CrMnTi汽車變速箱齒輪的熱處理工藝

1、20CrMnTi汽車變速箱齒輪的熱處理工藝一、學(xué)習(xí)目標知識目標：熟悉感應(yīng)加熱表面淬火原理、特點及應(yīng)用：了解火焰表而淬火原理、特點及應(yīng)用：了解化學(xué)熱處理過程；掌握滲碳、滲氮和碳氮共滲原理、特點、常用方法及應(yīng)用。能力目標：能根據(jù)零件的化學(xué)成分、性能要求和技術(shù)條件，合理選擇表而淬火和化學(xué)熱處理方 法。二、任務(wù)引入變速箱齒輪位于汽車傳動部分，用于傳遞扭矩與動力、調(diào)整速度。由于傳遞扭矩，齒根 要承受較大的彎曲應(yīng)力和交變應(yīng)力：由于變速箱齒輪轉(zhuǎn)速變化范羽廣，齒輪表面承受較大的 接觸應(yīng)力，并在髙速下承受強烈的磨擦力；由于工作時不斷換檔，輪齒之間經(jīng)常要承受換檔 造成的沖擊與碰撞。這就要求齒輪表面有髙硬度和髙耐磨

2、性；齒面有髙的接觸疲勞強度；心 部有較髙的強度和高韌性。圖2-25所示20CrMnTi汽車變速箱齒輪的熱處理技術(shù)要求如下：1. 滲碳層表而含碳量為0.80-1.05%；2. 滲碳層深度為0.80 1.3mm：3. 淬火回火后齒面硬度為5862HRC,心部硬度為3348HRC。4>102"211.2圖2-25汽午變速箱齒輪簡圖三、相關(guān)知識在機械設(shè)備中，有許多零件（如齒輪、曲軸、活塞銷等）是在沖擊載荷及表而摩擦條件 下工作的，這類零件表而需具有髙碩度和髙耐磨性，而心部需要足夠的塑性和韌性。為滿足 這類零件的性能要求，須進行表而熱處理。常用的表而熱處理方法有表而淬火及化學(xué)熱處理 兩種

3、。（一）鋼的表面淬火表而淬火是通過快速加熱，使鋼件表層奧氏體化，然后迅速冷卻，使表層形成一N深度 的淬硬組織一一馬氏體，而心部仍保持原來塑性、韌度較好的組織的熱處理工藝。在鋼的表 面淬火法中，感應(yīng)加熱淬火應(yīng)用最廣。1. 感應(yīng)加熱表面淬火感應(yīng)加熱表而淬火時，將工件放在銅管制成的感應(yīng)器內(nèi)，即圖2-26所示裝巻中，感應(yīng) 器中通入一泄頻率的交流電，以產(chǎn)生交變磁場，于是工件內(nèi)部就會產(chǎn)生頻率相同、方向相反 的感應(yīng)電流（渦流）。由于渦流的趨膚效應(yīng)，使渦流在工件截而上的分布是不均勻的，表面 電流密度大，心部電流密度小。感應(yīng)器中的電流頻率越高，渦流越集中于工件表而。由于工 件表面渦流產(chǎn)生的熱量，使工件表而迅速加

4、熱到淬火溫度（心部溫度仍接近室溫），隨即噴 水快速冷卻（合金鋼浸汕冷卻），從而達到了表而淬火的目的。電流集中層圖2-26感應(yīng)加熱淬火示憑圖1-感應(yīng)加熱圈：2-進水：3-出水：4-淬火噴水套：5、7冰;6加熱淬換層：8-間隙（1.53mm）； 9-工件 感應(yīng)加熱淬火表而淬硬層的厚度取決于交流電的頻率，一般頻率高加熱深度淺，淬硬 層深度也就淺。頻率/與加熱深度6的關(guān)系采用下而近似經(jīng)驗公式表示：5 = 20/J7（20°C 冷態(tài)）5 = 500/J7 （ 8004C 熱態(tài)）式中：f的單位是Hz； 6的單位是mm.為了得到不同的淬硬層深度，可采用不同頻率的電流進行加熱，電流頻率與淬硬層深度

5、的關(guān)系見表2-3。表2-3感應(yīng)加熱淬火的頻率選擇加熱方法頻率范憎淬碩層深度/mm應(yīng)用舉例島頻感應(yīng)加熱2OO-3OOkHz1-2在摩擦條件下工作的零件.如小齒輪、小軸等中頻感應(yīng)加熱1-lOkHz2-10承受扭矩.主軸等壓力載荷的零件如曲軸、大齒輪、匸頻感應(yīng)加熱50Hz10-15承受扭矩.壓力載荷的大型零件，如冷軋軌等2. 火焰加熱表面淬火應(yīng)用氧一乙塊或氧一煤氣的混合氣體加燒的火焰對零件表而進行快速加熱并隨之快速 冷卻的工藝稱為火焰加熱表而淬火。如圖2-27所示?；鹧姹砻娲慊鸬拇阌矊由疃纫话銥?6mm°這種方法的特點是：加熱溫度及淬硬層深 度不易控制，淬火質(zhì)量不穩(wěn)定，常造成表層過熱，甚至

6、局部熔化。但不需要特殊設(shè)備，故適 用于單件或小批量生產(chǎn)。13圖2-27火焰淬火示意圖I-噴水管：2-淬喚層：3工件;4燒嘴（二）鋼的化學(xué)熱處理將工件宜于一泄溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種化學(xué)元素的原子滲入它的表層, 以改變英化學(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝，叫做化學(xué)熱處理。常用的化學(xué)熱處理有滲碳、 滲氮、碳氮共滲和滲金屬等。1 滲碳滲碳是指將工件置于滲碳介質(zhì)中加熱保溫，使碳原子滲入表層的化學(xué)熱處理工藝。滲碳 適用于承受沖擊載荷和強烈摩擦的低碳鋼或低碳合金鋼工件，如汽車和拖拉機的齒輪、凸輪、 活塞銷等零件。英目的是在保持零件心部髙韌性的條件下，得到具有髙硬度的表而層，以提 高零件的耐磨性和疲

7、勞強度。滲碳層深度一般為0.52.0mm,含碳屋從表而到心部逐漸減少, 表而戒=0.8%1,心部仍保持原來低碳鋼的含碳疑。滲碳后必需經(jīng)淬火和回火處理后， 才能達到表面髙硬度、心部高韌性的要求。根據(jù)滲碳劑不同，滲碳可分為氣體滲碳、固體滲碳及鹽浴滲碳三種，目前常用的是前兩 種，應(yīng)用最廣泛的是氣體滲碳。（1）氣體滲碳氣體滲碳是將工件巻于密封的加熱爐（如井式滲碳爐）中,通入滲碳氣體（如煤氣、天然 氣等）或滴入易于分解和氣化的液體（如煤油、丙酮、甲醇等），并加熱到滲碳溫度（900°C 950°C）,使工件在高溫滲碳氣氛中進行滲碳的一種熱處理工藝方法，圖2-28為氣體滲碳示 意圖。圖2

8、28氣體滲碳示慰圖1 風(fēng)扇電動機:2廢氣火焰：3爐蓋:4電阻絲:5耐熱罐:&工件:7爐體氣體滲碳過程中滲碳劑在髙溫下分解，產(chǎn)生活性碳原子，其反應(yīng)式如下：2C0 (C) +CO2CH4 ->2H2 + (C) CO+HzH20+ (C)隨后活性碳原子被工件表而吸收而溶于高溫奧氏體中，并向內(nèi)部擴散形成一泄深度的 滲碳層。氣體滲碳的滲碳層質(zhì)量好，滲碳過程容易控制，生產(chǎn)率高，勞動條件較好，易于實現(xiàn) 機械化和自動化。但設(shè)備成本較高，維護調(diào)試要求較高，因此不適宜單件和小批量生產(chǎn)。(2)固體滲碳固體滲碳是將工件宜于四周填滿固體滲碳劑的密封箱中，然后放入加熱爐內(nèi)，加熱到 90(rC950

9、6;C,保溫一左時間后岀爐空冷的熱處理工藝(圖2-29)o固體滲碳劑主要由供碳劑(木炭)和催滲劑(碳酸鹽如碳酸領(lǐng))組成。苴活性碳原子是依靠 木炭的不完全燃燒所產(chǎn)生的一氧化碳在工件表而分解獲得的。因此，固體滲碳實際也是在氣 體中進行的，故滲碳的基本原理和過程與氣體滲碳相似。圖229固體滲碳裝宜1 泥封:2蓋:3試棒:4零件：5滲碳劑：6滲碳箱2.滲氮滲氮又稱氮化，將工件置于含氮介質(zhì)中加熱至500°C560°C時，介質(zhì)中分解出的活性氮 原子滲入工件表層的化學(xué)熱處理工藝。英目的是將氮原子滲入工件表而，形成以氮化物為主 的滲氮層(滲氮層深度一般為0.6 -0.7mm),以提高工件表

10、層的硬度、耐磨、耐蝕和耐疲勞 強度等多種性能，廣泛應(yīng)用于承受沖擊、交變載荷和強烈摩擦的中碳合金結(jié)構(gòu)鋼重要精密零 件，如精密機床絲杠、鐐床主軸、汽輪機的閥門、閥桿等。滲氮的方法很多，目前應(yīng)用最多的滲氮方法為氣體滲氮和離子滲氮。(1) 氣體滲氮氣體滲氮是將工件放入密閉的爐內(nèi)，加熱到5004C600°C,通入氨氣(NHJ,氨氣分 解出活性氮原子被工件表而吸收，與鋼中的合金元素Al、Cr、Mo形成氮化物，并向心部 擴散，形成一左厚度的滲層。氣體滲氮適用于含有Al、Cr、Mo等合金元素的鋼，最常用 的滲氮用鋼如38CrMoAl、35CrMo、18CrNiW等。滲氮的生產(chǎn)周期長，滲氮層薄而脆，不

11、 宜承受集中的重載荷，使?jié)B氮的應(yīng)用受到一定限制。(2) 離子滲氮離子滲氮是工件在密封爐內(nèi)作陰極，密封爐抽真空后通入氨氣，并在相對應(yīng)的陽極和陰 極之間加上500-800V的高壓直流電，使氨氣電離產(chǎn)生氮離子，在髙壓電場作用下，氮離子 轟擊陰極工件表而，在工件表而形成輝光放電并產(chǎn)生高溫。氮離子在陰極獲得電子后，還原 成氮原子，并向工件表層滲入擴散，形成滲氮層。離子滲氮具有速度快、生產(chǎn)周期短(滲氮時間僅為氣體滲氮的1/31/4)、滲氮層質(zhì)量高、 工件變形小、對材料的適應(yīng)性強(適用于各種鋼、鑄鐵和鈦等金屬材料)等優(yōu)點，目前離子 滲氮還存在投資大、裝爐量小、測溫困難及質(zhì)量不穩(wěn)立等問題，需要進一步改進，主要

12、用于 要求高的重要精密件。3. 碳氮共滲在一左溫度下，將碳、氮原子同時滲入工件表層奧氏體中，并以滲碳為主的化學(xué)熱處理 工藝稱為碳氮共滲，苴目的是提髙工件的耐磨性和疲勞強度。目前主要使用的是氣體碳氮共 滲。氣體碳氮共滲又稱氣化。高溫(820°C880 °C)破氮共滲，以滲碳為主，氣氛中含有一 立氮時，碳的滲入速度比相同溫度下單獨滲碳的速度要髙，厚度更深。低溫(52(TC58() °C) 碳氮共滲，以滲氮為主，共滲后表而形成白亮層，可大大提高工件的耐磨性和抗咬卡、抗擦 傷的性能。碳氮共滲與滲碳相比，具有加熱溫度低，零件變形小，生產(chǎn)周期短，滲層具有較高的硬 度、耐磨性和

13、疲勞強度等優(yōu)點，廣泛用于自行車、縫紉機、儀表零件，齒輪、軸類等機床、 汽車的小型零件，以及模具、量具和刃具等表而處理。四、任務(wù)實施根據(jù)20CrMnTi變速箱齒輪的工作條件、失效形式及對變速箱齒輪的技術(shù)條件要求確左: 為消除經(jīng)過鍛造的變速箱齒輪毛坯的內(nèi)應(yīng)力、細化晶粒、均勻組織，并改善切削加工性 能，為淬火作好組織準備，可采用退火或正火作為預(yù)備熱處理。由于變速箱齒輪尺寸較小， 且厚度較均勻，在正火、退火均可使用的前提下，為提髙工作效率，宜選用正火作為預(yù)備熱 處理。因零件硬度較高，除憎削加工之外不宜進行其他形式的切削加工，故最終熱處理均安排 在半精加工之后，磨削加工之前。采用的最終熱處理工藝為：先滲

14、碳，使表而碳含疑增加, 心部仍維持低的含碳量，保持心部較髙的強度和沖擊韌性；滲碳之后進行淬火和低溫回火, 使輪齒表而硬度達到高硬度要求，心部仍維持較低的硬度。變速箱齒輪的加工工藝路線為：下料-鍛造-正火-粗、半精切削加工-滲碳-淬火、低溫回火-噴丸處理-加工花鍵-> 磨端而-磨齒一> 最終檢驗五. 能力訓(xùn)練C616車床主軸的熱處理工藝主軸在機床上是傳遞動力的零件，常承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、疲勞、沖擊載荷.同時在滑動 與轉(zhuǎn)動部位受摩擦作用，因此主軸性能要求具有髙強度、硬度、足夠的韌性及疲勞強度、 變形要小。如圖2-30所示的C616車床主軸采用45鋼制造。39293835圖230 C616

15、T床主軸簡圖熱處理工藝路線為：粗加工-正火-機加工f髙頻淬火-回火-磨削1 正火：840°C86(TC, ll5h后空冷，工藝曲線如圖231所示。6) m疾220 250°C/5h時間(h)圖231機床主軸正火1：藝曲線時間(h)圖232機床主軸商頻感應(yīng)淬火回火匸藝曲線2.髙頻感應(yīng)淬火：860°C880°C水冷, 工藝如圖232所示。22062509、l5h 回火.硬度為 45-50HRC,六. 經(jīng)驗交流常見熱處理缺陷及對策1 過熱與過燒工件在熱處理時，若加熱溫度過高或保溫時間過長，使奧氏體晶粒顯著長大的現(xiàn)象稱為 過熱，過熱一般可以用正火來消除。若加熱溫度接近開始熔化的溫度，使晶界處產(chǎn)生熔化或 氧化的現(xiàn)象稱為過燒，過饒無法挽回，只能報廢。2.氧化與脫碳氧化是指工件被加熱介質(zhì)中的02、CO?、FhO等氧化后，使其表面形成氧化皮的現(xiàn)象。 脫碳是指工件表面的碳被加熱介質(zhì)中的02、CO2、HzO等燒損，使其表