HT250机床齿轮的热处理工艺设计课程设计论文.docx
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HT250机床齿轮的热处理工艺设计课程设计论文
攀枝花学院
学生课程设计（论文）
题目：
HT250机床齿轮的热处理工艺设计
学生姓名：
学号：
所在院（系）：
材料工程学院
专业：
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：
职称：
讲师
2013年12月18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
HT250机床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HT250机床齿轮的热处理生产工艺，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
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机械工业出版社，1980
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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
本课设计了HT250机床齿轮的热处理工艺设计。
主要的工艺过程包括粗车、精车、插齿、滚齿倒棱、清洗、渗碳淬火、磨内空端面、磨齿、清洗、强化喷丸、清洗等过程。
通过各种不同的工艺过程进行恰当的处理可以获得各种性能良好的材料并且满足各项性能的要求。
HT250强度、耐磨性、耐热性均较好，减震性良好，铸造性能较优，但需要进行人工时效处理提高其力学性能。
可用于要求强度和一定耐腐蚀能力壳、容器、塔器、法兰、填箱料本体及压盖、碳化塔、硝化塔等；还可以制作机床床身、立柱、气缸、齿轮以及需要经表面淬火的零件。
因其受热变形量较小，常用于高温场合。
机床齿轮是连续啮合传递运动和动力的机械元件。
其作用是能将一输出轴的转动传递给另一根轴可以实现减速、增速、变向和换向等作用，从而使机床能够按指定要求工作。
关键词：
HT250灰口铸铁；退火或正火工艺；中或高频淬火；力学性能
目录
摘要Ⅰ
1、设计任务3
1.1设计任务3
1.2设计的技术要求3
2、设计方案4
2.1机床齿轮设计的分析4
2.1.1工作条件4
2.1.2失效形式4
2.1.3性能要求4
2.2钢种材料5
3、设计说明6
3.1加工工艺流程7
3.2具体热处理工艺8
3.2.1预备热处理工艺9
3.2.2渗碳工艺9
3.2.3淬火回火热处理工艺10
4、分析与讨论11
5、结束语12
6、热处理工艺卡片13
参考文献14
1设计任务
1.1设计任务
HT250机床齿轮的热处理工艺设计
1.2设计的技术要求
HT250是一种灰铸铁材料，它的强度、耐磨性、耐热性铸造性能都是比较好的，它的含碳量低（在3.16-3.30%之间）所以，硬度不高。
因此，为满足其在制造机床齿轮上的寿命要求，应提高其工作环境。
它的主要失效形式为齿面点蚀和轮齿的弯曲疲劳折断。
当采用软齿面（齿面硬度≤350HBS）时，其齿面接触疲劳强度相对较低。
因此，一般应首先按齿面接触疲劳强度条件，计算齿轮的分度圆直径及其主要几何参数（如中心距、齿宽等），然后再对其轮齿的抗弯曲疲劳强度进行校核。
当采用硬齿面（齿面硬度＞350HBS）时，则一般应首先按齿轮的抗弯曲疲劳强度条件，确定齿轮的模数及其主要几何参数，然后再校核其齿面接触疲劳强度。
在对HT250进行热处理时，即去应力退火，淬火和低温回火时应严格按照卡片所列出的时间进行保温以及其它操作的要求。
2设计方案
2.1机床齿轮设计的分析
2.1.1工作条件
由于是制造机床齿轮，因此其工作环境较为恶劣，首先为密闭状态；其次为齿轮啮合，并且周围环境中充满这润滑液体。
为了提高齿轮的硬度，虽然通过热处理改善其性能，但终究是有限的，因此在使用中需注意不要超过最大荷载，以免损伤齿轮。
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
A具有高的疲劳强度；
B具有高的抗弯强度；
C具有较高的韧性；
D具有高的耐磨性；
E具有抗多次冲击能力；
F具有高温下的高强度；
G具有一定的精度。
HT250强度、耐磨性、耐热性均较好，减震性良好，铸造性能较优，但需要进行人工时效处理。
可用于要求强度和一定耐腐蚀能力壳、容器、塔器、法兰、填箱料本体及压盖、碳化塔、硝化塔等；还可以制作机床床身、立柱、气缸、齿轮以及需要经表面淬火的零件。
因其受热变形量较小，常用于高温场合。
HT250力学性能：
抗拉强度σb≥250MPa，硬度>150HBS.
2.2钢种材料
HT250的S，P杂质含量低，一般在0.125%和0.170%（质量分数）以下。
按强度可分为普通灰铸铁和孕育铸铁，普通灰铸铁又壳分为HT100、HT150、HT200；孕育铸铁分为HT250、HT300、HT350。
HT250强度、耐磨性、耐热性均较好，减震性良好，铸造性能较优。
它的含碳量（在3.16～3.30%之间）所以，硬度比较高。
HT250淬火可达HRC60，但是灰口铸铁（HT200、HT250等）一般都是在退火或正火状态下使用,不进行淬火处理.如果是局部需要硬度的话,可进行高、中频淬火既可。
中频淬火：
淬硬层3~5毫米，硬度HRC50，工件变形较小。
高频淬火：
淬硬层1~2毫米，淬火温度850℃，表面硬度HRC50以上；淬火温度900~1000℃，表面硬度可达HRC60。
3设计说明
3.1加工工艺流程
HT250机床齿轮的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工艺流程:
齿轮毛抷加工、插齿、滚齿倒棱、清洗、热处理、磨内空端面、磨齿、清洗、强化喷丸、清洗等，其成分如下表3.1.
表3.1A钢的化学成分（质量分数，%）`
C
Mn
S
P
Si
3.16~3.30
0.89~1.04
0.120~0.170
0.094~0.125
1.79~1.93
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。
P降低铸铁的凝固温度和粘度，提高了流动性。
但P的增加会使铸铁变脆。
S会产生夹杂物使粘度增大且易形成氧化膜使铁液流动性降低。
3.2具体热处理
1、灰口铸铁HT250热处理 金相组织片状石墨+珠光体 时效、石墨化退火、表面淬火、正火、淬火回火、等温淬火、化学热处理。
HT250淬火可达HRC60，但是灰口铸铁（HT200、HT250等）一般都是在退火或正火状态下使用,不进行淬火处理.如果是局部需要硬度的话,可进行高、中频淬火既可。
中频淬火：
淬硬层3~5毫米，硬度HRC50，工件变形较小。
高频淬火：
淬硬层1~2毫米，淬火温度850，表面硬度HRC50以上；淬火温度900~1000度，表面硬度可达HRC60。
HT520的热处理工艺分析：
①HT520齿轮的刚强度和高耐磨的特性都较高，但硬度不高。
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。
退火的目的是：
a消除铸件的成分偏析，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。
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。
3.2.2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。
理想淬火冷却曲线如图3.4所示
②低温回火
回火是将淬火钢加热到以下某一温度，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]。
表3.5
方案
1
2
3
淬火温度
淬火
中频淬火
高频淬火
回火
用途
消除应力
去除应力，降低硬度
去除应力，降低硬度
加热温度℃
600~750
750~900
900~1000
介质
硬度HRC
60
50
50~60
表3.6灰铸铁的低温石墨化退火工艺规范
铸铁组织
退火工艺规范
冷却方式
退火效果
原有组织
珠光体
珠光体或
混和基体
退火组织
珠光体
+铁素体
铁素体
加热温度℃
600~750
650~750
保温时间h
1~5
8~12
空冷或炉冷
炉冷或空冷
改善切削
加工性能
提高塑性
改善切削
加工性能
表3.7灰铸铁高温石墨化退火工艺规范
铸铁白口程度
加热温度范围℃
保温时间h
冷却方式
白口层较深
局部白口、不深
900~960
850~900
1~4
0.5~1
炉冷或空冷
炉冷或空冷
3.2.3物理性能
经过上述各种热处理后HT250的韧性、硬度、耐磨性都有所甚至很大的提升。
4分析与讨论
HT250机床齿轮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。
齿轮表层过度渗碳，表层将会出现块状、网状碳化物，使用时齿轮塑性变形能力降低，耐热性减弱，齿根部弯曲疲劳性能下降，齿尖角变脆，易于崩裂，淬火后渗碳齿轮在磨削加工时易于开裂。
预防措施
（1）固体渗碳时,为了防止碳势过高造成过度渗碳,可以采用较低的渗碳温度或使用较弱的渗碳剂。
（2）气体渗碳时,为了防止表层过度渗碳,在渗碳后期安排扩散阶段,强渗和扩散阶段的时间可按热处理工艺操作。
（3）对已经产生表层过度渗碳的齿轮,应在低碳势渗碳炉中进行扩散处理,或在碳化物球化退火处理后再进行淬火。
渗碳齿轮表面层硬度浅，在导致表面硬化层抗剥落性降低的同时，也导致使用寿命。
预防措施
（1）选用淬透性合适的钢材作渗碳齿轮材料,严格控制齿轮钢质量,入厂前必须对钢材进行质量标准检查。
（2）严格控制渗碳前齿轮表面质量、装炉量、炉内温度、炉内碳势气氛、强渗和扩散时间、渗碳后淬火温度、冷却介质等。
（3）对出现渗碳不足的齿轮要进行补渗碳。
渗碳层深度不均匀齿轮表面渗碳层深度不均匀,造成不同部位性能不连续,薄弱区域首先破坏,继而整个齿轮损坏,严重影响齿轮使用寿命。
预防措施
（1）批量生产的齿轮应尽量避免采用固体渗碳,必须进行固体渗碳时,应严格执行操作工艺,装炉量适当,催渗剂、木炭要混合均匀。
渗碳箱放在炉内温度均匀的中间位置,渗碳过程中间适当调换渗碳箱位置。
（2）气体渗碳时,要注意炉内气氛充分循环,炉温要均匀,清除齿面油污,装炉量不宜过多,渗碳炉密封性能要好,漏气的马弗罐及时更换,定期检修渗碳炉。
淬火后表面硬度偏低渗碳齿轮表面硬度偏低将会导致齿轮耐磨性和抗疲劳性能降低,对齿面抗摩擦、磨损性能都有不利影响预防措施
（1）对已造成齿轮表面含碳量低的齿轮采取适当增碳处理。
（2）选择淬透性合适的材料和冷却能力适当的冷却介质,淬火冷却。
（3）预先采取措施,减少淬火后的残余奥氏体量。
对含有过多残余奥氏体的渗碳齿轮,进行一次650~670?
、3h以上的高温回火,使合金碳化物析出一部分,从而降低重新加热淬火时的奥氏体稳定性,促使奥氏体向马氏体转变。
（4）齿轮渗碳冷却或重新加热淬火时应在保护气氛下进行,对已经发生氧化现象的齿轮应除掉氧化皮,进行表层渗碳后再进行淬火。
（5）齿轮表层硬度偏低若是回火温度过高所致,应重新淬火,选择合适温度进行回火5齿轮心部硬度不足渗碳齿轮心部要求具有一定的硬度。
硬度偏低,齿轮材料的屈服点降低,易产生心部塑性变形,使齿轮表面硬化层抗剥落性能及齿根弯曲疲劳性能降低。
预防措施
（1）选用冷却性能好的冷却介质淬火,使心部获取低碳马氏体组织。
（2）选择适当的淬火温度和加热时间,使心部获得均匀的奥氏体,以便淬火后获取马氏体组织。
（3）选用淬透性好、材质好的钢材作渗碳齿轮材料。
5结束语
这次HT250齿轮机床热处理工艺设计的完成，让我不仅通过自己的努力大致了解了HT250机床齿轮热处理的制作流程，还学会了把自己书本上学到的知识运用到实际物体上去。
同个齿轮的传动提供动力，所以HT250必须具有强的硬度和高的耐磨性。
由于机床齿轮工作条件比其他机械好些其工作条件：
低速、轻载不受冲击，转速2m/s，单位压力350-600N/mm^2，HT250去应力退火，淬火，高温回火，用于圆周速度<1m/s中等压力，高频淬火，表面硬度HRC52-58，用于表面硬度要求高，变形小的齿轮。
避免齿轮过渡受载，高速度运载。
前段时间在没有认真学习金属学时，我觉得这个课程设计很难很难，但现在经过我对金属学的充分认识，我重新把这套支撑辊的设计完成了一遍，也从中发现了很多原作者的问题，使我从中吸取了精华部分。
金属学都是理论上的成型工艺，在实际生产中肯定还有许多细节问题需要我们去解决和改进。
在这次的课程设计中，发挥出了自己单独设计HT250机床齿轮热处理工艺设计能力和综合运用书本知识，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，尤其是热处理加工工艺，是自己很有成就感。
同时各科相关的课程都有了全面的复习与运用，独立思考的能力也有所提高，更为重要的是：
在这次HT250机床齿轮热处理工艺设计中，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，进而加以弥补。
6热处理工艺卡片
零件名称：
机床齿轮
热处理工艺卡
处理要求：
下料、锻造、预备热处理（完全退火）、机械加工、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
硬度：
大于等于50HBC
材料：
HT250
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
800~900
1~4h
--
炉冷
2
完全退火
850~960
--
1~4h
1~4h
炉冷或空冷
100~‖150
3
人工时效
500~570
4~8h
4~8h
炉冷或空冷
200
4
淬火
280~950
1~3h
1~3h
空气
5
低温回火
170～180
2h
3~5
5~7h
6
7
8
9
10
更该日期
更改
单号
更改
标准
更改者
参考文献
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