中小型熱處理車間設(shè)計(jì)(典型產(chǎn)品：30CrMnSi機(jī)床齒輪)

1、遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第70頁摘 要熱處理工藝是金屬材料工程的重要組成部分，通過熱處理可以改變材料的加工工藝性能，充分發(fā)揮材料的潛力，提高工件的使用壽命。熱處理不僅對鍛造機(jī)械加工的順利進(jìn)行和保證加工效果起著重要作用，而且在改善或消除加工后缺陷，提高工件的使用壽命等方面起著重要的作用。根據(jù)機(jī)床齒輪的使用條件和性能要求，本設(shè)計(jì)選擇了30CrMnSi高強(qiáng)鋼，并進(jìn)行相應(yīng)的熱處理工藝設(shè)計(jì)，包括退火、調(diào)質(zhì)、滲碳、回火等熱處理，并通過控制加熱溫度、保溫時間、冷卻方式和冷卻介質(zhì)等方式達(dá)到機(jī)床齒輪所要求的性能，并簡單的進(jìn)行了30CrMnSi機(jī)床齒輪的熱處理工藝以及生產(chǎn)車間的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用的是81

2、0830亞溫水冷淬火和570650高溫回火工藝，經(jīng)亞溫水冷淬火+高溫回火處理后，可得到優(yōu)良的力學(xué)性能，解決了淬火時由于油溫度升高容易著火，油煙污染環(huán)境，工件容易高溫氧化、材料表面容易脫碳等一系列問題。并且節(jié)省了電能，縮短了淬火時間，提高了生產(chǎn)效率，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。最后根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模車間產(chǎn)品、經(jīng)濟(jì)性方便性質(zhì)量穩(wěn)定性和便于管理等因素，確定車間設(shè)備。關(guān)鍵詞：熱處理；30CrMnSi；機(jī)床齒輪；熱處理爐；設(shè)計(jì)ABSTRACTHeat treatment technology is an important part of metal material engineering. Heat treatm

3、ent can change the material processing technology performance. Give full play to the potential of the material. Improve service life of workpieces. Heat treatment not only plays an important role in the smooth machining of forging machinery and the guarantee of the machining effect. after improving

4、or eliminating defects in machining. Improve the service life of the workpiece and so plays an important role.According to the use conditions and performance requirements of the machine tools. This design chose 30CrMnSi high strength steel， and the corresponding heat treatment process. Including ann

5、ealing， tempering， carburizing，other heat treatment. The performance of the machine tools is achieved by controlling the heating temperature， holding time， cooling way and cooling medium. The heat treatment technology of the 30CrMnSi machine tool and the design of the production workshop are simply

6、carried out. The design uses 810 830 of subcritical water quenched and 570 650 high temperature tempering process. After the treatment of cold water quenching and high temperature tempering， excellent mechanical properties can be obtained. To solve the quenching due to the oil temperature rise is ap

7、t to catch fire and fumes pollute the environment， the workpiece is easy to oxidation at high temperature， material surface is easy to decarburization in a series of problems and save energy， shorten the quenching time， improve the production efficiency， and have good economic benefits. Finally， acc

8、ording to the production scale， workshop product， economy， convenience， quality stability and ease of management and other factors， determine the workshop equipment. KEYWORDS: Heat treatment；30CrMnSi；Machine tool gear；heat treatment furnaces；design目 錄1 綜述.11.1 熱處理的特點(diǎn)：.11.2 國內(nèi)外熱處理的發(fā)展.11.2.1 國內(nèi)熱處理的發(fā)展.

9、11.2.1 國外熱處理的發(fā)展.31.3 齒輪概況.71.3.1 齒輪傳動機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)及分類.71.3.2 齒輪材料的選擇.81.3.3 齒輪的熱處理.92 車間產(chǎn)品方案的確定.112.1 產(chǎn)品方案列表.112.2 機(jī)床齒輪常用鋼及熱處理工藝.122.3 典型產(chǎn)品.132.3.1 30CrMnSi132.3.2 典型產(chǎn)品材料.133 典型產(chǎn)品的熱處理工藝.153.1 30CrMnSi熱處理工藝特性.153.1.1 30CrMnSi 鋼熱處理后的硬度.153.1.2 不同工藝熱處理后的力學(xué)性能.153.2 30CrMnSi熱處理工藝性能要求.163.2.1 齒輪的疲勞壽命.163.2.2 齒輪的服

10、役要求.173.3 30CrMnSi熱處理的選擇.173.3.1 預(yù)備熱處理的工序及熱處理工藝的選擇.173.3.2 最終熱處理的工序位置及熱處理工藝的選擇.183.3.3 30CrMnSi熱處理工藝的制定.184 熱處理設(shè)備的選擇.214.1 車間主要設(shè)備選擇.214.1.1 選擇設(shè)備應(yīng)遵循的原則.214.1.2 爐型的選擇.224.2 車間輔助設(shè)備的選擇.245 熱處理電阻爐的設(shè)計(jì).275.1 爐型的選擇.275.2 爐膛尺寸的確定.285.2.1 爐底面積的確定.285.2.2 爐膛高度的確定.305.2.3 爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).305.3 砌體平均表面積計(jì)算.315.4 爐子功率的計(jì)算.32

11、5.4.1 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算爐子功率.325.4.2 根據(jù)熱平衡計(jì)算爐子的功率.325.4.3 爐墻散熱.345.4.4 爐頂散熱.375.4.5 爐底散熱.395.4.6 整個爐體散熱.405.5 爐子熱效率計(jì)算.435.6 爐子空載功率計(jì)算.435.7 空爐升溫時間計(jì)算.445.7.1 爐墻及爐頂蓄熱.445.7.2 爐底蓄熱計(jì)算.455.7.3 爐底板蓄熱.465.8 功率的分配與接線.475.9 電熱元件材料選擇及計(jì)算.475.9.1 圖表法.475.9.2 理論計(jì)算法.476 車間組織和經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo).526.1 車間勞動組織與人員配備.526.2 熱處理車間技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)主要數(shù)據(jù)計(jì)算.

12、536.3 電力的計(jì)算.546.3.1 工藝用電.546.3.2 動力用電計(jì)算.566.3.3 照明用電計(jì)算.566.3.4 車間總用電量.576.4 車間環(huán)境保護(hù).576.4.1 車間生產(chǎn)的有害物質(zhì).576.4.2 環(huán)境中有害物質(zhì)的允許量.576.4.3 車間環(huán)境保護(hù)措施.597 鎂合金的性能特點(diǎn)與發(fā)展.607.1 鎂合金的概述.607.2 鎂及鎂合金的性能特點(diǎn).607.3 鎂合金的分類.627.3.1 按照合金的化學(xué)成分.627.3.2 按照鎂合金的成形工藝.627.4 鎂合金的成型工藝.637.4.1 鑄造.637.4.2 塑性成型.637.4.3 連接成型.647.5 鎂合金的研究進(jìn)展

13、.657.5.1 新型鎂合金研究現(xiàn)狀.657.5.2 鎂合金新型塑性成形技術(shù).667.5.3 鎂合金壓鑄技術(shù)的新發(fā)展.677.5.4 鎂合金的其他新型鑄造成形技術(shù).67結(jié)論.68致謝.69參考文獻(xiàn).70圖表清單表1.1 特殊熱處理方法的實(shí)驗(yàn)用鋼成份.5表1.2 特殊熱處理與普通熱處理對低碳錳鋼性能的影響.6表1.3 齒輪傳動機(jī)構(gòu)的分類.8表2.1 產(chǎn)品方案列表.11表2.2 機(jī)床齒輪常用鋼及熱處理工藝.11表2.3 30CrMnSi的化學(xué)成分.13表2.4 30CrMnSi相變溫度.13表3.1 不同熱處理工藝的硬度值.14表3.2 不同工藝熱處理后的力學(xué)性能.14表3.3 影響疲勞強(qiáng)度的因素

14、.15圖3.1 齒輪實(shí)體簡化模型.15圖3.2 30CrMnSi齒輪正火工藝.17圖3.3 30CrMnSi齒輪滲碳工藝.18圖3.4 30CrMnSi齒輪亞溫淬火和高溫回火工.19表4.1 RX3-75-9箱式電阻爐技術(shù)數(shù)據(jù).21表4.2 RQ3-65-9井式滲碳爐爐技術(shù)數(shù)據(jù).22表4.3 GP60-CR13-2高頻淬火機(jī)床主要技術(shù)數(shù)據(jù).22表4.4 RJ2-55-6井式電阻爐技術(shù)數(shù)據(jù).23表4.5 Q3525A型拋丸清理轉(zhuǎn)臺的技術(shù)規(guī)格.24表4.6 Y4140液壓校正機(jī)的技術(shù)規(guī)格.25表5.1 常用熱處理爐的實(shí)際生產(chǎn)率.27表5.2 各種熱處理爐的單位爐底面積生產(chǎn)率.28表5.3 純鐵和鋼

15、的平均比熱容.32圖5.1 爐墻結(jié)構(gòu)圖.33表5.4 熱處理爐常用耐火材料和保溫材料.34表5.5 普通硅酸鋁耐火纖維熱導(dǎo)率.34表5.6 爐墻外表面對車間的綜合傳熱系數(shù)表.35表5.7 空氣和某些氣體平均比熱容.41表5.8 爐子功率與電熱元件(0Cr25Al5)參數(shù).47表5.9常用金屬電熱材料性能.47表5.10 螺旋電熱元件繞制尺寸.50表6.1 每臺設(shè)備每班生產(chǎn)工人數(shù).51表6.2 熱處理車間主要技術(shù)指標(biāo).53表6.4 水中有害物質(zhì)的允許量.57表6.5 大氣中有害物質(zhì)的允許量.571 綜述1.1 熱處理的特點(diǎn) 熱處理是機(jī)械制造業(yè)中一項(xiàng)很重要的工藝。由于熱處理工藝在提高機(jī)械產(chǎn)品性能，

16、延長使用壽命，充分挖掘金屬材料的潛力方面，顯示出極為優(yōu)越的作用，使機(jī)械產(chǎn)品技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)顯著改善，因此，在機(jī)械制造以及其他工業(yè)部門，普遍受到重視，發(fā)展極為迅速，許多新的熱處理工藝和熱處理設(shè)備，層出不窮，大量涌現(xiàn)。熱處理工藝有一個最基本的特點(diǎn)，就是各種工藝手段，都必須在熱處理設(shè)備中實(shí)現(xiàn)，其中最主要的設(shè)備就是熱處理爐。實(shí)質(zhì)上，所謂熱處理水平的提高，就是各種熱處理工藝和設(shè)備的不斷改進(jìn)，新的熱處理設(shè)備的不斷出現(xiàn)。熱處理是將材料放在一定的介質(zhì)內(nèi)加熱、保溫、冷卻，通過改變材料表面或內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，來控制其性能的一種綜合工藝過程。熱處理工藝一般包括加熱、保溫、冷卻三個過程，有時只有加熱和冷卻兩個過程。這些過程

17、互相銜接，不可間斷。熱處理工藝中有常用的“四把火”退火、正火、淬火及回火，其中的淬火與回火關(guān)系密切，常常配合使用，缺一不可。1.2 國內(nèi)外熱處理的發(fā)展1.2.1 國內(nèi)熱處理的發(fā)展我國的熱處理在工藝水平和處理的產(chǎn)品質(zhì)量及壽命方面與國際上的先進(jìn)國家相差比較懸殊。最主要的原因在于熱處理設(shè)備較落后，檢測手段簡陋，工藝管理薄弱，從業(yè)人員質(zhì)量意識不高。要想在短時期內(nèi)趕上先進(jìn)國家熱處理的質(zhì)量水平，單純依靠國家巨額投資來進(jìn)行技術(shù)改造，大面積改進(jìn)熱處理設(shè)備，是不現(xiàn)實(shí)的。因此，需要在適量改進(jìn)設(shè)備的同時，依靠各種技術(shù)上的創(chuàng)新，使中國的熱處理質(zhì)量水平上一個明顯的臺階。1）精密熱處理近來，各種冷熱加工技術(shù)的精密化已發(fā)展

18、到相當(dāng)?shù)夭?，許多毛坯成形工藝達(dá)到了近凈形(near net shape)，機(jī)械加工也已進(jìn)入了亞微米級的精度，正向納米級邁近，但精密熱處理的概念尚未形成。精密熱處理應(yīng)包含兩個方面:形狀尺寸精密，組織性能精密。2）節(jié)能熱處理鋼鐵零件熱處理中的奧氏體化(或固溶處理)過程常在9001100e間進(jìn)行(高速鋼淬火加熱需12501280e)，就是鋁合金的固溶處理也常使用500e以上的溫度，所以熱處理中的能耗是非常巨大的，為機(jī)械工業(yè)中可怕的電老虎。因此，能耗大小便成為衡量熱處理工藝先進(jìn)性的一個十分重要的指標(biāo)。節(jié)能熱處理可包括下列幾種情況:嚴(yán)格控制鑄、鍛等嚴(yán)重影響顯微組織的成形工藝，以減少或取消某些預(yù)備熱處理工

19、序1。充分利用鑄、鍛工序后的余熱進(jìn)行熱處理(鑄熱淬火、軋熱淬火、鍛熱淬火)，節(jié)省重新奧氏體化時所需的高額熱量，對大批量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)件、汽車零件、工具等，節(jié)能效果是十分巨大的2。用零件局部熱處理取代整體熱處理。慎用設(shè)備費(fèi)用昂貴，能耗較高的熱處理工藝。盡量減少熱處理工卡具(料盤、料鉤等)在爐外停留的時間或設(shè)置防止過度降溫的保護(hù)措施，以減少它們自爐內(nèi)帶出的熱量損失。3）復(fù)合熱處理復(fù)合熱處理是將兩種或更多的熱處理工藝復(fù)合，或是將熱處理與其他加工工藝復(fù)合，以更大程度地挖掘材料潛力，使零件獲得單一工藝所無法達(dá)到的優(yōu)良性能。復(fù)合熱處理包括：熱處理與化學(xué)熱處理相復(fù)合、兩種化學(xué)熱處理方法相復(fù)合、化學(xué)熱處理與涂層(

20、化學(xué)沉積或電鍍)相復(fù)合、化學(xué)鍍與熱處理相復(fù)合、將壓力加工與熱處理相復(fù)合的形變熱處理、把各種塑性變形加工工藝與化學(xué)熱處理(滲氮、滲碳、氮碳共滲、碳氮共滲、滲硼、滲硫和滲金屬等)結(jié)合起來、多種熱加工與熱處理工藝的復(fù)合等方法。4）修復(fù)熱處理長期運(yùn)轉(zhuǎn)的成套發(fā)電設(shè)備(包括鍋爐、汽輪機(jī)、電機(jī)、水輪機(jī)等)，大型運(yùn)載設(shè)備(機(jī)車、艦船、重載車輛、坦克、飛機(jī))或工作機(jī)械(機(jī)床、吊車、礦山機(jī)械)等等，在整個使用過程中常需進(jìn)行相當(dāng)次數(shù)的大修，更換較易失效的零件，以便恢復(fù)這些機(jī)械設(shè)備原有的性能。這方面主要的研究內(nèi)容可分為三方面：電站成套設(shè)備重要零件（鍋爐過熱管、汽輪葉片、高溫螺栓）在高溫長期使用過程中顯微組織結(jié)構(gòu)及力學(xué)

21、性能變化規(guī)律的試驗(yàn)研究，包括硬度、沖擊、高溫強(qiáng)度、蠕變抗力等的測試，及碳化物成分結(jié)構(gòu)分析、晶界雜質(zhì)偏聚的俄歇分析、TEM組織分析、SEM斷口分析等。修復(fù)熱處理工藝的研究與制定，包括重新奧氏體化（溫度、時間）及隨后冷卻制度(爐、空、油、水)以及必要的回火工藝。按最佳修復(fù)熱處理工藝處理一批拆換下來的零件，輔以必要的表面修復(fù)及機(jī)械加工，使內(nèi)部組織及外觀形狀尺寸完全達(dá)到零件的原始要求。有計(jì)劃地安裝使用這些零件，并在使用后跟蹤這些零件組織性能變化的規(guī)律。以成套發(fā)電設(shè)備典型零件的修復(fù)熱處理為例，每1t重零件估計(jì)可節(jié)約原材料及加工費(fèi)用至少5000元。更換可修復(fù)熱處理零件1000t，便可獲500萬元的經(jīng)濟(jì)效益

22、。在發(fā)電設(shè)備行業(yè)普遍推廣應(yīng)用修復(fù)熱處理，其經(jīng)濟(jì)效益將是十分可觀的。如能將修復(fù)熱處理推廣到其他行業(yè)，經(jīng)濟(jì)效益更不可估量。多年來國內(nèi)已經(jīng)創(chuàng)造出了許許多多能大幅度改善零件尺寸精度及組織性能并行之有效的新工藝方法，只要對這些方法的批量應(yīng)用進(jìn)行認(rèn)真研究，并迅速推廣開來，加上不斷創(chuàng)新，形成中國自己熱處理技術(shù)的特色，使零件質(zhì)量在不長的時間內(nèi)趕上國際先進(jìn)水平完全是有可能的。1.2.1 國外熱處理的發(fā)展目前國外熱處理工藝的發(fā)展趨向是不斷地改革加熱和冷卻技術(shù)，發(fā)展可控氣氛、形變熱處理和真空熱處理等，創(chuàng)立新的化學(xué)熱處理工藝。對工藝原理方面，隨著金屬材料科學(xué)的研究發(fā)展，認(rèn)識逐漸深化，建立了一些觀點(diǎn)，對金屬強(qiáng)化的機(jī)構(gòu)，

23、化學(xué)熱處理的物理化學(xué)問題等能夠更好地得到闡明。近年來，熱處理工藝的發(fā)展主要是圍繞減少加熱過程中的氧化和脫碳、改善熱處理過程中的變形、提高強(qiáng)度和韌性、增進(jìn)零件的抗疲勞和耐磨性能，延長使用壽命、促進(jìn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化、降低產(chǎn)品的工藝成本、減少或防止公害等幾方面進(jìn)行的。氧化、脫碳不但會增加金屬的燒損和處理后的磨削加工量，而且會降低疲勞抗力和使用壽命?？煽貧夥諢崽幚淼陌l(fā)展和廣泛應(yīng)用使氧化、脫碳問題獲得一定的解決，真空熱處理的發(fā)展，使氧化、脫碳問題得到更好的解決，處理質(zhì)量有進(jìn)一步提高。真空熱處理亦有較小的變形。宇宙飛行和航空工業(yè)的發(fā)展，對零件的強(qiáng)度、塑性、低溫韌性和斷裂韌性提出了更高的要求。現(xiàn)有的熱處

24、理方法中，有的雖然能提高強(qiáng)度，但是往往伴隨著韌性和塑性的降低。新的工藝方法能夠獲得強(qiáng)度、韌性和塑性的共同提高?；蛘咴诓挥绊憦?qiáng)度下，提高韌性或斷裂韌性。熱處理工藝方法提高零件疲勞強(qiáng)度的途徑是使零件表層下產(chǎn)生高的殘存壓應(yīng)力。根據(jù)這個概念發(fā)展了一種稱作“馬氏體應(yīng)力處理”的方法，有效地改善軸承零件的使用壽命。這種方法是:讓鋼的表層滲氮，即在奧氏體化處理階段導(dǎo)入氨氣，這樣使表層的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度(M5)下降，所以淬火冷卻時，相變先從內(nèi)部發(fā)生再向外層發(fā)展，可使表面殘存一定的壓應(yīng)力，使旋轉(zhuǎn)疲勞壽命(滾柱)提高3-4倍。另外，用熱處理途徑使軸承鋼產(chǎn)生超細(xì)化的碳化物(等于或小于0.1微米直徑)來提高軸承零件的疲勞

25、壽命(2-3倍)亦是可取的。西德發(fā)展的軟氮化處理，亦能顯著地提高零件的疲勞抗力和耐磨性。采用快速加熱淬火方法亦能改善滲碳零件的疲勞強(qiáng)度和抑止麻點(diǎn)的擴(kuò)展速度。近年來，對提高耐磨性、減少摩擦、磨損的化學(xué)熱處理方面，陸續(xù)地開展了較多的研究。其中，低溫滲硫(法國專利)使汽車齒輪，冷沖模具、機(jī)床絲杠的耐磨性有較大的提高。日本豐田研究室的復(fù)滲碳化物層(碳化釩或碳化錫等)、和西德金屬公司所提出的表面滲涂碳化物方法；都能獲得層厚為5-25微米的碳化物，硬度為Hv3800左右，使摩擦系數(shù)降低、耐用性提高5-20倍。美國近來發(fā)展一種低壓氧-氮-滲碳工藝，得到耐磨、抗咬合和變形小的良好性能。波蘭Z.Rogalski

26、在第四屆國際熱處理討論會上提出了一種氧、氮化處理，高速鋼在64%NH和36%H2O的氣氛中，520溫度下加熱1小時，表面形成厚0.01毫米的氧化鐵和富氮層，可以使耐用性提高2-8倍。日本近來提出一種表面形成鎳一磷硬涂層的高性能表面處理方法，叫做“AIKOHNIP”處理3，使刃具壽命延長4-8倍。國外熱處理工廠在機(jī)械化自動化方面，鹽浴爐采用升降式或懸掛式流水線，真空滲碳自動生產(chǎn)線等，最近正設(shè)計(jì)用電子計(jì)算機(jī)來進(jìn)行熱處理過程的程序化自動控制。降低工藝成本方面，近來亦有一些進(jìn)展，例如用碳鋼鍛造淬火代替調(diào)質(zhì)處理的合金鋼，粒子沸騰層加熱爐代替鹽洛處理螺釘，螺帽和小工具，經(jīng)濟(jì)成本有較大降低。高溫滲碳和真空滲

27、碳工藝都能在不同程度上縮短工藝周期，降低成本。國外在改善熱處理公害方面進(jìn)行了一些努力，主要有以下方面:1）推廣、采用無公害處理工藝:真空熱處理(包括真空滲碳)由于不存在公害問題，近年來發(fā)展較快。感應(yīng)加熱工藝的發(fā)展亦是有助于減少公害。氣體軟氮化以代替鹽浴軟氮化，從減少公害方面看來是有價值的。2）發(fā)展皮鹽和廢水的處理:對含氰鹽的淬火用水應(yīng)采用中和措施。英國M.R.Hill此提出了(1975年2月、TranS·ofInstituteofM。talFinishing)含氰廢水的電介處理方法。西德的液體軟氮化等工藝，由于鹽中含氰化物，采用封閉的中和系統(tǒng)進(jìn)行處理。法國專利的低溫硫化中含硫氰酸鹽，

28、采用中和、再生和回收的封閉處理系統(tǒng)。3）規(guī)定有害物質(zhì)含量的允許限量:日本公害的防止法基本條例中規(guī)定廢水中氰根含量應(yīng)小于1ppm，對熱處理燃料爐用重油中含硫量的限額規(guī)定，1978年為0.8%。 目前熱處理加熱技術(shù)方面也有了長足的進(jìn)步，隨著金屬材料科學(xué)的不斷發(fā)展，對如何利用一定數(shù)量、大小和分布的塑性第二相來韌化脆性基體，改善淬火回火剛性能方面進(jìn)行了不少研究并取得了一定進(jìn)展。守田貞義等從調(diào)質(zhì)鋼進(jìn)行焊接時，焊接熱影響區(qū)及晶粒細(xì)化部份的硬度及強(qiáng)度均無下降而得到高的缺口韌性的事實(shí)中得到啟發(fā)，提出了“鋼的特殊熱處理方法”的專和，即鐵素體、珠光體為主的碳鋼及低合金勿.在加熱到A3轉(zhuǎn)變點(diǎn)以上的淬火后，再在AC1

29、+5-AC3溫度范圍內(nèi)進(jìn)行一次以上的再加熱淬火，并在AC，以下溫度進(jìn)行回火，可以獲得高的缺口韌性的特殊熱處理。他們用表1.1低合金鋼進(jìn)行試驗(yàn)，部分試驗(yàn)結(jié)果如表1.2。他們簡單地用晶粒細(xì)化的概念來解釋:脆性轉(zhuǎn)變溫度的降低和低溫韌性的改善。 表1.1 特殊熱處理方法的實(shí)驗(yàn)用鋼成份 成份(%)鋼號CSiMnPSCrVAlAC1AC31#0.090.231.110.0170.010.0277268773#0.130.461.220.0150.010.250.100.011720870表1.2 特殊熱處理與普通熱處理對低碳錳鋼性能的影響鋼材熱處理第一次處理第二次處理第三次處理回火VE-120（公斤

30、83;米/厘米2）VTRS()VTR15()VE0（公斤·米/厘米2）硬度（Hv）1#鋼（直徑20毫米圓棒）普通熱處理930保溫60分600保溫60分3.0-64-781399006002.5-90-1171549006503.0-78-1151517506001.0-84-1001427506501.0-59-94142特殊熱處理9008006005.1-113-1541379008006508.9-100-1341379008007506009.5-108-1381339008007506504.0-96-1221373#鋼（直徑20毫米圓棒）普通熱處理900保溫60分670保溫

31、60分-43-7616.5221900600-22-7511.0254900650-20-7516.5207600-14-6220.5197650-12-7022.5181特殊熱處理900800600-63-11416.7195900800650-62-11419.0188900800750600-64-10618.5191900800750650-60-11218.5181注：1.急熱急冷處理的保溫時間為1-3秒 2.VE-120是-120時的沖擊值3.VEO是0時的沖擊值 4.VTRS是50%剪切剖面的轉(zhuǎn)變溫度()5. VTR15。是吸收能量為15-16呎·磅時的溫度()1.3

32、齒輪概況遠(yuǎn)在公元前400200年的中國古代就巳開始使用齒輪，在我國山西出土的青銅齒輪是迄今巳發(fā)現(xiàn)的最古老齒輪，作為反映古代科學(xué)技術(shù)成就的指南車就是以齒輪機(jī)構(gòu)為核心的機(jī)械裝置。17世紀(jì)末，人們才開始研究，能正確傳遞運(yùn)動的輪齒形狀。18世紀(jì)，歐洲工業(yè)革命以后，齒輪傳動的應(yīng)用日益廣泛；先是發(fā)展擺線齒輪，而后是漸開線齒輪，一直到20世紀(jì)初，漸開線齒輪已在應(yīng)用中占了優(yōu)勢。齒輪的組成結(jié)構(gòu)一般有輪齒、齒槽、端面、法面、齒頂圓、齒根圓、基圓、分度圓。輪齒簡稱齒，是齒輪上每一個用于嚙合的凸起部分，這些凸起部分一般呈輻射狀排列，配對齒輪上的輪齒互相接觸，可使齒輪持續(xù)嚙合運(yùn)轉(zhuǎn)；齒槽是齒輪上兩相鄰輪齒之間的空間；端面

33、是圓柱齒輪或圓柱蝸桿上，垂直于齒輪或蝸桿軸線的平面；法面指的是垂直于輪齒齒線的平面；齒頂圓是指齒頂端所在的圓、齒根圓是指槽底所在的圓、基圓是形成漸開線的發(fā)生線作純滾動的圓、分度圓是在端面內(nèi)計(jì)算齒輪幾何尺寸的基準(zhǔn)圓。1.3.1 齒輪傳動機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)及分類1）齒輪傳動機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)：齒輪機(jī)構(gòu)是現(xiàn)代機(jī)械中應(yīng)用最廣泛的傳動機(jī)構(gòu)，用于傳遞空間任意兩軸或多軸之間的運(yùn)動和動力。齒輪傳動主要優(yōu)點(diǎn)：傳動效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠、壽命長，傳動比準(zhǔn)確。齒輪機(jī)構(gòu)主要缺點(diǎn)：制造及安裝精度要求高，價格較貴，不宜用于兩軸間距離較大的場合。2）齒輪傳動的基本要求：在齒輪傳動機(jī)構(gòu)的研究、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中，一般要滿足以下兩個基本要求：

34、傳動平穩(wěn)-在傳動中保持瞬時傳動比不變，沖擊、振動及噪音盡量小。 承載能力大-在尺寸小、重量輕的前提下，要求輪齒的強(qiáng)度高、耐磨性好及壽命長。3）齒輪傳動機(jī)構(gòu)的分類：表1.3 齒輪傳動機(jī)構(gòu)的分類按軸的相對位置平行軸齒輪傳動機(jī)構(gòu)相交軸齒輪傳動機(jī)構(gòu)、交錯軸齒輪傳動機(jī)構(gòu)按齒線相對齒輪體母線相對位置直齒、斜齒、人字齒、曲線齒按齒廓曲線漸開線齒、擺線齒、圓弧齒按齒輪傳動機(jī)構(gòu)的工作條件閉式傳動、開式傳動、半開式傳動按齒面硬度軟齒面（350HB）、硬齒面（>350HB）1.3.2 齒輪材料的選擇具體齒輪材料的選用主要是根據(jù)齒輪工作時載荷的大小，轉(zhuǎn)速的高低及齒輪的精度要求來確定的。載荷大小主要是指齒輪傳遞轉(zhuǎn)

35、矩的大小，通常以齒面上單位壓應(yīng)力作為衡量標(biāo)志。一般分為:輕載荷、中載荷、重載荷和超重載荷。齒輪工作時轉(zhuǎn)速越大，齒面和齒根受到的交變應(yīng)力次數(shù)越多，齒面磨損越嚴(yán)重。因此，可以把齒輪轉(zhuǎn)動的圓周速度v的大小，作為材料承受疲勞和磨損的尺度。一般分為:低速齒輪(19m/s);中速齒輪(610m/s);高速齒輪(1015m/s)。齒輪的精度高，則齒形準(zhǔn)確，公差 小，嚙合緊密，傳動平穩(wěn)且無噪聲。機(jī)床齒輪精度一般為68級(中、低速)和812級(高速)，汽車、拖拉機(jī)齒輪精度一般為68級。1）輕載、低速或中速、沖擊力小、精度較低的一般齒輪，選用中碳鋼，如Q235、Q275、40、45、50、50Mn等鋼制造，常用正

36、火或調(diào)質(zhì)等熱處理制成軟齒面齒輪，正火硬度HBS160200;一般調(diào)質(zhì)硬度HBS200280。因硬度適中，精切齒廓可在熱處理后進(jìn)行，工藝簡單，成本低。齒面硬度不高則易于磨合，但承載能力也不高。這種齒輪主要用于標(biāo)準(zhǔn)系列減速箱齒輪、冶金機(jī)械、中載機(jī)械和機(jī)床中的一些次要齒輪。2）中載、中速、承受一定沖擊載荷、運(yùn)動較為平穩(wěn)的齒輪，選用中碳鋼或合金調(diào)質(zhì)鋼，如45、50Mn、40Cr、42SiMn等鋼，也可采用55Tid、60Tid等低淬透性鋼。其最終熱處理采用高頻或中頻淬火及低溫回火，制成硬齒面齒輪，可達(dá)齒面硬度HRC5055，齒輪心部保持正火或調(diào)質(zhì)狀態(tài)，具有較好的韌性。由于感應(yīng) 加熱表面淬火的齒輪變形小

37、，若精度要求不高(如7級以下)，可不必再磨齒。機(jī)床中絕大多數(shù)齒輪就是這種類型的齒輪。對表面硬化的齒輪，應(yīng)注意控制硬化層深度及硬化層沿齒廓的合理分布。3）重載、高速或中速，且受較大沖擊載荷的齒 輪，選用低碳合金滲碳鋼或碳氮共滲鋼，如20Cr、20CrMnTi、20CrNi3、30CrMnSi 、18Cr2Ni4WA、40Cr、30CrMnTi等鋼。其熱處理采用滲碳、淬火、低溫回火，齒輪表面獲得HRC5863的高硬度，因淬透性較高，齒輪心部有較高的強(qiáng)度和韌性。這種齒輪的表面耐磨性、抗疲勞強(qiáng)度和齒根的抗彎強(qiáng)度及心部抗沖擊能力都比表面淬火的齒輪高，但熱處理變形大，精度要求較高時，最后一般要安排磨削。它

38、適用于工作條件較為惡劣的汽車、拖拉機(jī)的變速箱和后橋齒輪。 碳氮共滲與滲碳相比，熱處理變形小，生產(chǎn)周期短，力學(xué)性能高，而且還應(yīng)用于中碳鋼或中碳合金鋼，所以許多齒輪可用碳氮共滲來代替滲碳工藝。 內(nèi)燃機(jī)車、坦克、飛機(jī)上的變速齒輪的負(fù)載和工作條件比汽車的更重、更惡劣，要求材料的性能更高，應(yīng)選用含合金元素高的合金滲碳鋼，以獲得更高的強(qiáng)度和耐磨性。4）精密傳動齒輪或磨齒有困難的硬齒面齒輪(如內(nèi)齒輪)，主要要求精度高，熱處理變形小，宜采 用氮化鋼，如35CrMo、38CrMoAlA等鋼。熱處理采用調(diào)質(zhì)及氮化處理，氮化后齒面硬度高達(dá)HV8501200(相當(dāng)于HRC6570)，熱穩(wěn)定性好(在500550仍能保持

39、高硬度)，并有一定的抗蝕性。其缺 點(diǎn)是硬化層薄，不耐沖擊，故不適用于載荷頻繁變動的重載齒輪，而多用于載荷平穩(wěn)、潤滑良好的精密傳動齒輪或磨齒困難的內(nèi)齒輪。近年來，由于軟氮化和離子氮化工藝的發(fā)展，使工藝周期縮短，選用鋼種變寬，選用氮化處理的齒輪逐漸廣泛。而本實(shí)驗(yàn)采用高強(qiáng)鋼30CrMnSi合金鋼。1.3.3 齒輪的熱處理1）正火處理：正火處理可消除齒輪內(nèi)部過大的應(yīng)力，增加齒輪的韌性，改善材料的切削性能。正火處理常用于含碳量0.3%0.5%的優(yōu)質(zhì)碳鋼或合金鋼制造的齒輪。正火齒輪的強(qiáng)度和硬度比淬火或調(diào)質(zhì)齒輪要低，硬度HB163217。因此，對于機(jī)械性能要求不很高或不適合采用淬火或調(diào)質(zhì)的大直徑齒輪，常采用

40、正火處理。2）調(diào)質(zhì)處理：調(diào)質(zhì)處理常用于含碳量0.3%0.5%的優(yōu)質(zhì)碳素鋼或合金鋼制造的齒輪。調(diào)質(zhì)處理可細(xì)化晶粒，并獲得均勻的具有一定彌散度的和具有優(yōu)良綜合機(jī)械性能的細(xì)密球狀珠光體類組織-回火索氏體。一般經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，輪齒硬度可達(dá)HB220285，對尺寸較小的齒輪，其硬度可再高些。調(diào)質(zhì)齒輪的綜合性能比正火齒輪要高，其屈服極限和沖擊韌性比正火處理的可高出40%左右，強(qiáng)度極限與斷面收縮率也高出5%6%(對于碳鋼)。調(diào)質(zhì)齒輪在運(yùn)行中易跑合、齒根強(qiáng)度裕量大、抗沖擊能力強(qiáng)，在重型齒輪傳動中占有相當(dāng)大的比重。為提高軟齒面齒輪的抗膠合能力及考慮到小齒輪工作比大齒輪繁重，常用調(diào)質(zhì)的小齒輪與正火或調(diào)質(zhì)的大齒輪相配

41、，其硬度差常在HB2050。3）表面淬火：齒輪經(jīng)表面淬火后需進(jìn)行低溫回火，以便降低內(nèi)應(yīng)力和脆性，齒面硬度一般為HRC4555。表面淬火齒輪承載能力高，并能承受沖擊載荷。通常淬火齒輪的毛坯可先經(jīng)正火或調(diào)質(zhì)處理，以便使輪齒心部有一定的強(qiáng)度和韌度。4）滲碳淬火：滲碳淬火齒輪常用含碳量為0.10%0.25%的合金鋼或高合金鋼制造。滲碳淬火后，齒面硬度HRC5862，一般需進(jìn)行磨齒或珩齒，以消除熱處理后引起的變形。這類齒輪具有很高的接觸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度，并能承受較大的沖擊載荷。各種載重車輛中的重要齒輪常進(jìn)行滲碳淬火處理。5）滲氮滲氮：滲氮滲氮可提高輪齒的表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度及抗蝕能力。滲氮處理溫度低

42、，故齒輪變形極小，無需磨削或只需精磨即可。滲氮齒輪的材料主要有38CrMoAlA、30CrMoSiA、20CrMnTi等。滲氮齒輪由于滲氮層薄(0.150.75mm)，硬化層有剝落的危險，其承載能力一般不及滲碳齒輪高，不宜于承受沖擊載荷或有強(qiáng)烈磨損的場合使用。6）鋼制齒輪的其他熱處理方法 鋼制齒輪還可采用整體淬火或氰化等方法進(jìn)行處理。整體淬火齒輪硬度較高，但變形大、韌性差、不耐沖擊，故應(yīng)用較少。氰化齒輪具有硬度高、耐磨性好、變形小、生產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)，適用于碳鋼和合金鋼。但其硬化層較脆、不耐沖擊，且氰有劇毒，必須有安全設(shè)施。2 車間產(chǎn)品方案的確定本車間設(shè)計(jì)的是綜合熱處理車間，主導(dǎo)產(chǎn)品是機(jī)床齒輪，同

43、時還生產(chǎn)軸、彈簧、等小型部件。2.1 產(chǎn)品方案列表產(chǎn)品方案材料的選擇及對應(yīng)的熱處理工藝詳情見表2.1。表2.1 產(chǎn)品方案列表產(chǎn)品名稱材料熱處理工藝機(jī)床變速器齒輪30CrMnSi正火+亞溫淬火汽車變速箱齒輪20CrMnTi滲碳+淬火+低溫回火座墊板簧65Mn淬火+540回火汽車板簧55Si2Mn淬火+480回火磨床主軸GCr15調(diào)質(zhì)、感應(yīng)淬火汽車發(fā)動機(jī)連桿40CrNi退火、正火、淬火輕型車發(fā)動機(jī)曲軸45正火+感應(yīng)淬火轎車內(nèi)燃機(jī)曲軸50Mn調(diào)質(zhì)+氮碳共滲2.2 機(jī)床齒輪常用鋼及熱處理工藝表2.2 機(jī)床齒輪常用鋼及熱處理工藝齒輪工作條件鋼   號熱處理工藝硬度要求低載荷、耐磨性高

44、的齒輪15（20）900950滲碳，直接淬冷，180200回火。5863HRC低速、低載荷的齒輪(如車床溜板上的齒輪)45820840水淬500550回火200250HRC中速、中載荷、大載荷下工作（車床變速箱中次要齒輪）45860900高頻感應(yīng)加熱，水淬，350370回火4045HRC速度較大或者中等載荷下工作的齒輪，齒部要求較高45860900高頻感應(yīng)加熱，水淬，380320回火4550HRC高速、中等載荷，要求齒面硬度高（磨床砂輪箱齒輪）45860900高頻感應(yīng)加熱，水淬，180200回火5258HRC速度不大、中等載荷40Cr、42SiMn840860油淬600650回火200230H

45、RC中等速度、中等載荷（高速機(jī)床走刀箱、變速箱齒輪）40Cr、42SiMn調(diào)質(zhì)后860880高頻感應(yīng)加熱，280320回火4550HRC高速、高載荷、齒部要求高硬度的齒輪40Cr、42SiMn調(diào)質(zhì)后860880高頻感應(yīng)加熱，180200回火5055HRC高速、中載荷、受沖擊、模數(shù)<5（機(jī)床變速箱齒輪）20Cr、20SiMn900950滲碳，直接淬火180200回火。5863HRC高速、重載荷受沖擊、模數(shù)>6的齒輪20CrMnTi、20SiMnVB900950滲碳，降溫淬火，180200回火。5863HRC在不高載荷下工作的大型輪50Mn2 、 65Mn820840空冷241HB傳動精度高，要求具有一定耐磨性的大齒輪35CrMo30CrMnSi850870空冷，600650回火255302HB2.3 典型產(chǎn)品本設(shè)計(jì)主要以機(jī)床齒輪（30CrMnSi）作為典型產(chǎn)品。2.3.1 30CrMnSi 30CrMnSi屬于高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼。30CrMnSi合金結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)熱處理后可獲得高的強(qiáng)度、好的塑性和韌性、良好的抗疲勞性能和斷裂韌度、低的疲勞裂紋擴(kuò)展速率。淬透性較高，切削加工性及焊接性良好，但是對缺口和氫脆（包括環(huán)境氫脆）比較敏感，宜作為高強(qiáng)度連接件及軸類零件等重要受力結(jié)構(gòu)部件。有回