20Cr汽车齿轮的热处理工艺设计.docx

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20Cr汽车齿轮的热处理工艺设计

攀枝花学院

学生课程设计（论文）

题目：

20Cr汽车齿轮的热处理工艺设计

学生姓名：

XXX

学号：

**********XXX

所在院（系）：

材料工程学院

专业：

2011级材料成型及控制工程

班级：

材料成型及控制工程

指导教师：

XXXX职称：

讲师

2013年12月28日

攀枝花学院教务处制

攀枝花学院本科学生课程设计任务书

题　目

20Cr汽车齿轮的热处理工艺设计

1、课程设计的目的

使学生了解、设计20Cr汽车齿轮的热处理工艺设计，主要目的：

（1）培养学生综合运用所学的热处理课程的知识去解决工程问题的能力，并使其所学知识得到巩固和发展。

（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、工艺图绘制和学习使用设计资料、手册、标准和规范。

2、课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）

内容：

进行零件的加工路线中有关热处理工序和热处理辅助工序的设计。

根据零件的技术要求，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。

最后，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。

要求：

（1）分析生产加工及热处理过程中可能出现的缺陷，针对这些缺陷提出预防措施或补救措施。

（2）提交设计说明书（或设计报告），3～5千字，提交设计说明书。

3、主要参考文献

[1]崔明择主编.工程材料及其热处理[M].北京：

机械工业出版社，2009.7.

[2]崔忠析主编.金属学与热处理（第二版）[M].北京：

机械工业出版社，2007.5

[3]王建安.金属学与热处理[M].北京：

机械工业出版社，1980

[4]中国机械工程学会.热处理手册[M].北京：

机械工业出版社，2006.7

[5]范逸明.简明金属热处理工手册[M].北京：

国防工业出版社，2006.3

4、课程设计工作进度计划

第16周：

对给定题目进行认真分析，查阅相关文献资料，做好原始记录。

第17周：

撰写课程设计说明书，并进行修改、完善，提交设计说明书。

指导教师（签字）

日期

年月日

教研室意见：

年月日

学生（签字）：

接受任务时间：

年月日

注：

任务书由指导教师填写。

课程设计（论文）指导教师成绩评定表

题目名称

评分项目

分值

得分

评价内涵

工作

表现

20%

01

学习态度

6

遵守各项纪律，工作刻苦努力，具有良好的科学工作态度。

02

科学实践、调研

7

通过实验、试验、查阅文献、深入生产实践等渠道获取与课程设计有关的材料。

03

课题工作量

7

按期圆满完成规定的任务，工作量饱满。

能力

水平

35%

04

综合运用知识的能力

10

能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题，能正确处理实验数据，能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。

05

应用文献的能力

5

能独立查阅相关文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获取新知识的能力。

06

设计（实验）能力，方案的设计能力

5

能正确设计实验方案，独立进行装置安装、调试、操作等实验工作，数据正确、可靠；研究思路清晰、完整。

07

计算及计算机应用能力

5

具有较强的数据运算与处理能力；能运用计算机进行资料搜集、加工、处理和辅助设计等。

08

对计算或实验结果的分析能力（综合分析能力、技术经济分析能力）

10

具有较强的数据收集、分析、处理、综合的能力。

成果

质量

45%

09

插图（或图纸）质量、篇幅、设计（论文）规范化程度

5

符合本专业相关规范或规定要求；规范化符合本文件第五条要求。

10

设计说明书（论文）质量

30

综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理；实验正确，分析处理科学。

11

创新

10

对前人工作有改进或突破，或有独特见解。

成绩

指导教师评语

指导教师签名：

年　月　日

摘要

汽车中变速箱齿轮是关键件，齿轮材料的选用及热处理工艺参数的确定一直是我们探究的主题。

原来采用20CrMnTi材料，热处理工艺为气体渗碳，其渗碳温度高、时间长，易造成晶粒粗大、表面沉积碳黑等缺陷。

由20Cr代替20CrMnTi，热处理工艺采用中温气体碳氮共渗直接淬火的方法。

设备为RJJ-75-9T井式炉,滴柱式可控气氛控制炉压，渗剂为煤油加液态稀土共渗剂。

此工艺共渗温度降至880℃，共渗时间缩至3小时。

节约能耗33.6%，因缩孔造成的返修率降低到2.87%，齿轮本身也得到了更好的耐磨性、表面硬度和心部综合机械性能。

关键词：

齿轮；气体碳氮共渗；工艺参数；耐磨性 

1设计任务

1.1设计任务

20Cr汽车齿轮的热处理工艺设计

1.2设计的技术要求

20Cr材料属于低淬透性合金钢，采用渗碳工艺时晶粒容易长大，而中温气体碳氮共渗工艺，是在工件的表面同时渗入碳和氮，由于氮的加入使γ相区扩大，Ac3点下降因而能使钢在更低的温度增碳。

其过程是将钢件放入密封炉罐内加热到820℃～880℃，并向炉内滴入煤油或其它渗剂，然后加入共渗剂。

共渗剂的分解，使活性的碳原子和氮原子在一定压力下被吸附在工件表面并向内扩散，从而形成一定深度的碳氮共渗层。

碳氮共渗过程可分为两个阶段，第一阶段即强渗阶段，碳和氮在工件表面的渗入情同；随着时间的延长，出现第二阶段，这时碳继续渗入而氮不仅不渗入工件表面，反而渗层表面部分的氮原子进入到气体介质中，表面脱氮。

所以应严格控制共渗温度与共渗时间。

2设计方案

2.1变速箱设计的分析

2.1.1工作条件

首先确定共渗剂：

通过市场调研决定购进现成的液态碳氮共渗剂，这样能保证原来气体渗碳时的设备、工装无需改动。

试块采用自制的φ10×20（mm）的20Cr钢棒（图2）。

图2试块

共渗设备为RJJ-75-9T井式炉滴柱式碳氮共渗。

方法是：

分别在井式炉的上区、下区特征位置每炉放置3块试块，分别在不同的共渗时间、共渗温度、渗济滴量下取出试块做成金相试样，随时观察其渗层厚度、渗层组织、晶粒大小、表面硬度，并做好记录。

 2.1.2失效形式

主要失效形式为齿面点蚀和轮齿折断。

齿面点蚀。

齿轮传动过程中，齿轮接触面上各点的接触应力呈脉动循环变化，经过一段时间后，会由于接触面上金属的疲劳而形成细小的疲劳裂纹，裂纹的扩展造成金属剥落，形成点蚀。

轮齿折断。

最常见的是弯曲疲劳折断、过载折断。

轮齿受力后,在齿根部产生的弯曲应力最大,且在齿根过渡圆角处有应力集中。

如果轮齿的交变应力超过了材料的疲劳极限,在齿根圆角处将产生疲劳裂纹,随着裂纹不断扩展。

2.1.3性能要求

变速箱疲劳耐久性试验。

此项目考核变速箱各档位齿轮、轴、轴承及壳体的疲劳耐久性,是变速箱台架试验的必做项目。

试验时间长、试验效果明显是其主要特点。

疲劳耐久性试验的加载方式是试验的关键,一般采用机械封闭式变速箱加载试验台或电封闭式变速箱加载试验台。

变速箱同步器性能试验。

该项目适用于有同步器的变速箱或变速箱的有同步器的档位。

通过在一定油温、一定输出转速下测量变速箱各档位的同步位移、换档力、输入转速、输出转速、输出扭矩,分析整理得到各档位的同步时间、同步位移及换档力、同步扭矩的变化规律,从而判断变速箱的换档性能。

试验后变速箱无损伤。

变速箱静扭强度试验。

将变速箱安装在试验台上,固定其输出端,利用减速机带动输入端慢慢运转,同时记录变速箱输入端扭矩、输出端扭矩、输入轴扭转角度,直到达到某设定扭矩或直到变速箱损坏而停止加载。

分析记录数据的变化规律,判断变速箱的静态扭转强度性能。

此项目试验时间短,直接反映变速箱某档位的静态强度性能,是变速箱强度性能的一项重要指标,但试验后变速箱的主要强度零件完全损坏。

变速箱润滑性能和温升试验。

测量变速箱在不同的爬坡角度、不同的输入

转速下空载温度升高规律。

由于是空载下运行,输入功率小、消耗功率少,运转时间不长,故不损坏变速箱。

虽然试验成本低,但变速箱设计上的缺陷、制造过程中的多种故障都能从温升中反映出来,故在变速箱台架试验及日常质量评价试验中得到普遍应用。

变速箱传动效率试验。

此项目需在可加载的试验台上进行。

测量变速箱各档在不同的输入转速、不同的输入扭矩、不同的温度下输出功率与输入功率得到变速箱的传动效率值。

传动效率值反映出变速箱各档位在不同输入扭矩、不同温度下的效率对比,可判断变速箱在不同扭矩下的变形、干涉和异常磨损情况等多项性能,从而寻找其不足进行改善。

此项目不但在变速箱台架试验中有较为重要的意义,而且对于批量生产的变速箱日常质量评价也是非常有意义的。

通过测量值与经验值的对比,可以判定变速箱质量水平的高低[3]。

20cr有较高的强度及淬透性，在油中临界淬透直径达4～22mm，在水中临界淬透直径达11～40mm，但韧性较差，此钢渗碳时仍有晶粒长大倾向，降温直接淬火对冲击韧性影响较大，所以渗碳后需二次淬火以提高零件心部韧性，无回火脆性；钢的冷应变塑性高，可在冷状态下拉丝；可切削性在高温正火或调质状态下良好，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，但厚度大于15mm的零件在焊前需预热到100～150℃，焊后也可不进行回火热处理。

20Cr钢板抗拉强度（σb/MPa）：

≥835屈服点（σs/MPa）：

≥540断后伸长率（δ5/%）：

≥10断面收缩率（ψ/%）：

≥40冲击吸收功（Aku2/J）：

≥47布氏硬度（HBS100/3000）（退火或高温回火状态）：

≤179

2.2钢种材料

20cr淬火、低温回火后具有良好的综合力学性能，低温冲击韧性良好，回火脆性不明显。

渗碳时钢的晶粒有长大趋势，所以要求二次淬火，以提高心部韧性，不宜降温淬火。

当正火后硬度为170-217HB时，相对切屑加工性约为65%，焊接性中等，焊前应预热到100-150℃，冷变形时塑性中等。

为了提高模具型腔的耐磨性，模具成型后需要进行渗碳处理，然后再进行淬火和低温回火，从而保证模具表面具有很高硬度、高耐磨性而心部具有很好的韧性。

对于使用寿命要求不很高的模具，也可以直接进行调质处理。

3设计说明

3.1加工工艺流程

20cr汽车齿轮热处理工艺设计的热加工工艺流程经过许多次改进形成如下的加工工艺流程:

锻造-退火（790度保温后随炉冷）-粗加工-渗碳、淬火（1000-1030摄氏度保温8小时,然后降温到850摄氏度出炉直接油淬）-回火（200摄氏度回火2-3个小时,）-精加工

20cr是合金结构钢的一种，用以制作截面尺寸小于30mm，形状简单，心部强度和韧性要求较高，表面受磨损的渗碳或氰化件，渗碳表面硬度HRC56-62

，其成分[1]如下表3.1.

表3.12120cr的化学成分（质量分数，%）

C

Mn

P

S

Cr

Ni

Cu

Si

0.18～0.24

0.50～0.80

≤0.035

≤0.035

0.70~1.00

≤0.030

≤0.030

0.17～0.37

成分分析：

Mn是良好的脱氧剂和脱硫剂。

它能消除或减弱由于硫所引起的钢的热脆性，从而改善钢的热加工性能。

Mn和Fe形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度，经固溶处理后有良好的韧性，当受到冲击而变形时，表面层将因变形而强化，具有高的耐磨性；同时又是碳化物形成元素，进入渗碳体中取代一部分铁原子。

Si能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度。

硅能提高钢的弹性极限、屈服强度和屈服比（σs/σb）,以及疲劳强度和疲劳比（σ-1/σb）等。

硅能促使铁素体晶粒粗化，降低矫顽力。

3.2具体热处理

20cr的热处理包括初期的锻造和退火热处理，以减少坯料的硬度为方便后面的机加工，也为后续渗碳、淬火、回火提供优良的原始组织。

20cr的热处理工艺分析：

1有较高的强度及淬透性，在油中临界淬透直径达4～22mm，在水中临界淬透直径达11～40mm，但韧性较差.需要提高其韧性..

2通过锻造和随后的退火，形成硬度较低的原始坯料，为后续的切削加工提供有利的方便和减少对于车床的磨损。

③渗碳是通过对其表面更加的硬度能够更大程度的提升，保证质量。

④为了碎化、细化共晶碳化物，把粗大的枝晶状共晶碳化物打碎、提高碳化物分布的均匀性，细化碳化物的粒度，一般20cr使用时都需要进行锻造和预先热处理,以减少碳化物的不均匀分布,为后续淬火、回火提供优良的原始组织[4]。

3.2.1预备热处理工艺

退火是将偏离平衡状态的金属坯料或零件加热至较高温度，保持一定的时间后通常以相当缓慢的速度冷却，以得到接近于平衡状态组织的各种工艺方法。

退火的目的是：

a消除钢锭的成分偏析，使成分均匀化。

b消除因铸、锻、焊引起的组织缺陷。

c降低硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工。

d细化晶粒，均匀组织，为后续热处理做组织准备。

e消除钢中的内应力，以防止变形与开裂[5]

20cr完全退火曲线3-1-2

加热温度：

790C°；加热速度：

小于200℃/h；保温时间：

4.5h]

3.2.2机械加工

由于我们专业并不怎么涉及机加工方面的知识，因此此处只能说明其在车床上进行加工。

3.2.3工艺参数及工艺曲线 

实验发现一定温度范围内，共渗温度越高则共渗层越厚，当温度高于880℃时渗层厚度的增加趋于缓慢（图3），但却由于温度的增加而使晶粒变的粗大。

所以共渗温度确定为上区880℃、下区860℃。

图3共渗温度对共渗层的影响 

（共渗时间3小时）

试验得出共渗时间超过3小时后，共渗剂对渗层厚度的影响明显下降，共渗3小时与共渗4小时的渗层厚度相差不大（图4），反而因为在高温下时间的延长而使晶粒长大。

图4共渗时间对共渗层的影响 

（共渗温度上区880±10℃，下区860±10℃）

于是我们把共渗阶段分为两段，即120分钟的强渗阶段和60分钟的扩散阶段，同时扩散阶段的滴量和炉内压力要适当降低（表1）。

分析原因在共渗初期试样表面还没有形成一定厚度的渗层，其共渗过程的控制因子主要是产生活性原子的界面反应和吸收活性原子的过程。

表120Cr齿轮中温气体碳氮共渗工艺参数 

因此，催渗的效果明显。

共渗120分钟后，表面的碳氮原子已基本饱和，吸附碳氮原子的速度减慢。

这时，应该预防的是高温下工件表面的脱氮，即已经渗入工件表面的部分氮原子又回到气体介质中。

所以在扩散阶段和降温阶段仍然要保持一定的炉内气氛的压力。

通过对实验数据分析得出最终的20Cr齿轮中温气体碳氮共渗工艺的各个参数（表1）及热处理工艺曲线（图5）

3.2.4淬火+低温回火热处理工艺

①淬火

淬火是将钢加热至临界温度点Ac3或Ac1以上一定的度，保温后以大于临界冷却速度的速度冷却得到马氏体（或下贝氏体）的热处理工艺叫做淬火。

其目的是使奥氏体化后的工件获得尽量多的马氏体，然后配以不同温度回火获得各种需要的性能。

钢的理想淬火冷却曲线如图3.4[7]所示

Ac3

Ac1

A

A→P

A→B

Ms

图3.4

②低温回火

回火是将淬火钢加热到A1以下某一温度，经过保温，然后以一定的冷却方法冷至室温的热处理操作。

其目的在于：

a.降低脆性，消除内应力。

工件淬火后存在着很大的内应力和脆性，若不及时回火，零件会产生变形或开裂。

b.得到对工件所要求的力学性能。

工件淬火后，硬度高，脆性大，为了了获得对工件要求的性能，可以用回火温度调整硬度，减小脆性，得到所需要的塑性、强度和硬度。

c.稳定工件尺寸。

淬火后的组织是马氏体和残余奥氏体，这两种组织都是不稳定的，会自发地逐渐地发生组织转变，因而引起工件尺寸和形状的改变。

通过回火，可以促使这些组织转变。

达到较稳定状态，以便在以后的使用过程中不发生变形[8]。

回火规范如表3.2[9]。

表3.5A回火规范表

方案

 淬火温度/℃

回火

用途

加热温度/℃

介质

硬度HRC

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

1020~1040

消除应力

去除应力，降低硬度

去除应力，降低硬度

150~170

200~275

400~425

油或硝盐

—

—

61~63

57~59

55~57

Ⅳ

Ⅴ

Ⅵ

1115~1130

去除应力及形成二次硬化

去除应力及形成二次硬化

去除应力及形成二次硬化

510~520℃多次回火

-78℃冷处理加510~520℃一次回火

-78℃冷处理加一次510~520℃回火，再-78℃冷处理

—

—

—

60~61

60~61

61~62

3.2.5物理性能

经过上述各种热处理后20cr的韧性、硬度、耐磨性都有所甚至很大的提升。

4分析与讨论

20Cr汽车齿轮的热处理工艺设计已经在前面展示，单就其性能以及热处理的过程想必是没多大问题，若放入实际生产中有很多不可预知的问题，因此，不能纸上谈兵须得到工厂或者实验室中反复的通过实验数据进行分析，然后在得出最重要的结论用于实践中，从而在生产中减低成本、提高效率并且减少工时，降低能源消耗。

5结束语

20Cr齿轮中温气体碳氮共渗比20CrMnTi高温气体渗碳在较低的温度下获得同样渗层厚度并且共渗速度快；处理后的工件表面、炉壁、料筐体上不会析出碳黑；工件具有更高的表面硬度、耐磨性、抗蚀性、弯曲强度和表面疲劳强度；工件变形小等优点。

共渗后直接淬火、低温回火，热处理能耗降低了33.6%，生产周期缩短了2小时。

由于共渗温度的降低因内花键缩孔导致的返修率由原来的13.7%降为2.87%。

因此小四轮拖拉机变速箱齿轮采用20Cr材料中温气体碳氮共渗热处理工艺，其工艺过程简单成本显著降低，如加以推广将带来巨大的经济效益。

6热处理工艺卡片

零件名称：

汽车齿轮

热处理工艺卡

处理要求：

下料、锻造、预备热处理（完全退火）、渗碳、淬火+低温回火、平磨、组装

热处理技术要求：

恰当控制温度和时间

表面硬度为58～64HRC，心部硬度30～42HRC

材料：

20cr

工序号

名称

设备

工具

装料

工艺规范

冷却

备注

工具数量

一工具装数量/

件

温度/℃

加热时间

保温时/h间

合计

介质

温度/℃

1

锻造加热

1000~1050

--

--

--

炉冷

2

完全退火

900~700

5min

4.5

5h

油

3

渗碳

890~850

5min

2h

2h

渗碳气氛

4

淬火

10

1h

1-2

2-3h

空气

5

低温回火

170～180

2h

3-5

6

7

8

9

10

更该日期

更改

单号

更改

标准

更改者

参考文献

[1]XX百科

[2]黎正科.机床变速箱的结构特性分析[J].2009,5

[3]张熹,崔京玉,章军.浅析齿轮钢及热处理工艺对汽车用齿轮性能的影响[J].北京,首钢技术研究.2009,10.

[4]吴晓峰,马坤.模具钢应用的主要问题与热处理研究进展[J].2009,35（9）:

55-62.

[5]樊新民.热处理工实用技术手册（第2版）[M].江苏,江苏科学技术出版社,2010,1.

[6]王忠诚,齐宝森,李杨等.典型零件热处理技术[M].北京,化学工业出版社.2010,7.

[7]崔中圻,谭耀春.金属学与热处理（第2版）[M].北京,机械工业出版社.2012,1.

[8]林约利,程芝苏.简明金属热处理手册（第二版）[M].上海,上海科技出版社.2003,3.

[9]