回火→喷丸→磨削→检验。
2.6热加工及热处理工艺规程
1）等温正火
锻坯等温正火是为消除内应力，改善、细化组织，为后续加做准备，便于切削加工。
设备：
RJX-75-9
℃
930～950℃
600±10℃
21
空冷
t/h
图1正火工艺曲线
2）渗碳+淬火+回火
a.渗碳：
使机械零件获得高的表面硬度，耐磨性和高的接触疲
劳强度和弯曲疲劳强度。
渗碳温度：
920～950℃，保温时间按渗碳层深度确定，取t＝6h，渗碳层深度：
1.8～1.9mm
20CrMnTi渗碳采用井式气体渗碳炉渗碳，渗碳气体使用碳氢化合物有机液体，如煤油、丙酮等直接滴入炉内气体而得，为提高渗入速度，是表面达到合适的含碳量，将渗入过程分两个过程进行，即渗入阶段和扩散阶段。
b.淬火：
20CrMnTi经渗碳后直接进行淬火。
齿轮渗碳后可预冷到870～880℃并保温一段时间，预冷过程中渗碳层析出二次渗碳体，深层中残余奥氏体量减少，预冷温度不应过低，以免心部游离铁素体增多，降低心部硬度，预冷应在炉内进行，并应防止表面脱碳，选择870℃，预冷2h。
淬火介质选择10﹟机械油，因为20CrMnTi淬透性好，油淬临界直径DO≤40mm油淬后可减少渗碳层中残余奥氏体，提高耐磨性和接触疲劳强度而心部有较高强度和韧性，淬火表面硬度HRC58～63,心部HRC33～45。
设备：
RQ3-75-9T。
其渗碳后淬火工艺路线如下：
图2渗碳淬火工艺曲线
c.回火：
淬火后，工件内存在淬火应力，为消除残余应力，选择低温回火。
低温回火温度为180～200℃，渗碳件选择下限，回火后需经磨削或喷丸处理，故选择180℃，保温2h出炉空冷，其硬度HRC56～63。
显微组织为回火马氏体+残余奥氏体。
设备：
RJ2-75-6。
其回火工艺路线如下：
℃
180～200℃
2h
空冷
t/h
图3回火工艺曲线
3）喷丸处理：
喷丸处理不仅是一个清洁工序，而且对齿轮的使用性能也有较大影响，但只有当喷丸时间足够长的情况下，喷丸对齿面抗麻点剥落性能才会得到有利的影响，如喷丸时间较短，则由于齿面光洁度差反而使寿命降低，喷丸对齿轮弯曲疲劳性能是有利的，但应注意使丸粒直射齿根。
4）检验：
a.外观：
表面无损伤、烧伤、严重腐蚀等缺陷；
b.渗层深度：
1.8～1.9mm；
c.硬度：
心部33～45HRC，齿面58～62HRC；
d.金相组织：
马氏体+残余奥氏体
2.7各热处理工艺后的金相组织分析
1）20CrMnTi等温正火后金相组织如下所示：
20CrMnTi（锻造后等温正火处理）的金相图
图4（100×）
图5（500×）
浸蚀方法：
4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：
均匀细小等轴状的珠光体和铁素体组织
20CrMnTi是一种渗碳用钢，渗碳前一般应进行正火处理，以细化晶粒、改善组织分布，为正常渗碳作好组织准备。
2）20CrMnTi（930℃渗碳后淬火、回火处理）金相组织如下图所示：
20CrMnTi（渗碳后淬火、回火处理）金相图
图6（100×）
图7（400×）
图8（400×）
浸蚀方法：
4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织说明：
图6：
表面渗碳层至心部组织分布形貌，回火温度较低，表面合金高碳马氏体区较难浸蚀。
图7：
齿的节圆处渗碳层组织，针状及隐针状马氏体（3～4级），残余奥氏体（8级），白色小条状碳化物（4～5级）。
图8：
齿角处渗碳层组织，基本与节圆相同，但碳化物趋网状分布，可评为7～8级。
2.8热处理工艺过程中的质量检验项目
2.8.1渗碳淬火后齿轮的检验项目、内容和要求
检验项目
检验内容及要求
原材料质量
用试样检查化学成分﹑低倍组织﹑晶粒度、淬透性、带状组织
毛坯力学性能
用试样检查检查布氏硬度，按图样检查σb、σ0.2、δ、Ψ、Ak
外观质量
用齿轮检查渗碳淬火后100％检查表面氧化、裂纹及碰伤
渗层深度
用试样检查按图样要求，从表面测到HV550深度处为有效硬化层深度，显微检查渗碳总深度时，碳钢为过共析＋共析＋1/2过渡区；合金钢为过共析＋共析＋全部过渡区。
过共析＋共析层应占总深度为50％～70％
表面硬度
用齿轮检查按图样要求，为HRC58～62
心部硬度组织
用齿轮检查按图样要求，为HRC33～45
心部组织为板条马氏体＋少量铁素体
表面碳浓度
用试样检查按图样要求，为0.75％～1.0％
表层显微组织
用试样检查按ZB/T04001-1988检查，细针马氏体＋分散细小碳化物＋少量残余奥氏体为佳，按标准图，马氏体和残余奥氏体1～5
表面裂纹
不允许有裂纹,100﹪磁粉探伤,批量件≥5件可抽查
齿部磁粉探伤
模数/mm缺陷最大尺寸/mm
≤2.50.8
＞2.5～81.6
＞82.4
畸变
用齿轮检查按图样和工艺要求检查
2.8.2渗碳齿轮的常见缺陷及防止措施
缺陷名称
产生原因
防止措施
毛坯硬度偏高
正火温度偏低或保温时间不足使组织中残留少量硬度较高（HV≥250）的魏氏组织，正火温度超过钢材晶粒显著长大的温度
应重新制订正火工艺；检查控温仪表，校准温度，控制正火冷却速度
毛坯硬度偏低
正火冷却过缓
重新正火，加强冷却
带状偏析
钢材合金元素和杂质偏析，一般正火难以消除
更换材料
层深不足
碳势偏低；温度偏低或渗期不足
提高碳势；检查炉温，调整工艺，延长渗碳时间
渗层过深
碳势过高，渗碳温度偏高；渗期过长
降低碳势；缩短周期，调整工艺
渗层不均
炉内各部分温度不均；碳势不均；炉气循环不佳；工件相互撞碰；齿面有脏物；渗碳时在齿面结焦
齿轮表面清洗干净；合理设计夹具；防止齿轮相互碰撞；在齿轮料盘上加导流罩，保证炉内各部温度均匀；严格控制渗碳剂中不饱和碳氢化合物
过共析＋共析层比例过大（大于总深度的3／4）
炉气碳势过高；强渗和扩散时间的比例选择不当
降低碳势；调整强渗与扩散期的比例，如果渗层深度允许，可返修进行扩散处理
过共析＋共析层比例过小（小于总深度的1／2）
炉气碳势过低，强渗时间过短
提高炉气碳势；增加强渗时间；可在炉气碳势较高的炉中补渗
表面碳浓度过高形成大块碳化物网
炉气碳势过高，强渗时间过长
降低碳势，缩短强渗时间；如果渗层深度允许，可在较低碳势炉中进行扩散处理；适当提高淬火温度；进行一次渗层的球化退火
表面残留奥氏体过多
碳含量过高；渗后冷却过快，碳量析出不够，淬火温度偏高
调整渗碳工艺控制碳含量；从渗碳炉或预冷炉中出炉的温度不宜过高；降低淬火温度
表面含碳量过低
炉气碳势过低，炉温偏高；扩散时间过长
提高碳势；检查炉温，调整强渗与扩散时间的比例
表层马氏体针粗大
淬火温度偏高
降低淬火温度
表层出现非马氏体组织
升温排气不充分；炉子密封性差，漏气，使表层合金元素氧化，淬火冷却速度低
从设备和工艺操作上减少空气进入炉内；适当提高淬火冷却速度；在渗碳最后10min左右通入适量氨气
表层脱碳
渗后出炉温度过高；炉子出现严重漏气；淬火时产生氧化
防止炉
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