變速箱齒輪熱處理工藝設(shè)計

1、1. 齒輪熱處理概述12. 零件圖23. 零件的服役條件、性能要求及技術(shù)指標(biāo)34. 材料選擇44.1零件用途44.2材料比較44.3 材料化學(xué)成分及合金元素的作用44.4 材料的相變點55. 齒輪加工制作工藝65.1傳統(tǒng)的齒輪材料的工藝路線：65.2 淬火工藝設(shè)計65.3 其他熱處理工藝86. 參考文獻151. 齒輪熱處理概述眾所周知，齒輪是機械設(shè)備中關(guān)鍵的零部件，它廣泛的用于汽車、飛機、坦克、輪船等工業(yè)領(lǐng)域。它具有傳動準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)緊湊使用壽命長等優(yōu)點。齒輪傳動是近代機器中最常見的一種機械振動是傳遞機械動力和運動的一種重要形式、是機械產(chǎn)品重要基礎(chǔ)零件。它與帶、鏈、摩擦、液壓等機械相比具有功率范圍

2、大，傳動效率高、圓周速度高、傳動比準(zhǔn)確、使用壽命長、尺寸結(jié)構(gòu)小等一系列優(yōu)點。因此它已成為許多機械產(chǎn)品不可缺少的傳動部件，也是機器中所占比例最大的傳動形式。由于齒輪在工業(yè)發(fā)展中的突出地位，使齒輪被公認(rèn)為工業(yè)化的一種象征. 得益于近年來汽車、風(fēng)電、核電行業(yè)的拉動，汽車齒輪加工機床、大規(guī)格齒輪加工機床的需求增長十分耀眼。據(jù)了解，隨著齒輪加工機床需求的增加，近年來涉及齒輪加工機床制造的企業(yè)也日益增多。無論是傳統(tǒng)的汽車、船舶、航空航天、軍工等行業(yè)，還是近年來新興的高鐵、鐵路、電子等行業(yè)，都對機床工具行業(yè)的快速發(fā)展提出了緊迫需求，對齒輪加工機床制造商提出了新的要求。據(jù)權(quán)威部門預(yù)測2012 年將達到200

3、萬噸。但我國齒輪的質(zhì)量與其他發(fā)達國家的同類產(chǎn)品相較還是具有一定的差距，主要表現(xiàn)在齒輪的平均使用壽命、單位產(chǎn)品能耗、生產(chǎn)率這幾方面上。本設(shè)計是在課堂學(xué)習(xí)熱處理知識后的探索和嘗試，其內(nèi)容討論如何設(shè)計齒輪的熱處理工藝，重點是制定合理的熱處理規(guī)程，并按此設(shè)計齒輪的熱處理方法。零件圖3. 零件的服役條件、性能要求及技術(shù)指標(biāo) 齒輪是機械工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的重要零件之一。其主要作用是傳遞動力，改變運動速度和方向。是主要零件。其服役條件如下：?齒輪工作時，通過齒面的接觸來傳遞動力。兩齒輪在相對運動過程中，既有滾動，又有滑動。因此，齒輪表面受到很大的接觸疲勞應(yīng)力和摩擦力的作用。在齒根部位受到很大的彎曲應(yīng)力作用；高

4、速齒輪在運轉(zhuǎn)過程中的過載產(chǎn)生振動，承受一定的沖擊力或過載；在一些特殊環(huán)境下，受介質(zhì)環(huán)境的影響而承受其它特殊的力的作用。因此，齒輪的表面有高的硬度和耐磨性，高接觸疲勞強度，有較高的齒根抗彎強度，高的心部抗沖擊能力。技術(shù)要求齒表硬度：5863HRC心部強度：3345 HRC屈服強度：850Mpa齒根彎曲疲勞強度：1000Mpa4. 材料選擇4.1零件用途 齒輪是汽車中的重要零件，變速箱齒輪為汽車發(fā)動機的重要部件，用于改變發(fā)動機曲軸和傳動軸的速度比。4.2材料比較齒輪常用材料有20Cr ，20CrMnTi, 18Cr2Ni4WA20Cr有較高的強度及淬透性，但韌性較差。滲碳時有晶粒長大傾向，降溫直接

5、淬火對沖擊韌性影響較大，因而滲碳后進行二次淬火提高零件心部韌性；可切削性良好，但退火后較差；20Cr為珠光體，焊接性較好，焊后一般不需熱處理。20CrMnTi 20CrMnTi是性能良好的滲碳鋼，淬透性較高，經(jīng)滲碳淬火后具有高的強度和韌性，特別是具有較高的低溫沖擊韌性，切削加工性良好，加工變形小，抗疲勞性能好。18Cr2Ni4WA18Cr2Ni4WA屬于高強度中合金滲碳鋼。18Cr2Ni4WA鋼常用于合金滲碳鋼,強度,韌性高,淬透性良好,也可在不滲碳而調(diào)質(zhì)的情況下使用,一般用做截面較大,載荷較高且韌性良好的重要零件。對于汽車來說，由于其使用條件復(fù)雜，采用調(diào)質(zhì)鋼不能保證要求，選用滲碳鋼較為合適。

6、20CrMnTi鋼采用滲碳+淬火+低溫回火，齒輪表面可以獲得5563HRC的高硬度，因淬透性較高，齒心部具有較高的強度和韌性。因而選用20CrMnTi鋼。4.3 材料化學(xué)成分及合金元素的作用4.3.1 20CrMnTi鋼的具體化學(xué)成分及含量 表1 20CrMnTi鋼的化學(xué)成分及含量（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）合金元素CCrMnTiSiSPNiCu含量（wt%）0.170.231.001.300.801.100.040.100.170.370.0350.0350.300.304.3.2 化學(xué)元素作用 C：C的含量決定了滲碳件心部的強度和韌性，從而影響零件的整體性能。一般滲碳鋼都是低碳鋼。 Cr：有利于滲碳層增

7、厚，提高鋼的淬透性，提高回火穩(wěn)定性，增加鋼的耐磨性。 Mn：提高鋼的淬透性，增加鋼的強度和硬度，有利于滲碳層增厚，細化珠光體組織以改善機械性能。 Ti：阻止奧氏體晶粒在高溫滲碳時長大，細化晶粒，并且減小滲碳層厚度。 Si：阻止碳化物形核長大，提高鋼的淬透性，提高鋼的抗回火穩(wěn)定性，提高對鋼的綜合機械性能。 S、P:都是鋼中的雜質(zhì)元素，S能明顯降低鋼的熱塑性，但能改善鋼的可切削性；P能降低鋼的強度和韌性。4.4 材料的相變點 20CrMnTi相變臨界點 牌 號 臨界溫度/鍛造加工溫度/正 火Ac1Ac3Ms加熱始鍛溫度/冷卻/硬度HBWAr1Ar3Mf終鍛20CrMnTi7308203601200

8、124011601200930950空冷156207690795850淬 火回 火溫度/淬火介質(zhì)硬度HRC不同溫度回火后的硬度值HRC150200300400500550600650860油424643414039353025175. 齒輪加工制作工藝5.1傳統(tǒng)的齒輪材料的工藝路線：下料鍛造正火齒形加工滲碳淬火低溫回火噴丸磨切削加工5.2 淬火工藝設(shè)計為了使工件獲得表硬內(nèi)韌的性能要求，工件滲碳后必須進行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，由于齒輪的材料是20CrMnTi鋼，是本質(zhì)細晶粒鋼，特別是鋼中含有的強碳化物形成元素Ti，強烈阻止奧氏體晶粒的長大，經(jīng)過長時間滲碳后奧氏體晶粒并不明顯長大，故可以用預(yù)冷直接淬火法。

9、正常加熱冷卻情況下， 工件加熱到860后，保溫一段時間，使之奧氏體化后用油冷卻至室溫，得到馬氏體和殘余奧氏體，具有較高的硬度。溫度：860 滲碳后的齒輪溫度在930左右，此時可以將齒輪留在滲碳爐中冷卻，即預(yù)冷，冷卻到860時，保溫一段時間，取出后立即放入油中，這樣對齒輪淬火，操作比較簡單，降低了成本，提高了生產(chǎn)效率，也可以達到齒輪需要的要求，且齒輪氧化、脫碳及淬火變形均小。淬火介質(zhì)：油冷 淬火設(shè)備: 淬火油槽 鋼的加熱溫度一般可根據(jù)Fe-Fe3C相圖選擇，20CrMnTi鋼為亞共析鋼，淬火加熱溫度選擇Ac3以上3050。根據(jù)滲碳后齒輪的表層含碳量的分布狀況及實踐經(jīng)驗從930預(yù)冷到860左右進行

10、油冷可以得到好的效果。淬火冷卻速度太快,奧氏體向馬氏體組織轉(zhuǎn)變劇烈、體積收縮，引起很大的內(nèi)應(yīng)力，容易造成齒輪的變形和開裂，由于20CrMnTi是合金鋼，淬透性較好，故選擇油冷減小冷卻速度，防止淬火造成齒輪變形或開裂。同時也能獲得馬氏體組織，達到較高的硬度。保溫時間的確定 淬火加熱時間包括升溫和保溫時間兩段時間，升溫時間包括相變重結(jié)晶時間，保溫時間實際上只考慮碳化物溶解和奧氏體成分均勻化所需要的時間。 在具體的生產(chǎn)條件下，淬火加熱時間常用經(jīng)驗公式計算，通過實驗最終確定。常用的經(jīng)驗公式為： = a*K*D 式中：，加熱時間，min；a，加熱系數(shù)，min/mm；K，裝爐修正系數(shù)；D，工件有效厚度，m

11、m。 加熱系數(shù)a表示工件單位厚度需要的加熱時間，其大小與工件尺寸、加熱介質(zhì)和鋼的化學(xué)成分有關(guān)，下表是常用鋼的加熱系數(shù)。 常用鋼的加熱系數(shù)工件材料工件直徑/mm600箱式爐中加熱750850鹽爐中加熱或預(yù)熱800900箱式爐或井式爐中加熱10001300高溫鹽爐中加熱碳鋼500.30.41.01.2500.40.51.21.5合金鋼500.450.501.21.5500.500.551.51.8高合金鋼0.300.400.300.350.170.2高速鋼0.300.350.160.18根據(jù)設(shè)計的20CrMnTi鋼齒輪，加熱系數(shù)a的大小取1.5。 修正系數(shù)K的值取2.2。故加熱時間為=aKD =1

12、55min2.5h因為升溫和保溫當(dāng)中有滲碳的過程，所以除去滲碳時間。齒輪的升溫時間為1.5h，所以得到保溫時間是1.0h。5.3 其他熱處理工藝5.3.1 正火溫度：930時間：保溫3個小時組織：片狀珠光體+鐵素體硬度：齒輪的表面硬度為156207HBW設(shè)備：中溫箱式爐我選擇的變速箱齒輪，它的直徑大約是200mm，內(nèi)圈直徑約為100mm，厚度約是50mm，齒輪正面的圓形面積S約為628mm2，體積V約為31400mm3.材料是低碳合金鋼20CrMnTi。它的正火溫度在950左右。考慮到中溫爐在中溫測量時比較準(zhǔn)確，因而選用中溫箱式爐。結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。標(biāo)準(zhǔn)系列中溫箱式電阻爐技術(shù)數(shù)據(jù)如表3所示。中

13、溫箱式爐結(jié)構(gòu)圖1爐殼；2爐襯；3熱電偶；4爐膛；5爐門；6爐門升降結(jié)構(gòu)；7電熱元件；8爐底板；型 號功率/kw電壓/v相數(shù)最高工作溫度/爐膛尺寸（長寬高）/mm爐溫850時的指標(biāo)空爐損耗功率/kw空爐升溫時間/h最大裝載量/kgRX(RX3-9Q)RX3-15-915380195060030025052.580RX3-30-930380395095045035072.5200 標(biāo)準(zhǔn)系列中溫箱式電阻爐技術(shù)數(shù)據(jù) 根據(jù)我選擇的齒輪大小，正火選用的電阻爐為RX3-15-9。正火工藝曲線5.3.2 滲碳 煤油是傳統(tǒng)的滲碳滴注劑，如圖5顯示了煤油熱分解氣成分與穩(wěn)定的關(guān)系。煤油價格低廉，滲碳能力強，但單獨使

14、用煤油滲碳會在高溫裂解后產(chǎn)生大量CH4和C，爐內(nèi)積碳嚴(yán)重，爐內(nèi)氣氛的成分和碳勢不穩(wěn)定，不易控制。現(xiàn)在，采用甲醇煤油混合液作為滲碳滴注劑，其中甲醇是稀釋劑，煤油是滲碳劑，可以明顯的減少炭黑。煤油熱分解氣成分與溫度的關(guān)系滲碳溫度:92010 依據(jù)：滲碳溫度在Ac3以上，考慮碳在鋼中的擴散速度等因素，采用的溫度為910930。滲碳程度的升高，碳在鋼中的擴散系數(shù)增大，滲碳速度很快，但滲碳溫度過高會造成晶粒粗大，選取t=930。 160180滴/分鐘 采用到溫加熱的方法，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)約時間，便于批量生產(chǎn)。 設(shè)備：RQ3-60-9井式滲碳爐 滲碳爐是新型節(jié)能周期作業(yè)

15、式熱處理電爐，主要供鋼制零件進行氣體滲碳。常用RQ系列滲碳井式爐的型號 型號額定功率/kW額定電壓/V相數(shù)額定溫度/工作空間尺寸（直徑深度）/mm在950時有關(guān)指標(biāo)空爐損耗功率/kW空爐損耗升溫時間/h最大裝載量/kWRQ3-35-935380395030060092.570RQ3-60-9603803950450600122.5150RQ3-75-9753803950450900142.5220根據(jù)我選擇的齒輪大小，選擇型號為RQ3-60-9系列的井式滲碳爐比較合適 齒輪在井式爐中的滲碳工藝曲線滲碳層組織表層：細針狀或隱晶馬氏體+細顆粒狀彌散均勻分布的碳化物+少量殘余奧氏體；心部：細晶粒低碳

16、馬氏體組織；表層與心部之間：高碳馬氏體+殘余奧氏體。 滲碳層中有25%30%的殘余奧氏體時，有利于提高接觸疲勞強度；表面粒狀碳化物增多，提高表面耐磨性及接觸疲勞強度，但碳化物數(shù)量過多將使沖擊韌度，疲勞強度等性能降低。5.3.3 回火 齒輪淬火后具有較高的強度和硬度，其淬火組織主要是韌性很差的孿晶馬氏體，有較大的淬火內(nèi)應(yīng)力和一些微裂紋，所以回火應(yīng)該及時點。在180回火能使孿晶馬氏體中過飽和的固溶碳原子沉淀析出彌散分布的碳化物，既可以提高鋼的韌性，又保持了鋼的硬度、強度、耐磨性。在180回火時，大部分裂紋已經(jīng)焊合，可大大減輕工件的脆裂傾向。低溫回火得到隱晶的回火馬氏體及在其上分布的均勻細小的碳化物

17、顆粒，硬度可以達到55HRC以上。 回火的保溫時間：2h 回火時間一般為13小時在空氣爐中保溫時間有效厚度/mm2020404060608080100保溫時間/min30454560609090120120150 合金鋼的保溫時間按上述表格中所列出的時間增加20%30%，空氣爐低溫回火的保溫時間不得低于120min；裝爐量大時，保溫時間應(yīng)適當(dāng)延長。所以齒輪的保溫時間確定為2h。 材料的組織及性能 加熱溫度為180。加熱到100時馬氏體開始分解，共格析出-碳化物，回火保溫足夠長的時間后得到回火馬氏體，硬度和耐磨性高。低溫回火時馬氏體中過飽和碳原子以碳化物的形式逐步析出, 馬氏體晶格畸變程度減弱,

18、內(nèi)應(yīng)力有所降低。此時的回火組織由馬氏體和碳化物組成, 稱為回火馬氏體。雖然馬氏體的分解使-Fe中碳的過飽和程度降低,鋼的硬度相應(yīng)下降,但析出的碳化物又對基體起強化作用, 部分的殘余奧氏體分解為回火馬氏體, 所以鋼仍保持很高的硬度和耐磨性和一定的韌性。鋼中含有的Si元素能提供鋼的回火抗性，Cr元素能提高回火穩(wěn)定性。回火設(shè)備：低溫箱式爐低溫箱式爐的最高工作溫度為650，用于鋼鐵零件淬火后的回火和時效處理，也可以作鋁合金的淬火加熱用。其零件的加熱是靠對流和輻射完成的，在爐頂或爐的后墻上安裝風(fēng)扇以及導(dǎo)風(fēng)裝置，強迫爐內(nèi)氣體的循環(huán)，來提高爐膛的溫度均勻性和傳熱效果。低溫箱式電阻爐技術(shù)數(shù)據(jù)型號功率/kW工作溫度/爐膛尺寸（長寬高）/mm最大裝載量/kgRX31561565060030025080RX37567565018009005501200KH950370650127610601100700KH86176035018009505502100 根據(jù)我選