变速箱齿轮热处理工艺设计.docx
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变速箱齿轮热处理工艺设计
1.齿轮热处理概述
众所周知，齿轮是机械设备中关键的零部件，它广泛的用于汽车、飞机、坦克、轮船等工业领域。
它具有传动准确、结构紧凑使用寿命长等优点。
齿轮传动是近代机器中最常见的一种机械振动是传递机械动力和运动的一种重要形式、是机械产品重要基础零件。
它与带、链、摩擦、液压等机械相比具有功率范围大，传动效率高、圆周速度高、传动比准确、使用寿命长、尺寸结构小等一系列优点。
因此它已成为许多机械产品不可缺少的传动部件，也是机器中所占比例最大的传动形式。
由于齿轮在工业发展中的突出地位，使齿轮被公认为工业化的一种象征.得益于近年来汽车、风电、核电行业的拉动，汽车齿轮加工机床、大规格齿轮加工机床的需求增长十分耀眼。
据了解，随着齿轮加工机床需求的增加，近年来涉及齿轮加工机床制造的企业也日益增多。
无论是传统的汽车、船舶、航空航天、军工等行业，还是近年来新兴的高铁、铁路、电子等行业，都对机床工具行业的快速发展提出了紧迫需求，对齿轮加工机床制造商提出了新的要求。
据权威部门预测2012年将达到200万吨。
但我国齿轮的质量与其他发达国家的同类产品相较还是具有一定的差距，主要表现在齿轮的平均使用寿命、单位产品能耗、生产率这几方面上。
本设计是在课堂学习热处理知识后的探索和尝试，其内容讨论如何设计齿轮的热处理工艺，重点是制定合理的热处理规程，并按此设计齿轮的热处理方法。
零件图
3.零件的服役条件、性能要求及技术指标
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：
?
⑴?
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；
⑵高速齿轮在运转过程中的过载产生振动，承受一定的冲击力或过载；
⑶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。
因此，齿轮的表面有高的硬度和耐磨性，高接触疲劳强度，有较高的齿根抗弯强度，高的心部抗冲击能力。
技术要求
齿表硬度：
58～63 HRC
心部强度：
33～45HRC
屈服强度：
〉850Mpa
齿根弯曲疲劳强度：
〉1000Mpa
4.材料选择
4.1零件用途
齿轮是汽车中的重要零件，变速箱齿轮为汽车发动机的重要部件，用于改变发动机曲轴和传动轴的速度比。
4.2材料比较
齿轮常用材料有20Cr，20CrMnTi,18Cr2Ni4WA
20Cr
有较高的强度及淬透性，但韧性较差。
渗碳时有晶粒长大倾向，降温直接淬火对冲击韧性影响较大，因而渗碳后进行二次淬火提高零件心部韧性；可切削性良好，但退火后较差；20Cr为珠光体，焊接性较好，焊后一般不需热处理。
20CrMnTi
20CrMnTi是性能良好的渗碳钢，淬透性较高，经渗碳淬火后具有高的强度和韧性，特别是具有较高的低温冲击韧性，切削加工性良好，加工变形小，抗疲劳性能好。
18Cr2Ni4WA
18Cr2Ni4WA属于高强度中合金渗碳钢。
18Cr2Ni4WA钢常用于合金渗碳钢,强度,韧性高,淬透性良好,也可在不渗碳而调质的情况下使用,一般用做截面较大,载荷较高且韧性良好的重要零件。
对于汽车来说，由于其使用条件复杂，采用调质钢不能保证要求，选用渗碳钢较为合适。
20CrMnTi钢采用渗碳+淬火+低温回火，齿轮表面可以获得55~63HRC的高硬度，因淬透性较高，齿心部具有较高的强度和韧性。
因而选用20CrMnTi钢。
4.3材料化学成分及合金元素的作用
4.3.120CrMnTi钢的具体化学成分及含量
表120CrMnTi钢的化学成分及含量（质量百分数）
合金元素
C
Cr
Mn
Ti
Si
S
P
Ni
Cu
含量（wt%）
0.17～0.23
1.00～1.30
0.80～1.10
0.04～0.10
0.17～0.37
≤0.035
≤0.035
≤0.30
≤0.30
4.3.2化学元素作用
C：
C的含量决定了渗碳件心部的强度和韧性，从而影响零件的整体性能。
一般渗碳钢都是低碳钢。
Cr：
有利于渗碳层增厚，提高钢的淬透性，提高回火稳定性，增加钢的耐磨性。
Mn：
提高钢的淬透性，增加钢的强度和硬度，有利于渗碳层增厚，细化珠光体组织以改善机械性能。
Ti：
阻止奥氏体晶粒在高温渗碳时长大，细化晶粒，并且减小渗碳层厚度。
Si：
阻止碳化物形核长大，提高钢的淬透性，提高钢的抗回火稳定性，提高对钢的综合机械性能。
S、P:
都是钢中的杂质元素，S能明显降低钢的热塑性，但能改善钢的可切削性；P能降低钢的强度和韧性。
4.4材料的相变点
20CrMnTi相变临界点
牌号
临界温度/℃
锻造加工温度/℃
正火
Ac1
Ac3
Ms
加热
始锻
温度
/℃
冷却
/℃
硬度
HBW
Ar1
Ar3
Mf
终锻
20CrMnTi
730
820
360
1200~
1240
1160~
1200
930~
950
空冷
156~
207
690
795
>850
淬火
回火
温度
/℃
淬火介质
硬度
HRC
不同温度回火后的硬度值HRC
150℃
200℃
300℃
400℃
500℃
550℃
600℃
650℃
860
油
42~46
43
41
40
39
35
30
25
17
5.齿轮加工制作工艺
5.1传统的齿轮材料的工艺路线：
下料→锻造→正火→齿形加工→渗碳→淬火→低温回火→喷丸→磨切削加工
5.2淬火工艺设计
为了使工件获得表硬内韧的性能要求，工件渗碳后必须进行适当的热处理，由于齿轮的材料是20CrMnTi钢，是本质细晶粒钢，特别是钢中含有的强碳化物形成元素Ti，强烈阻止奥氏体晶粒的长大，经过长时间渗碳后奥氏体晶粒并不明显长大，故可以用预冷直接淬火法。
正常加热冷却情况下，工件加热到860℃后，保温一段时间，使之奥氏体化后用油冷却至室温，得到马氏体和残余奥氏体，具有较高的硬度。
温度：
860℃
渗碳后的齿轮温度在930℃左右，此时可以将齿轮留在渗碳炉中冷却，即预冷，冷却到860℃时，保温一段时间，取出后立即放入油中，这样对齿轮淬火，操作比较简单，降低了成本，提高了生产效率，也可以达到齿轮需要的要求，且齿轮氧化、脱碳及淬火变形均小。
淬火介质：
油冷
淬火设备:
淬火油槽
钢的加热温度一般可根据Fe-Fe3C相图选择，20CrMnTi钢为亚共析钢，淬火加热温度选择Ac3以上30℃～50℃。
根据渗碳后齿轮的表层含碳量的分布状况及实践经验从930℃预冷到860℃左右进行油冷可以得到好的效果。
淬火冷却速度太快,奥氏体向马氏体组织转变剧烈、体积收缩，引起很大的内应力，容易造成齿轮的变形和开裂，由于20CrMnTi是合金钢，淬透性较好，故选择油冷减小冷却速度，防止淬火造成齿轮变形或开裂。
同时也能获得马氏体组织，达到较高的硬度。
保温时间的确定淬火加热时间包括升温和保温时间两段时间，升温时间包括相变重结晶时间，保温时间实际上只考虑碳化物溶解和奥氏体成分均匀化所需要的时间。
在具体的生产条件下，淬火加热时间常用经验公式计算，通过实验最终确定。
常用的经验公式为：
τ=a*K*D
式中：
τ，加热时间，min；a，加热系数，min/mm；K，装炉修正系数；D，工件有效厚度，mm。
加热系数a表示工件单位厚度需要的加热时间，其大小与工件尺寸、加热介质和钢的化学成分有关，下表是常用钢的加热系数。
常用钢的加热系数
工件材料
工件直径
/mm
＜600℃箱式炉中加热
750～850℃盐炉中加热或预热
800～900℃箱式炉或井式炉中加热
1000～1300℃高温盐炉中加热
碳钢
≤50
0.3～0.4
1.0～1.2
＞50
0.4～0.5
1.2～1.5
合金钢
≤50
0.45～0.50
1.2～1.5
＞50
0.50～0.55
1.5～1.8
高合金钢
0.30～0.40
0.30～0.35
0.17～0.2
高速钢
0.30～0.35
0.16～0.18
根据设计的20CrMnTi钢齿轮，加热系数a的大小取1.5。
修正系数K的值取2.2。
故加热时间为τ=a•K•D=155min≈2.5h
因为升温和保温当中有渗碳的过程，所以除去渗碳时间。
齿轮的升温时间为1.5h，所以得到保温时间是1.0h。
5.3其他热处理工艺
5.3.1正火
温度：
930℃
时间：
保温3个小时
组织：
片状珠光体+铁素体
硬度：
齿轮的表面硬度为156～207HBW
设备：
中温箱式炉
我选择的变速箱齿轮，它的直径大约是200mm，内圈直径约为100mm，厚度约是50mm，齿轮正面的圆形面积S约为628mm2，体积V约为31400mm3.材料是低碳合金钢20CrMnTi。
它的正火温度在950℃左右。
考虑到中温炉在中温测量时比较准确，因而选用中温箱式炉。
结构图如图2所示。
标准系列中温箱式电阻炉技术数据如表3所示。
中温箱式炉结构图
1—炉壳；2—炉衬；3—热电偶；4—炉膛；5—炉门；
6—炉门升降结构；7—电热元件；8—炉底板；
型号
功率
/kw
电压
/v
相数
最高工作温度/℃
炉膛尺寸（长×宽×高）/mm
炉温850℃时的指标
空炉损耗功率/kw
空炉升温时间/h
最大装载量
/kg
RX
（RX3-□-9Q）
RX3-15-9
15
380
1
950
600×300×250
5
2.5
80
RX3-30-9
30
380
3
950
950×450×350
7
2.5
200
标准系列中温箱式电阻炉技术数据
根据我选择的齿轮大小，正火选用的电阻炉为RX3-15-9。
正火工艺曲线
5.3.2渗碳
煤油是传统的渗碳滴注剂，如图5显示了煤油热分解气成分与稳定的关系。
煤油价格低廉，渗碳能力强，但单独使用煤油渗碳会在高温裂解后产生大量CH4和[C]，炉内积碳严重，炉内气氛的成分和碳势不稳定，不易控制。
现在，采用甲醇—煤油混合液作为渗碳滴注剂，其中甲醇是稀释剂，煤油是渗碳剂，可以明显的减少炭黑。
煤油热分解气成分与温度的关系
渗碳温度:
920±10℃
依据：
渗碳温度在Ac3以上，考虑碳在钢中的扩散速度等因素，采用的温度为910~930℃。
渗碳程度的升高，碳在钢中的扩散系数增大，渗碳速度很快，但渗碳温度过高会造成晶粒粗大，选取t=930℃。
160~180滴/分钟
采用到温加热的方法，原因是避免金属组织出现不需要的相转变，加热速度快，节约时间，便于批量生产。
设备：
RQ3-60-9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。
常用RQ系列渗碳井式炉的型号
型号
额定功率/kW
额定电压/V
相数
额定温度/℃
工作空间尺寸（直径×深度）/mm
在950℃时有关指标
空炉损耗功率/kW
空炉损耗升温时间/h
最大装载量/kW
RQ3-35-9
35
380
3
950
Φ300×600
≤9
≤2.5
70
RQ3-60-9
60
380
3
950
Φ450×600
≤12
≤2.5
150
RQ3-75-9
75
380
3
950
Φ450×900
≤14
≤2.5
220
根据我选择的齿轮大小，选择型号为RQ3-60-9系列的井式渗碳炉比较合适
齿轮在井式炉中的渗碳工艺曲线
渗碳层组织
表层：
细针状或隐晶马氏体+细颗粒状弥散均匀分布的碳化物+少量残余奥氏体；
心部：
细晶粒低碳马氏体组织；
表层与心部之间：
高碳马氏体+残余奥氏体。
渗碳层中有25%～30%的残余奥氏体时，有利于提高接触疲劳强度；表面粒状碳化物增多，提高表面耐磨性及接触疲劳强度，但碳化物数量过多将使冲击韧度，疲劳强度等性能降低。
5.3.3回火
齿轮淬火后具有较高的强度和硬度，其淬火组织主要是韧性很差的孪晶马氏体，有较大的淬火内应力和一些微裂纹，所以回火应该及时点。
在180℃回火能使孪晶马氏体中过饱和的固溶碳原子沉淀析出弥散分布的ε碳化物，既可以提高钢的韧性，又保持了钢的硬度、强度、耐磨性。
在180℃回火时，大部分裂纹已经焊合，可大大减轻工件的脆裂倾向。
低温回火得到隐晶的回火马氏体及在其上分布的均匀细小的碳化物颗粒，硬度可以达到55HRC以上。
回火的保温时间：
2h
回火时间一般为1～3小时
在空气炉中保温时间
有效厚度/mm
≤20
20～40
40～60
60～80
80～100
保温时间/min
30～45
45～60
60～90
90～120
120～150
合金钢的保温时间按上述表格中所列出的时间增加20%～30%，空气炉低温回火的保温时间不得低于120min；装炉量大时，保温时间应适当延长。
所以齿轮的保温时间确定为2h。
材料的组织及性能加热温度为180℃。
加热到100℃时马氏体开始分解，共格析出ε-碳化物，回火保温足够长的时间后得到回火马氏体，硬度和耐磨性高。
低温回火时马氏体中过饱和碳原子以碳化物的形式逐步析出,马氏体晶格畸变程度减弱,内应力有所降低。
此时的回火组织由马氏体和碳化物组成,称为回火马氏体。
虽然马氏体的分解使α-Fe中碳的过饱和程度降低,钢的硬度相应下降,但析出的碳化物又对基体起强化作用,部分的残余奥氏体分解为回火马氏体,所以钢仍保持很高的硬度和耐磨性和一定的韧性。
钢中含有的Si元素能提供钢的回火抗性，Cr元素能提高回火稳定性。
回火设备：
低温箱式炉
低温箱式炉的最高工作温度为650℃，用于钢铁零件淬火后的回火和时效处理，也可以作铝合金的淬火加热用。
其零件的加热是靠对流和辐射完成的，在炉顶或炉的后墙上安装风扇以及导风装置，强迫炉内气体的循环，来提高炉膛的温度均匀性和传热效果。
低温箱式电阻炉技术数据
型号
功率/kW
工作温度/℃
炉膛尺寸（长×宽×高）/mm
最大装载量
/kg
RX3—15—6
15
650
600×300×250
80
RX3—75—6
75
650
1800×900×550
1200
KH95—03
70
650
1276×1060×1100
700
KH86—17
60
350
1800×950×550
2100
根据我选择的齿轮大小，回火选用的电阻炉为RX3-15-6。
淬火、回火工艺曲线
5.3.4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。
5.3.5质量检查
齿轮精加工后，最后还要检查齿轮的外观表面、渗层深度、硬度、金相组织等是否达到设计的要求。
a.外观：
表面无损伤、烧伤、严重腐蚀等缺陷；使用测量工具测量，用显微镜看表面是否有裂纹。
b.渗层深度：
1.0～1.2mm；磁粉检测。
c.硬度：
心部29～35HRC，齿面50～56HRC；洛氏硬度计打硬度。
d.金相组织：
回火马氏体+残余铁素体。
用金相显微镜看金相组织。
6.参考文献
[1]《材料科学基础》王章忠主编机械工业出版社2008.3.第一版
[2]《金属热处理工艺学》夏立芳主编哈尔滨工业大学出版社2008.5.第四版
[3]《金属材料学》戴起勋主编化学工业出版社2005.8.第一版
[4]《现代热处理手册》才鸿年、马建平主编化学工业出版社2010.1.第一版
[6]《实用热处理技术手册》杨满主编机械工业出版社2010.6.第一版
[7]《典型零件热处理技术》王忠诚、齐宝森、李杨主编化学工业出版社2010.7.第一版
[9]《结构钢及其热处理》董世柱、徐维良主编辽宁科技技术出版社2009.3.第一版
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