江蘇大學(xué)化學(xué)熱處理課程設(shè)計(jì)

1、金屬材料綜合課程設(shè)計(jì)(化學(xué)熱處理)汽車離合器齒輪的熱處理工藝設(shè)計(jì)學(xué) 院： 學(xué)生學(xué)號(hào)： 專業(yè)班級(jí)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師姓名： 邵紅紅 紀(jì)嘉明 2013年7月汽車離合器齒輪的熱處理工藝設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師姓名： 邵紅紅 紀(jì)嘉明1 汽車離合器齒輪零件圖圖 1 汽車離合器齒輪2 服役條件及提出的性能要求和技術(shù)指標(biāo)2.1 服役條件離合器齒輪是離合器中重要的零件之一,用于接通或斷開主軸的反轉(zhuǎn)傳動(dòng)路線，與其他零件一起組成摩擦片正反轉(zhuǎn)離合器。它主要作用是傳遞動(dòng)力、改變運(yùn)動(dòng)方向。傳遞動(dòng)力時(shí)，齒根部位受到大的交變彎曲應(yīng)力，而齒面有很大的接觸疲勞應(yīng)力，強(qiáng)烈的摩擦，并且有時(shí)還受到一定的沖擊力。2.2 性能要求 齒輪是現(xiàn)代機(jī)

2、械中應(yīng)用最廣泛的一種機(jī)械傳動(dòng)零件，合理地選擇和使用金屬材料尤為重要。大致上講，應(yīng)主要滿足齒輪材料所需的機(jī)械性能、工藝性能和經(jīng)濟(jì)性要求三個(gè)方面： （1）滿足齒輪材料的機(jī)械性能  材料的機(jī)械性能包括強(qiáng)度、硬度、塑性及韌性等，反映材料在使用過(guò)程中所表現(xiàn)出來(lái)的特性。齒輪在嚙合時(shí)齒面接觸處有接觸應(yīng)力，齒根部有最大彎曲應(yīng)力，可能產(chǎn)生齒面或齒體強(qiáng)度失效。齒面各點(diǎn)都有相對(duì)滑動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生磨損。齒輪主要的失效形式有齒面點(diǎn)蝕、齒面膠合、齒面塑性變形和輪齒折斷等。因此要求齒輪材料有高的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度，齒面要有足夠的硬度和耐磨性，芯部要有一定的強(qiáng)度和韌性。（2）滿足齒輪材料的工藝

3、性能 材料的工藝性能是指材料本身能夠適應(yīng)各種加工工藝要求的能力。齒輪的制造要經(jīng)過(guò)鍛造、切削加工和熱處理等幾種加工，因此選材時(shí)要對(duì)材料的工藝性能加以注意。一般來(lái)說(shuō)，碳鋼的鍛造、切削加工等工藝性能較好，其機(jī)械性能可以滿足一般工作條件的要求。但強(qiáng)度不夠高，淬透性較差。而合金鋼淬透性好、強(qiáng)度高，但鍛造、切削加工性能較差。我們可以通過(guò)改變工藝規(guī)程、熱處理方法等途經(jīng)來(lái)改善材料的工藝性能。  （3）滿足齒輪材料的經(jīng)濟(jì)性要求 所謂經(jīng)濟(jì)性是指最小的耗費(fèi)取得最大的經(jīng)濟(jì)效益。在滿足使用性能的前提下，選用齒輪材料還應(yīng)注意盡量降低零件的總成本。從材料本身價(jià)格來(lái)考慮：碳鋼和鑄鐵的價(jià)

4、格是比較低廉的，因此在滿足零件機(jī)械性能的前提下選用碳鋼和鑄鐵，不僅具有較好的加工工藝性能，而且可降低成本。從金屬資源和供應(yīng)情況來(lái)看，應(yīng)盡可能減少材料的進(jìn)口量及價(jià)格昂貴材料的使用量。從齒輪生產(chǎn)過(guò)程的耗費(fèi)來(lái)考慮：采用不同的熱處理方法相對(duì)加工費(fèi)用也不一樣；通過(guò)改進(jìn)熱處理工藝也可以降低成本；所選鋼種應(yīng)盡量少而集中，以便采購(gòu)和管理；我們還可以通過(guò)改進(jìn)工藝來(lái)提高經(jīng)濟(jì)效益。2.3 技術(shù)指標(biāo)（1）滲碳層表面含碳量：0.81.0% ；（2）滲碳層厚度：0.81.2mm；（3）齒輪表面硬度要求為：5862HRC；（4）齒輪心部硬度要求為：3045HRC；（5）其余力學(xué)性能要求為：S 850MPa ,-1 440M

5、Pa ,AKV 65J 。3 選材3.1 常用材料比較分析離合器齒輪屬于重載荷齒輪，受力較大，且頻繁受沖擊，因此在耐磨性、疲勞強(qiáng)度、抗沖擊能力等方面要求較高，為滿足表面耐磨性和整體強(qiáng)韌性的要求，一般選用滲碳鋼，目前國(guó)內(nèi)離合器齒輪用材大致有20Cr、20CrMo 、20CrMnTi等。選用熱處理為：滲碳。（1）20Cr20Cr是典型的低淬透性鋼，但比相同含碳量的碳素鋼的強(qiáng)度和淬透性都有明顯提高，油淬后可得馬氏體淬硬層為2023，常用于制造截面尺寸小于30，形狀簡(jiǎn)單，受力不大，變速檔較高，負(fù)載不大的而耐磨滲碳零件。20Cr正火后硬度為HB179217，顯微組織為均勻分布的片狀珠光體和鐵素體，經(jīng)滲碳

6、后淬火、回火，表面硬度達(dá)5662HRC，心部硬度達(dá)3545HRC。 b835MPa， S540MPa, S10, 40, Ak47J。（2）20CrMo20CrMo材料屬于低碳合金結(jié)構(gòu)鋼,適合滲碳淬火處理;淬透性較高，無(wú)回火脆性，焊接性相當(dāng)好，形成冷裂的傾向很小，可切削性及冷應(yīng)變塑性良好。一般在調(diào)質(zhì)或滲碳淬火狀態(tài)下使用，用于制造在非腐蝕性介質(zhì)及工作溫度低于 250、含有氮?dú)浠旌衔锏慕橘|(zhì)中工作的高壓管及各種緊固件、較高級(jí)的滲碳零件，如齒輪、軸等。(3)20CrMnTi20CrMnTi是典型的中淬透性鋼，該鋼由于Cr、Mn多元復(fù)合合金化的作用，淬透性好，油淬臨界直徑為40mm左右。滲碳后淬火回火具

7、有較高耐磨性和抗彎強(qiáng)度以及高的強(qiáng)韌性，特別是良好的低溫沖擊韌性，鋼的滲碳工藝性較好，晶粒長(zhǎng)大傾向小，熱處理工藝簡(jiǎn)單，但高溫回火時(shí)有回火脆性傾向，滲碳后可直接淬火，變形比較小。20CrMnTi的熱加工和冷加工性能較好，正火后硬度為HB180230，相對(duì)切削性能好，并可獲得光潔的表面。一般可用于制造截面在30mm以下的承受高速、中速及重載荷以及沖擊和摩擦的重要滲碳零件，如齒輪、齒輪圈、離合器軸、液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)子等。由以上分析，綜合汽車離合器齒輪的服役條件、失效形式、性能要求考慮，選擇20CrMnTi鋼作為汽車離合器齒輪的材料。3.2合金元素的作用（1）C的作用C%0.170.23% 是為了滲碳時(shí)保證碳

8、元素的正常滲入。淬火熱處理后保證心部得到低碳馬氏體，具有足夠的強(qiáng)韌性，抵抗沖擊載荷。（2）Cr、Mn、Si的作用Cr、Mn完全固溶于奧氏體中，主要是提高鋼的淬透性；固溶強(qiáng)化基體組織，并改善基體組織的回火穩(wěn)定性。部分Cr、Mn元素從基體組織中擴(kuò)散到析出的滲碳體Fe3C中，形成合金滲碳體（Cr、Mn、Fe）3C，改善其硬度。合金滲碳體（Cr、Mn、Fe）3C與碳化物TiC同基體組織一起共同作用，使鋼產(chǎn)生較高的強(qiáng)度、硬度與耐磨性，同時(shí)保持良好的韌性。 （3）Ti的作用以碳化TiC形式釘扎于奧氏體晶界，阻止奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，細(xì)化晶粒；提高鋼的回火穩(wěn)定性，同時(shí)還可形成合金碳化物滲層耐磨性。3.

9、3 材料成分表及臨界溫度20CrMnTi成分及含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1 所示。 表1 20CrMnTi成分及含量（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）牌號(hào)20CrMnTi化學(xué)成分CSiCrMnTiSPNiCu質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%0.170.230.170.371.001.300.801.100.040.10 0.035 0.035 0.03 0.0320CrMnTi的臨界溫度如表2 所示：表2 20CrMnTi的臨界溫度相變點(diǎn)Ac1/Ac3/Ar1/Ar3/溫度7408256907304 離合器齒輪熱處理工藝設(shè)計(jì)4.1 工藝路線下料鍛造正火機(jī)加工清洗滲碳預(yù)冷直接淬火低溫回火精加工清洗檢驗(yàn)包裝4.2 正火處理工藝（1）正火目的為了消

10、除鍛造應(yīng)力及其不良組織，改善切削加工性，因該鋼是低碳合金鋼，碳含量低，韌性大，切削時(shí)“粘刀”嚴(yán)重，為改善切削加工性能，采用高溫正火。20CrMnTi的粗大晶粒的非平衡組織在滲碳淬火加熱時(shí)會(huì)發(fā)生組織遺傳，重新又獲得粗大晶粒。高溫正火可以消除某些鋼材粗大晶粒非平衡組織的遺傳性，細(xì)化晶粒，以獲得珠光體+少量鐵素體組織，減少了碳和其他合金元素的成分偏析，使奧氏體晶粒細(xì)化和碳化物的彌散分布，以便在隨后的熱處理中增加碳化物的溶解量。并使加工硬度適中，有利于切削。（2）正火設(shè)備選用RX3箱式電爐參數(shù)見(jiàn)表 3表3 RX3-60-9箱式電爐產(chǎn)品名稱產(chǎn)品型號(hào)額定功率(kw)額定電壓(V)額定溫度()相數(shù)爐膛尺寸(

11、長(zhǎng)x寬x高)外型尺寸(長(zhǎng)x寬x高)重量（kg）箱式電爐RX3-60-9603809503950x450x3501920x1620x21402200（4）正火溫度選定為930；理論上正火溫度為Ac3 +（3050），但高溫正火的溫度Ac3 +（100150），由于齒輪工件表面工件尺寸截面變化大，易變形開裂，所以經(jīng)過(guò)綜合考慮選取T=930。 （5）加熱方法采用到溫加熱的方法，是指當(dāng)爐溫加熱到指定的溫度時(shí)，再將工件裝進(jìn)熱處理爐進(jìn)行加熱。這樣做的原因是避免金屬組織出現(xiàn)不需要的相轉(zhuǎn)變，加熱速度快，節(jié)約時(shí)間，便于小批量生產(chǎn)。加熱介質(zhì)為空氣。（6）保溫時(shí)間保溫時(shí)間：230min；加熱時(shí)間可按公式進(jìn)行計(jì)算：t

12、=a×K×D，式中t為加熱時(shí)間（min），K為反映裝爐時(shí)的修正系數(shù)，查熱處理手冊(cè)可得K取1.4， a為加熱系數(shù)取1.0min/mm ，D為工件有效厚度（mm）。由公式可知，工件厚度=（工件最厚處直徑+工件最薄處直徑）/2，可得D=163mm ；可得t=a×K×D=1.4×1.0×163230min。（7）冷卻介質(zhì)空氣。（8）正火工藝曲線圖 2 正火處理工藝曲線4.3 滲碳處理工藝（1）滲碳目的20CrMnTi 的含碳量為0.20屬于低碳鋼,滲碳時(shí)保證了碳元素的正常滲入。淬火熱處理后心部獲得低碳馬氏體, 以保證心部具有足夠的塑性和韌性,

13、抵抗沖擊載荷。20CrMnTi齒輪根據(jù)使用性能要求表面耐磨,心部又要求有良好的強(qiáng)韌性,所以要對(duì)20CrMnTi鋼進(jìn)行表面滲碳處理,滲碳淬火后表面得到高碳馬氏體, 具有較高的硬度和耐磨性。滲碳淬火工藝過(guò)程中, 要防止齒輪變形, 要嚴(yán)格控制滲碳齒輪的表面碳濃度和滲層深度。因它們會(huì)對(duì)滲層組織的膨脹系數(shù)產(chǎn)生影響, 滲碳后若表面形成不良碳化物分布, 將增加齒形、齒向及花鍵孔的變形,因此必須控制滲碳時(shí)的碳勢(shì),以防止表面碳濃度過(guò)高和碳量不均勻。滲碳層深度越厚,也將使畸變加大。表面含碳量影響滲碳淬火齒輪的淬透性, 而材料的淬透性對(duì)組織、性能、畸變有直接的影響。因此應(yīng)使?jié)B碳層深度及其表面含碳量控制在合理適宜的范

14、圍內(nèi)。（2）滲碳設(shè)備選用RQ3-60-9D型井式氣體滲炭爐爐參數(shù)見(jiàn)表4 。表4 RQ3-60-9D型井式氣體滲炭爐產(chǎn)品名稱產(chǎn)品型號(hào)額定功率(kw)額定電壓(V)額定溫度()相數(shù)爐膛尺寸(直徑x 深) (mm)外型尺寸(長(zhǎng)x寬x高) (mm)重量(kg)井式氣體滲碳爐RQ3-60-9603809503450x6001570x2000 x22402630說(shuō)明：爐溫均勻，介質(zhì)流動(dòng)性好，加熱速度，溫度均勻，工件變形小，加熱質(zhì)量好，利于提高產(chǎn)品質(zhì)量，爐膛容積有效利用率高，產(chǎn)量大，耗電量少，可節(jié)省電能與筑爐材料，電極壽命長(zhǎng)，減小停爐時(shí)間。適用于中，小型工件成批量生產(chǎn)。（3）滲碳溫度選定為920；滲碳溫度在

15、Ac3 以上，考慮碳在鋼中的擴(kuò)散速度等因素，目前在生產(chǎn)上廣泛采用的溫度為910930。隨著滲碳層度的升高，碳在鋼中的擴(kuò)散系數(shù)呈指數(shù)上升，滲碳速度加快，但滲碳溫度過(guò)高會(huì)造成晶粒粗大，工件畸變?cè)龃?，設(shè)備壽命降低等負(fù)面效應(yīng)，滲層厚度為0.81.2mm，可以選取T=920。（4）加熱方法采用到溫加熱的方法，是指當(dāng)爐溫加熱到指定的溫度時(shí)，再將工件裝進(jìn)熱處理爐進(jìn)行加熱。原因是加熱速度快，節(jié)約時(shí)間，便于批量生產(chǎn)。（5）滲碳時(shí)間 選擇為5 h；按照公式t= (k/d)2 ；式中d滲碳深度，為0.81.2mm，k滲碳速度因子，920滲碳時(shí)取k為0.633；故t=(1.2/0.633)24.8

16、，取t5h。（6）滲碳方法甲醇-煤油滴注式滲碳法（甲醇為稀釋劑，煤油為滲碳劑）。甲醇-煤油滴注劑中煤油的含量一般在15%30%范圍內(nèi)，高溫下甲醇的裂解產(chǎn)物H2O,CO2和CH4和C氧化，可使?fàn)t氣成分和碳勢(shì)保持在一定范圍內(nèi)，可以采用紅外儀進(jìn)行控制。滲碳時(shí)煤油的分解成分見(jiàn)表5 所示。表5 氣體滲碳時(shí)煤油分解成分CnH2n+2CnH2nCOCO2H2O2N210150.610200.450750.45依據(jù)：采用滴注式可控氣氛滲碳，以甲醇作為稀釋氣體，煤油作為富化氣體。通過(guò)改變兩種氣體的比例，可使工件表面含碳量控制在所需要的范圍里。（7）裝爐方法 筐裝；10/次；垂直放入滲碳爐中，齒輪一個(gè)一個(gè)疊放，要

17、注意每垛之間齒輪的輪齒不要接觸，避免齒滲不上碳。（8）滲碳工藝裝爐后排氣，滴油量3565滴/分鐘，保溫時(shí)間160180滴/分鐘，一小時(shí)后查看式樣，滲層厚度達(dá)到1.0mm時(shí)滴油量為140160滴/分鐘，滲層達(dá)到要求后降溫到870±10預(yù)冷120分鐘，為淬火做準(zhǔn)備。（9）冷卻方式 隨爐降溫或?qū)⒐ぜ浦恋葴夭壑蓄A(yù)冷，然后直接淬火。（10）滲碳工藝曲線溫度/ 920±10 0.5-1 870 滲碳 預(yù) 強(qiáng)滲 擴(kuò)散 冷 淬火 120 100 90 時(shí)間/min圖 3 滲碳工藝曲線圖4.4 淬火（1）淬火目的使過(guò)冷奧氏體進(jìn)行馬氏體（或貝氏體）轉(zhuǎn)變，得到馬氏體（或貝氏體）組織。

18、然后配合以不同溫度的回火，以提高工件的硬度、強(qiáng)韌性、彈性、耐蝕性和耐磨性等，獲得所需的力學(xué)性能。由于20CrMnTi鋼的過(guò)熱傾向小，比較適合采取直接淬火，這樣可以大大減小齒輪的熱處理變形及氧化脫碳并提高經(jīng)濟(jì)效益。所以，20CrMnTi鋼齒輪在井式爐中氣體滲碳后一般是采用直接淬火，為避免心部出現(xiàn)大量游離鐵素體保證心部強(qiáng)度，故選擇齒輪經(jīng)滲碳后，先預(yù)冷再直接油冷淬火。（2）淬火溫度 選定為870；滲碳后可預(yù)冷到860880并保溫一段時(shí)間，預(yù)冷過(guò)程中滲碳層析出二次滲碳體，深層中殘余奧氏體量減少，預(yù)冷溫度不應(yīng)過(guò)低，以免心部游離鐵素體增多，降低心部硬度，預(yù)冷應(yīng)在爐內(nèi)進(jìn)行，并應(yīng)防止表面脫碳，選擇8

19、70±10。（3）淬火設(shè)備滲碳后的零件采用從滲碳溫度隨爐降溫到適宜的淬火溫度，經(jīng)一段保溫均熱后直接淬火（水或油）的熱處理工藝。因此淬火設(shè)備與滲碳爐相同為RQ3-75-9T。（4）淬火介質(zhì)選擇10機(jī)械油；因?yàn)?0CrMnTi淬透性好，油淬臨界直徑DO40mm油淬后可減少滲碳層中殘余奧氏體，提高耐磨性和接觸疲勞強(qiáng)度而心部有較高強(qiáng)度和韌性。4.4 低溫回火處理工藝（1）回火目的低碳鋼采取回火時(shí)可以使馬氏體分解，析出/碳化物轉(zhuǎn)變成回火馬氏體，淬火內(nèi)應(yīng)力得到部分消除，淬火時(shí)產(chǎn)生的微裂紋也大部分得到愈合，因此低溫回火可以在很少降低硬度的情況下使鋼的韌性得到顯著的提高，并提高鋼的強(qiáng)度，耐磨性，使軸和齒輪部分得到優(yōu)異的機(jī)械性能。并且可以穩(wěn)定組織，使工件在使用過(guò)程中不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，降低或消除淬火內(nèi)應(yīng)力，以減少工件的變形并防止開裂，從而保證工件的尺寸、形狀不變。（2）回火溫度選定為190；由于滲碳鋼零件要求表面具有很高的硬度，耐磨性，同時(shí)要求心部具有較好的塑性和韌性。但由于滲碳后的20CrMnTi鋼是表面高碳鋼和心部低碳鋼組成的一種復(fù)合材料，因此低溫回火可以滿足性能要求，故選擇低溫回火，且工件適中，低溫回火溫度T一般在180200，滲碳件選擇下限，所以T取190±10。（3）加熱方式用空氣電阻爐采取到溫加熱方式，可以減少工件加熱時(shí)間，回火后硬