20CrMnTi解放牌载重汽车变速箱变速齿轮热处理工艺设计

目录1. 绪论31.1 引言31.2 20CrMnTi 钢的基本性质41.2.1 钢的化学成分和力学性能41.2.2 合金元素的作用51.2.3 淬透性51.3 解放牌汽车变速箱变速齿轮的热处理工艺设计51.3.1 服役条件61.3.2 失效形式61.3.3 性能要求72. 20CrMnTi 钢变速齿轮生产工艺路线及分析92.120CrMnTi 钢变速齿轮生产工艺路线92.2 各种加工工艺路线的分析92.2.1 等温正火92.2.2 渗碳淬火回火92.2.3 喷丸112.2.4 检验113. 各种热处理后的金相组织分析123.1 20CrMnTi 等温正火后金相组织123.2 20CrMnTi 淬火、回火处理金相组织134. 热处理工艺过程中的质量检验项目154.1 渗碳淬火后齿轮的检验项目、内容和要求154.2 渗碳齿轮的常见缺陷及防止措施165. 质量控制与检验方法195.1 随炉试样检验195.2 齿轮热处理质量检验22总结24致谢25参考文献26 1. 绪 论1.1 引言 热处理工艺是金属材料工程的重要组成部分。现代工业的飞速发展对机械零部件的要求愈来愈高，因此通过热处理可以改变材料的加工工艺性能，充分发挥材料的潜力，提高工件的使用寿命。热处理不仅对锻造机械加工的顺利进行和保证加工效果起着重要作用，而且在改善或消除加工后缺陷，提高工件的使用寿命等方面起着重要作用。为获得理想组织性能，保证零件在生产过程中的质量稳定性和使用寿命，就必须从工件的特点、要求和技术条件，认真分析产品在使用过程中的受力状况和可能的失效形式，正确选择材料；再根据生产规模、现场条件、热处理设备提出几种可行的热处理方案，最后根据其经济性、方便性、质量稳定和便于管理、降低成本等因素，确定出一种最佳方案。 本设计便是对 20CrMnTi 解放牌载重汽车变速箱变速齿轮热处理工艺进行详细的说明，从选材下料到热处理工艺路线，以及最后的质量检验、可能产生的缺陷及预防措施等，都进行逐一分析和讲解，尽可能的将整个过程详尽的展现出来，从而对大家有所帮助。1.2 20CrMnTi 钢的基本性质 20CrMnTi 齿轮钢是为含碳量为 0.17-0.24的低碳钢。汽车上多用其制造传动齿轮，是中淬透性渗碳钢中 CrMnTi 钢其淬透性较高在保证淬透情况下具有较高的强度和韧性特别是具有较高的低温冲击韧性，其焊接性中等，正火后可切削性良好。用于制造截面30 mm 的承受高速、中等或重载荷、冲击及摩擦的重要零件，如齿轮、齿圈、齿轮轴十字等。20CrMnTi 表面渗碳硬化处理用钢。良好的加工性特加工变形微小抗疲劳性能相好。1.2.1 钢的化学成分和力学性能 表 1-1 钢的化学成份碳 C：0.170.23 硅 Si：0.170.37锰 Mn：0.801.10 硫 S:允许残留含量0.035磷 P: 允许残留含量0.035 铬 Cr:1.001.30镍 Ni: 允许残留含量0.035 铜 Cu：允许残留含量0.035钛 Ti:0.040.10 表 1-2 钢的力学性能抗拉强度 bMPa 1080110屈服强度 sMPa 83585伸长率 5 10断面收缩率 45冲击功 AkvJ 55冲击韧性值 kvJ/cm2 697硬度 217HB1.2.2 含碳量及合金元素的作用 20CrMnTi 齿轮钢是为含碳量为 0.17-0.24的低碳钢。根据该齿轮的工作特点，结合其使用要求，应选用低合金渗碳钢，一是含有较多的合金元素，确保了渗碳后淬透性，减少齿轮的 变形量。二是齿轮基体的强度和韧性得到了保障，能够满足齿轮的工作需要。含碳量低可使齿轮心部具有良好的韧性。 合金元素铬和锰的存在提高了淬透性，心部得到低碳马氏体组织，增强了钢的强度；而铬元素还有促进渗碳、提高渗碳速度的作用；锰具有减弱渗碳时表面含碳量过高的作用；而钛阻止晶粒的长大，提高轴承钢的强度和韧性。1.2.3 淬透性 淬透性的波动范围直接影响到齿轮的产品质量。淬透性过低，则制成的齿轮渗碳淬火后，心部硬度低于技术条件规定的数值，疲劳试验时，齿轮的疲劳寿命降低；若淬透性过高，则齿轮渗碳淬火后，内孔收缩量过大而影响齿轮装配。 在 20CrMnTi 钢中，碳、锰元素显著增强其淬透性，铬元素则影响不大，钛元素对淬透性的影响有两个方面：当 Ti0.07时，提高淬透性；Ti0.07时，则降低钢的淬透性。1.3 解放牌汽车变速箱变速齿轮的热处理工艺设计 齿轮是机械设备及汽车中的重要零件，变速箱齿轮为汽车、拖拉机等发动机的重要部件，用于改变发动机曲轴和传动轴的速度比。故齿面在较高的载荷冲击载荷和交 变载荷等下工作，因此磨损快。在工作过程中，通过齿面的接触 传递动力，两齿面在相对运动过程中，既有滚动也有滑动，存在较大的压应力和摩擦力，经常换挡使齿端部受到冲击。要求变速箱齿轮具有高的抗弯强度、接触疲劳强度和良好的耐磨性，心部有足够的强度和冲击韧性。齿轮在传递力及改变速度的运动过程中啮合齿面之间既有滚动，又有滑动而且齿面还受到脉动或交变弯曲应力的作用。1.3.1 服役条件 A 汽车齿轮的工作条件比机床要繁重得多，它们经常在较高的载荷下工作磨损亦较大。 B 在汽车运行中由于齿根受着突然变载的冲击载荷以及周期变动的弯曲载荷，会造成轮齿的脆性断裂或弯曲疲劳破坏。 C 轮齿的工作面承受着较大的压应力及摩擦力，会造成麻点、接触疲劳破坏及深层剥落，由于经常换档，齿的端部经常受到冲击，也会造成轮齿的端部破坏。 因此在耐磨性、疲劳强度、心部强度和冲击韧性等方面的要求均比机床齿轮高。1.3.2 失效形式（1）疲劳断裂 齿轮在交变应力和摩擦力的长期作用下，导致齿轮点面接疲劳断裂。其产生是由于当齿轮受到弯曲应力超过其持久极限就出现疲劳破坏而超过材料抗弯强度时，就造成断裂失效；（2）表面损伤 a 点蚀：是闭式齿轮传动中最常见的损坏形式，点蚀进一步发展，表现为蚀坑至断裂 b 硬化层剥落：由于硬化层以下的过渡区金属在高接触应力作用下产生塑性变形，使表面压应力降低，形成裂纹造成碳化层剥落；3磨损失效 a 摩擦磨损：汽车、拖拉机上变速齿轮属于主载荷齿轮，受力比较大，摩擦产生热量较大，齿面因软化而造成塑性变形，在齿轮运转时粘结而后又被撕裂，造成齿面摩擦磨损失效 b 磨粒磨损：外来质点进入相互啮合的齿面间，使齿面产生机械擦伤和磨损，比正常磨损的速度来得更快。 另外，齿轮除上述失效形式外，还有在换档时，齿端相互撞击，而造成的齿端磨损，或因换档过猛或过载造成断裂以及齿面塑性变形，崩角等失效形式。1.3.3 性能要求 根据变速齿轮服役条件及失效形式，对齿轮的性能作如下要求： （1）有较高的弯曲疲劳强度； （2）表面有高的硬度和耐磨性； （3）具有高接触疲劳抗力； （4）足够的塑性和韧性； （5）高的淬透性。 由于传递扭矩，齿根要承受较大的弯曲应力和交变应力由于传递扭矩，齿根要承受较大的弯曲应力和交变应力?虼艘蟊砻娓哂捕取吣湍裕撼菝嬗捕?58-64HRC ，心部硬度 30-45HRC。 由于变速箱齿轮转速变化范围广，齿轮表面承受较大的接触应力，并在高速下承受强烈的磨擦力 轮齿在交变应力的作用下，长时间工作可能发生疲劳断裂 齿面在强磨擦作用下可能发生磨损和点蚀现象因此要求齿面有高的接触疲劳强度。 由于工作时不断换档，轮齿之间经常要承受换档造成的冲击与碰撞齿轮心部韧性过低时，在冲击作用下可能发生断裂 齿根高的弯曲 （强度 b1000Mpa） 因此要求齿轮心部较高强度、 ； （a 高韧性 k 60J/cm ）。 2. 20CrMnTi 钢变速齿轮加工工艺路线及分析2.1 变速箱齿轮常用的加工工艺路线 下料锻造等温正火机械加工渗碳淬火回火喷丸磨削检验。2.2 各种工艺路线的分析2.2.1 等温正火 锻坯等温正火是为消除内应力，改善、细化组织，为后续加做 准备，便于切削加工。设备：RJX-75-9 930950 60010 2 1 空冷 t/h 图 2-1 正火工艺曲线2.2.2 渗碳淬火回火a 渗碳：使机械零件获得高的表面硬度，耐磨性和高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度。 渗碳温度：920950，保温时间按渗碳层深度确定，取 t6h，渗碳层深度：1.81.9mm 20CrMnTi 渗碳采用井式气体渗碳炉渗碳，渗碳气体使用碳氢化合物有机液体，如煤油、丙酮等直接滴入炉内气体而得，为提高渗入速度，是表面达到合适的含碳量，将渗入过程分两个过程进行，即渗入阶段和扩散阶段。b 淬火：20CrMnTi 经渗碳后直接进行淬火。 齿轮渗碳后可预冷到 870880并保温一段时间，预冷过程中渗碳层析出二次渗碳体，深层中残余奥氏体量减少，预冷温度不应过低，以免心部游离铁素体增多，降低心部硬度，预冷应在炉内进行，并应防止表面脱碳，选择 870，预冷 2h。 淬火介质选择 10机械油，因为 20CrMnTi 淬透性好，油淬临界直径 DO40mm 油淬后可减少渗碳层中残余奥氏体，提高耐磨性和接触疲劳强度而心部有较高强度和韧性，淬火表面硬度 HRC5863心部HRC3345。设备：RQ3-75-9T。 其渗碳后淬火工艺路线如下： 图 2-3 渗碳淬火工艺曲线c 回火：淬火后，工件内存在淬火应力，为消除残余应力，选择低温回火。低温回火温度为 180200，渗碳件选择下限，回火后需经磨削或喷丸处理，故选择 180，保温 2h 出炉空冷，其硬度 HRC5663。显微组织为回火马氏体残余奥氏体。设备：RJ2-75-6。其回火工艺路线如下： 180200 2h 空冷 t/h 图 2-3 回火工艺曲线2.2.3 喷丸处理 喷丸处理不仅是一个清洁工序，而且对齿轮的使用性能也有较大影响，但只有当喷丸时间足够长的情况下，喷丸对齿面抗麻点剥落性能才会得到有利的影响，如喷丸时间较短，则由于齿面光洁度差反而使寿命降低，喷丸对齿轮弯曲疲劳性能是有利的，但应注意使丸粒直射齿根。2.2.4 检验： a. 外观：表面无损伤、烧伤、严重腐蚀等缺陷； b. 渗层深度：1.81.9mm； c. 硬度：心部 3345HRC，齿面 5862HRC； d. 金相组织：马氏体残余奥氏体 3 各种热处理工艺后的金相组织分析3.1 20CrMnTi 等温正火后金相组织如下所示：20CrMnTi锻造后等温正火处理的金相图如下所示: 图 3-1100 图 3-2（500） 浸蚀方法：4硝酸酒精溶液浸蚀 组织说明：均匀细小等轴状的珠光体和铁素体组织 20CrMnTi 是一种渗碳用钢，渗碳前一般应进行正火处理，以细化晶粒、改善组织分布，为正常渗碳作好组织准备。3.2 20CrMnTi（930渗碳后淬火、回火处理）金相组织如下图所示： 20CrMnTi渗碳后淬火、回火处理金相图 图 3-3100 图 3-4400 图 3-5400 浸蚀方法：4硝酸酒精溶液浸蚀 组织说明：图 3-3：表面渗碳层至心部组织分布形貌，回火温度较低，表面合金 高碳马氏体区较难浸蚀。图 3-4：齿的节圆处渗碳层组织，针状及隐针状马氏体34 级，残 余奥氏体8 级，白色小条状碳化物45 级。图 3-5：齿角处渗碳层组织，基本与节圆相同，但碳化物趋网状分布， 可评为 78 级。 4 热处理工艺过程中的质量检验项目4.1 渗碳淬火后齿轮的检验项目、内容和要求检验项目 检验内容及要求原材料质量 用试样检查 化学成分、低倍组织、晶粒度、淬透性、带状组 织毛坯力学性能 用试样检查 检查布氏硬度，按图样检查b、0.2、 Ak外观质量 用齿轮检查 渗碳淬火后100检查表面氧化、裂纹及碰伤渗层深度 用试样检查 按图样要求，从表面测到HV550深度处为有效硬化 层深度，显微检查渗碳总深度时，碳钢为过共析共析1/2 过渡区；合金钢为过共析共析全部过渡区。?参觯参?层应占总深度为5070表面硬度 用齿轮检查 按图样要求，为HRC5862心部硬度组织 用齿轮检查 按图样要求，为HRC3345 心部组织 为板条马氏体少量铁素体表面碳浓度 用试样检查 按图样要求，为0.751.0表层显微组织 用试样检查 按ZB/T04 001-1988检查，细针马氏体分散细小 碳化物少量残余奥氏体为佳，按标准图，马氏体和残余奥氏 体15表面裂纹 不允许有裂纹100磁粉探伤批量件5件可抽查齿部磁粉探伤 模数/mm 缺陷最大尺寸/mm 2.5 0.8 2.58 1.6 8 2.4畸变 用齿轮检查 按图样和工艺要求检查4.2 渗碳齿轮的常见缺陷及防止措施缺陷名称 产生原因 防止措施毛坯硬度偏高 正火温度偏低或保温时间 应重新制订正火工艺；检查控 不足使组织中残留少量硬 温仪表，校准温度，控制正火 度较高（HV250）的魏氏 冷却速度 组织，正火温度超过钢材 晶粒显著长大的温度毛坯硬度偏低 正火冷却过缓 重新正火，加强冷却带状偏析 钢 材 合 金 元 素 和 杂 质 偏 更换材料 析，一般正火难以消除层深不足 碳势偏低；温度偏低或渗 提高碳势；检查炉温，调整工 期不足 艺，延长渗碳时间渗层过深 碳势过高，渗碳温度偏高； 降低碳势；缩短周期，调整工 渗期过长 艺渗层不均 炉内各部分温度不均；碳 齿轮表面清洗干净；合理设计 势不均；炉气循环不佳； 夹具；防止齿轮相互碰撞；在 工件相互撞碰；齿面有脏 齿轮料盘上加导流罩，保证炉 物；渗碳时在齿面结焦 内各部温度均匀；严格控制渗 碳剂中不饱和碳氢化合物过 共 析 共 析 炉气碳势过高；强渗和扩 降低碳势；调整强渗与扩散期层比例过大（大 散时间的比例选择不当 的比例，如果渗层深度允许，于总深度的3 可返修进行扩散处理4）过 共 析 共 析 炉气碳势过低，强渗时间 提高炉气碳势；增加强渗时间；层比例过小（小 过短 可在炉气碳势较高的炉中补渗于总深度的12）表 面 碳 浓 度 过 炉气碳势过高，强渗时间 降低碳势，缩短强渗时间；如高 形 成 大 块 碳 过长 果渗层深度允许，可在较低碳化物网 势炉中进行扩散处理；适当提 高淬火温度；进行一次渗层的 球化退火表 面 残 留 奥 氏 碳含量过高；渗后冷却过 调整渗碳工艺控制碳含量；从体过多 快，碳量析出不够，淬火 渗碳炉或预冷炉中出炉的温度 温度偏高 不宜过高；降低淬火温度表 面 含 碳 量 过 炉气碳势过低，炉温偏高； 提高碳势；检查炉温，调整强低 扩散时间过长 渗与扩散时间的比例表层马氏体针 淬火温度偏高 降低淬火温度粗大表 层 出 现 非 马 升温排气不充分；炉子密 从设备和工艺操作上减少空气氏体组织 封性差，漏气，使表层合 进入炉内；适当提高淬火冷却 金元素氧化，淬火冷却速 速度；在渗碳最后10min左右通 度低 入适量氨气表层脱碳 渗后出炉温度过高；炉子 防止炉子漏气；降低出炉温度； 出现严重漏气；淬火时产 控制淬火时炉内气氛；盐炉淬 生氧化 火脱氧要充分；补渗碳心部硬度偏低 淬火温度过低；冷却速度 提高淬火温度；加强淬火冷却； 不当，心部游离铁素体过 采用两次淬火；更换材料 多；选材不当畸变 淬火温度偏高；冷却方法 调整淬火工艺，合理设计夹具， 不当；夹具设计不合理， 改善冷却条件，改换钢材 材料选择不当 5 质量控制与检验方法5.1 随炉试样检验1表面硬度 根据有效硬化层浓度选用洛氏、表面洛氏等硬度计，选择方法见表 5-1 或按各行业规定，并按 GB/T230 或 GB1818 规定检测。硬度值应符合图样技术要求。 表 5-1 有效硬化层深度 硬度范围 硬度计量类别 mm 7580 0.30.5 HR30N 6369 0.50.8 HR45N 5862 0.8 HRC2心部硬度 心部硬度值一般要求 3045HRC，可由设计者根据齿轮使用条件规定。 a 齿形试样心部硬度的测定位置参见 GB8539。 b 当用圆棒试样时，在试棒长度中部截取 10mm 厚的试样，在试样横截面中心处测定。试样尺寸与模数关系应符合表 5-1。3有效硬化层深度 a 对于渗碳淬火后需加的齿轮，渗碳的工艺层深应为图样上标湛刘的深度加上轮齿单侧的加工余量。 b 有效硬化层深度的测定应以硬度法为准，测定部位按 GB8539 规定，测定方法按 GB9450、GB4340 规定，也可按各行业规定或生产厂与用户的协议。 c 用金相法、断口法检测渗层深度时，应预先找出与硬度法测定有效硬化层深度的关系，以保证成品齿轮满足图样技术要求。 d 当图样要求测定齿根有效硬化层深度时，应在齿形试样的法截面上向内测定。 e 若随炉试样有效硬化层深度不符合技术要求，则从该批中至少再抽取一件齿轮解剖测定，并以其测定结果为准。4表层含碳量 a 表层含碳量为表面至 0.10mm 深度范围的平均含碳量。 b 如无特殊要求，表层含碳量一般控制在 0.81.0范围内，原则上不低于相应钢材的共析含碳量。 c 表层含碳量为表面至 0.10mm 深度范围的平均含碳量。 d 如无特殊要求，表层含碳量一般控制在 0.81.0范围内，原则上不低于相应钢材的共析含碳量。 e 表层含碳量可用试样剥层进行化学分析，也可用金相法判别或用直读光谱仪分析。 f 应用各种碳控技术对渗碳过程进行控制时，应预先找出各种钢材渗碳时，其表层含碳量与气氛碳势的关系。 g 当新产品试制或工艺调试时，应检验表层含碳量。在批量生产中，若渗碳过程无任何气氛控制措施时，应定期检验表层含碳量。5表层组织