学士学位论文20crmnti齿轮的热处理.docx

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学士学位论文20crmnti齿轮的热处理

西安航空职业技术学院

毕业

设计

任务书

论文

材料系金属材料与热处理技专业118061班

毕业

设计

题目

20CrMnTi齿轮的热处理

论文

专题题目

20CrMnTi齿轮的热处理

发题日期：

设计、论文

自

完成期限：

至

答辩日期：

学生姓名：

刘海洋

指导教师：

石芬李艳

系主任：

王军

毕业设计、论文任务与要求：

1、任务

（1）熟悉毕业设计/论文写作的格式、程序，为以后的设计/论文写作奠定基础。

（2）掌握资料采撷、整理的方法，并要经过消化、吸收形成自己的知识体系。

（3）通过此次的毕业设计/论文写作，把自己三年学习的知识进行梳理，融会贯通，为以后工作过程的可持续发展打好基础；同时找出问题、解决问题，未能解决的问题留待以后的工作中去思考、解决；重点学会思考、掌握工作的方法。

（4）熟悉本专业在生产制造过程中各细分领域的工艺方法、工艺流程，设备选用、使用及维护等实践性较强的相关知识。

能掌握所涉及毕业设计/论文中制造过程的缺陷分析、质量控制的基本方法。

（5）善于总结：

通过毕业设计/论文写作，获得或学到的知识、效果分析及存在的问题。

2、要求

（1）按学院、系部及指导老师的要求完成毕业设计/论文写作；

（2）严格按毕业设计/论文写作的程序：

“选题—准备资料—设计/写作—检查—初稿完成—校审—修改—终稿完成—准备答辩“的程序完成毕业设计/论文；

（3）在时间上严格按“发题—毕业设计/论文写作—完成期限—答辩日期“的要求按时完成。

方案与设计步骤：

主要根据零件的用途，提出热处理方案，热处理的材料、及热处理工艺设计的思路。

1、根据热处理材料、及工作的环境设计热处理方案。

2、齿轮性能的要求，设计热处理方案。

毕业设计版权使用授权书

本人完全了解航空职业技术学院关于收集、保存、使用毕业设计的规定，同意如下各项内容：

按照学校要求提交毕业设计的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存毕业设计；学校有权提供目录检索以及提供本毕业设计全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交毕业设计的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制毕业设计的部分或全部内容用于学术活动。

作者签名：

年月日

西安航空职业技术学院毕业设计原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的毕业设计，是本人在指导教师指导下，进行研究工作所取得的成果。

除文中已经注明引用的内容外，本毕业设计的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。

对本毕业设计所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本文原创性声明的法律责任由本人承担。

作者签名：

年月日

【摘要】

齿轮是机械设备中的关键零件，齿轮质量的优劣直接关系到整个设备的使用寿命。

而齿轮质量的好坏在很大程度上取决于齿轮材料及其热处理工艺。

因此，国内外与齿轮制造相关的厂家都极为重视齿轮材料及其热处理技术的研究开发，并先后开发一系列新型齿轮材料及先进的热处理工艺。

20CrMnTi钢是制造齿轮的主要材料，于是研究一套以20CrMnTi为原料的齿轮热处理工艺便是研究任务的重中之重。

【关键词】齿轮齿轮钢发展热处理特性缺陷

目录

参考文献15

第一章前言

一、齿轮的发展简史

轮缘上有齿能连续啮合传递运动和动力的机械元件。

齿轮是能互相啮合的有齿的机械零件，齿轮在传动中的应用很早就出现了。

据史料记载，远在公元400～200年得中国古代就已开始使用齿轮，19世纪末，展成切齿法的原理及利用此原理切齿的专用机床与刀具的相继出现，随着生产的发展，齿轮运转的平稳性受到重视。

二、20CrMnTi简介

牌号：

20CrMnTi

标准：

GB/T3077-1988

特性及适用范围：

20CrMnTi钢是性能良好的渗碳钢，淬透性较高，经渗碳淬火后具有硬而耐磨的表面与坚韧的心部，具有较高的低温冲击韧性，焊接性中等，正火后可切削性良好。

用于制造截面＜30mm的承受高速、中等或重载荷、冲击及摩擦的重要零件，如齿轮、齿圈、齿轮轴十字头等。

化学成分

碳C

0.17～0.23

硅Si

0.17～0.37

锰Mn

0.80～1.10

铬Cr

1.00～1.30

硫S

允许残余含量≤0.035

磷P

允许残余含量≤0.035

镍Ni

允许残余含量≤0.030

铜Cu

允许残余含量≤0.030

钛Ti

0.04～0.10

力学性能

抗拉强度σb（MPa）

≥1080（110）

屈服强度σs（MPa）

≥835（85）

伸长率δ5（%）

≥10

断面收缩率ψ（%）

：

≥45

冲击功Akv（J）

≥55

冲击韧性值αkv（J/cm2）

≥69（7）

硬度

≤217HB

三、研究的目的和意义

中国齿轮工业“十五”期间得到了快速的发展：

2005年齿轮行业的年产值由2000年得204亿元增加到683亿元，年复合增长率23.27%，已成为中国机械基础件中规模最大的行业，就市场需求和生产规模而言，中国的齿轮行业也位居世界第四。

就使用性能和产品开发性而言中国齿轮制造业与发达国家相比还存在许多不足。

中国制造业由于缺乏核心技术，贴牌生产仍然是“中国制造”普遍的生存模式。

很多高端产品表面上市中国生产，其实核心技术都来自国外。

为此，“十二五”明确指出必须坚持发挥市场基础性作用与政府引导推动相结合，科技创新与实现产业化相结合，深化体制改革，以企业为主体，推进产学研结合，让高端制造业成为国民经济的先导产业和支柱产业。

制造业的升级和转型，对于齿轮行业有着深远影响和重大意义。

为此提高齿轮的性能便成了重中之重。

第二章方案

一、原材料的选择

20CrMnTi渗碳钢是一种低碳合金钢,工艺性能优良,广泛用于截面小于30mm承受高速、中等或重载及受冲击载荷和摩擦的重要渗碳零件,如汽车、拖拉机中的变速齿轮、凸轮、矿山机械使用的重载齿轮等,但因为齿轮材料的种类繁多，因此选择20CrMnTi作为研究对象。

二、齿轮的性能要求

齿轮是现代机械中应用最广泛的一种机械传动零件，合理地选择和使用金属材料尤为重要。

大致上讲，应主要满足齿轮材料所需的机械性能、工艺性能和经济性要求三个方面：

（一）、满足齿轮材料的机械性能

材料的机械性能包括强度、硬度、塑性及韧性等，反映材料在使用过程中所表现出来的特性。

齿轮在啮合时齿面接触处有接触应力，齿根部有最大弯曲应力，可能产生齿面或齿体强度失效。

齿面各点都有相对滑动，会产生磨损。

齿轮主要的失效形式有齿面点蚀、齿面胶合、齿面塑性变形和轮齿折断等。

因此要求齿轮材料有高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，齿面要有足够的硬度和耐磨性，芯部要有一定的强度和韧性。

（二）、满足齿轮材料的工艺性能

材料的工艺性能是指材料本身能够适应各种加工工艺要求的能力。

齿轮的制造要经过锻造、切削加工和热处理等几种加工，因此选材时要对材料的工艺性能加以注意。

一般来说，碳钢的锻造、切削加工等工艺性能较好，其机械性能可以满足一般工作条件的要求。

但强度不够高，淬透性较差。

而合金钢淬透性好、强度高，但锻造、切削加工性能较差。

我们可以通过改变工艺规程、热处理方法等途经来改善材料的工艺性能。

（三）、满足齿轮材料的经济性要求

所谓经济性是指最小的耗费取得最大的经济效益。

在满足使用性能的前提下，选用齿轮材料还应注意尽量降低零件的总成本。

我们可以从以下几方面考虑：

从材料本身价格来考虑。

碳钢和铸铁的价格是比较低廉的，因此在满足零件机械性能的前提下选用碳钢和铸铁，不仅具有较好的加工工艺性能，而且可降低成本。

从金属资源和供应情况来看，应尽可能减少材料的进口量及价格昂贵材料的使用量。

从齿轮生产过程的耗费来考虑：

采用不同的热处理方法相对加工费用也不一样；通过改进热处理工艺也可以降低成本；所选钢种应尽量少而集中，以便采购和管理；我们还可以通过改进工艺来提高经济效益。

第三章热处理

20CrMnTi齿轮钢要达到加工、使用所需性能必须进行热处理,目的是提高表面的硬度、耐磨性和疲劳强度,心部具有足够的强度和韧性。

一般齿轮加工的工艺路线如下。

锻造→正火→齿形加工→渗碳→淬火、低温回火→喷丸→校正花键孔→磨齿[1]。

一般齿轮毛坯采用锻造毛坯,经锻造以后晶粒大小形状发生了变化,改变了钢的组织,增加了锻造应力,提高了硬度,在机械加工前需预备热处理。

一、预备热处理

通常20CrMnTi选用正火或调质处理作为预备热处理,其目的是降低钢的硬度,提高塑性,以利于切削加工;细化晶粒,均匀钢的组织及成分,改善钢的性能,为以后的热处理作准备;消除锻造应力,防止变形和开裂,保证齿形合格。

二、正火

正火是将钢加热到Ac3以上30℃～50℃,保温足够的时间后出炉在空气中冷却到室温。

对于一般的齿轮采用正火,正火可以减少碳和其他合金元素的成分偏析;使奥氏体晶粒细化和碳化物的弥散分布,以便在随后的热处理中增加碳化物的溶解量。

由于正火的冷却速度较快,获得细小的片层状渗碳体珠光体,强度、硬度都较高,力学性能较好。

然而正火工艺是空冷,对于尺寸较大零件,内外温差大冷却速度不稳定,在连续冷却时,过冷奥氏体在A1-550℃温度范围内分解为珠光体,在550℃-Ms温度范围内,因转变温度较低转变为贝氏体组织（即含碳量具有一定过饱和度的铁素体和分散的渗碳体（或碳化物）的混合物）,其特征是过饱和碳的铁素体中分布粒状或长条状的碳化物[1]。

锻造毛坯正火产生的粒状贝氏体引起硬度增高,导致了齿型加工困难,使刀具早期磨损。

对于车辆齿轮或大批量的小型齿轮越来越多采用等温正火工艺。

对于模数、直径较大的质量要求高的工业齿轮通常采用调质作为预备热处理[5]。

图1（奥氏体晶粒）

三、调质

对于重要的齿轮用调质来改善钢的性能。

在切削加工时,为了不致发生“粘刀”现象和使刀具严重磨损,通过改善金相织控制钢的硬度。

实践证明,为了防止锻造毛坯在预备热处理中产生粒状贝氏体影响钢的力学性能,工艺可采用淬火后680℃～700℃高温回火（即调质）来替代原来的正火。

高温回火后得到回火索氏体组织,即粒状渗碳体均匀的分布在铁素体基体上,应力集中倾向小,硬度降低至200HB～330HB,切削性能较好。

调质钢与正火钢相比不仅强度较高,而且塑性、韧性远高于后者,同时锻造应力得到充分的消除,满足了机械加工要求,在生产中已取得了良好的经济效益。

图2

四、渗碳处理工艺

（一）、钢的化学成分

20CrMnTi的含碳量为0.20％属于低碳钢,渗碳时保证了碳元素的正常渗入。

淬火热处理后心部获得低碳马氏体,以保证心部具有足够的塑性和韧性,抵抗冲击载荷。

钢中合金元素为Cr<1.5％、Mn<1.5％、Ti<1.5％。

Cr、Mn合金元素能提高钢铁索体的强度,同时提高钢的淬透性。

Ti元素能阻止钢的奥氏体晶粒的长大,提高钢的回火稳定性。

20CrMnTi齿轮根据使用性能要求表面耐磨,心部又要求有良好的强韧性,所以要对20CrMnTi钢进行表面渗碳处理,渗碳淬火后表面得到高碳马氏体,具有较高的硬度和耐磨性。

（二）、渗碳工艺

渗碳淬火工艺过程中,要防止齿轮变形,要严格控制渗碳齿轮的表面碳浓度和渗层深度。

因它们会对渗层组织的膨胀系数产生影响,渗碳后若表面形成不良碳化物分布,将增加齿形、齿向及花键孔的变形,因此必须控制渗碳时的碳势,以防止表面碳浓度过高和碳量不均匀。

渗碳层深度越厚,也将使畸变加大。

表面含碳量影响渗碳淬火齿轮的淬透性,而材料的淬透性对组织、性能、畸变有直接的影响[5]。

因此应使渗碳层深度及其表面含碳量控制在合理适宜的范围内。

齿轮渗碳的方法较多,常用气体渗碳,目前应用电解质气相离子（ECA）催渗技术控制渗碳变形也取得较好效果[6]。

现以可控井式炉中气体渗碳为例优化工艺,滴入煤油、苯、甲醇等渗碳剂,加热温度从一般采用的930℃改为900℃[3]。

这些介质在高温下分解,产生活性碳原子,主要化学分解式如下：

2CO→[C]+CO2CH4→2H2+[C]

活性碳原子溶入钢表面奥氏体中,并向内部扩散,最后形成一定深度的渗碳层。

一般渗碳层深度取决于保温时间,可按每小时渗入0.2mm～0.25mm的速度估算。

渗碳时要控制渗碳的时间、活性碳的浓度,使表面的含碳量控制在0.80%～1.0%范围内[4],并从表面到心部逐渐减小,心部仍保持原来低碳钢的含碳量。

渗碳的温度越高,时间越长,奥氏体晶粒越大,齿轮的畸变越大,把加热温度控制900℃左右,目的是控制奥氏体晶粒长大,获得细小的奥氏体晶粒,淬火后获得细小的马氏体组织。

由于渗碳只改变工件表面的含碳量,要使渗碳齿轮表面具有高的硬度、高的耐磨性和心部良好韧性渗碳后必须进行热处理。

常用的是淬火后低温回火。

图3（20CrMnTi渗碳后淬火）

五、淬火低温回火

（一）、淬火

钢的加热温度一般可根据Fe-Fe3C相图选择,亚共析钢淬火加热温度选择Ac3以上30℃～50℃,过共析钢淬火加热温度选择Ac1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900℃预冷到820℃左右进行油冷[3]可以得到好的效果。

加热温度过高或保温时间过长,会引起奥氏体的晶粒粗大引起过热或晶界氧化并部分熔化的过烧现象。

过热时奥氏体的晶粒粗大不仅降低齿轮力学性能,也容易引起齿轮的变形和开裂。

过烧后的工件只能报废。

加热温度过低、保温时间不足会引起硬度不足。

故可选择900℃温度渗碳,预冷820℃左右油冷淬火。

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。

（二）、低温回火

淬火后的钢组织是马氏体及少量残余奥氏体,它们都是不稳定的组织,有向稳定组织转变的趋势,同时淬火时产生内应力。

为了减小或消除淬火内应力,稳定组织和尺寸,获得所需的力学性能,实践证明重载齿轮选择在200℃进行4小时低温回火[3]工艺较好。

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。

第四章结论

生产实践证明20CrMnTi渗碳钢齿轮进行热处理工艺优化,可获得良好的力学性能,不易造成热处理变形开裂和齿轮磨削裂纹,取得良好的经济效果。

在今后的学习中，我将加强自己的动手能力，一实验这种更直观的方式去深入的研究金属材料，使自己成为一名专业知识过硬的材料学子。

在经济全球化的今天，产品的更新换代速度，应经达到我们无法想象的地步，要想在竞争中占得先机，必须研发性能优越的原材料，原材料的质量是产品质量的基本保证。

纵观整个世界，钢铁材料是应用最为广泛的。

也是与国名经济联系最密切的，20CrMnTi是最重要的钢铁材料之一，且多用于制造汽车齿轮，所以研究与20CrMnTi钢性能相关的热处理工艺具有重大意义。

通过热处理工艺的改进因其的产品质量的提升必将对中国乃至世界经济的发展做出相当重要的贡献。

致谢

本文是在石芬和李艳老师悉心指导下完成的。

在实验过程石老师给予作者极大地帮助和关怀，使作者具备独立完成课题的知识和能力，在研究过程中，石老师在选题、资料检索、方案论证等诸多方面对作者精心指导，使作者能够把理论和实践有机的结合起来，成功地完成了系统设计和论文撰写。

在此谨向两位老师表示衷心的感谢和深深的敬意。

在课题研究的过程中，作者得到许多老师、同学和朋友的帮助。

在此，对这些指导和支持作者的老师、同学表示真挚的感谢。

由于作者的学识和精力有限，论文中难免有不到之处，敬请各位老师提出批评和建议，在此一并表示感谢。

参考文献

[1]金属材料实用手册，彭福泉主编，机械工业出版社，1987年

[2]金属学与热处理下册热加工专业用，河北工学院王健安主编，机械工业出版社，1980年

[3]热处理手册第2版第二卷典型零件的热处理，中国机械工程学会热处理专业学会《热处理手册》编委会编，机械工业出版社，1991年

[4]热处理设备及设计，热处理设备及设计编写组山东人民出版社，1977年

[5]金属热处理工艺学修订版，夏立芳编，哈尔滨工业大学出版社，2008年

[6]热处理技师手册，张玉庭主编，机械工业出版社，2005年

[7]简明金属热处理工手册，范逸明主编，国防工业出版社，2006年