1、汽车变速箱齿轮课程设计-本页仅作为预览文档封面，使用时请删除本页-汽车变速箱齿轮课程设计(总31页)J I A N G S U U N I V E R S I T Y金属材料综合课程设计 -汽车变速箱齿轮热处理工艺设计1.零件图图1 变速箱齿轮示意图2. 零件的服役条件、性能要求及技术指标齿轮是机械工业中应用最广泛的重要零件之一。其主要作用是传递动力，改变运动速度和方向。是主要零件。其服役条件如下：齿轮工作时，通过齿面的接触来传递动力。两齿轮在相对运动过程中，既有滚动，又有滑动。因此，齿轮表面受到很大的接触疲劳应力和摩擦力的作用。在齿根部位受到很大的弯曲应力作用；高速齿轮在运转过程中的过载产生
2、振动，承受一定的冲击力或过载；在一些特殊环境下，受介质环境的影响而承受其它特殊的力的作用。因此，齿轮的表面有高的硬度和耐磨性，高接触疲劳强度，有较高的齿根抗弯强度，高的心部抗冲击能力。高速高载齿轮技术要求如下：齿表硬度：5056HRC渗碳层深度为：mm3. 材料选择高速、高载、承受较大冲击载荷的齿轮，一般采用低碳合金渗碳钢或碳氮共渗钢，工作时表面承受很大的接触疲劳应力和摩擦力的作用，高速转动承受一定的冲击力或过载。材料比较及选择齿轮常用材料有20CrMnTi,20CrMo,20Cr,40Cr1)20CrMnTi是性能良好的渗碳钢，淬透性较高，经渗碳淬火后具有硬而耐磨的表面与坚韧的心部，具有较高
3、的低温冲击韧性，焊接性中等，正火后可切削性良好。用于制造截面30mm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、齿轮轴十字头等。是18CrMnTi的代用钢，广泛用作渗碳零件，在汽车.拖拉机工业用于截面在30mm以下，承受高速.中或重负荷以及受冲击.摩擦的重要渗碳零件，如齿轮.轴.齿圈.齿轮轴.滑动轴承的主轴.十字头.爪形离合器.蜗杆等。2)20CrMo淬透性较高，无回火脆性，焊接性相当好，形成冷裂的倾向很小，可切削性及冷应变塑性良好。一般在调质或渗碳淬火状态下使用，用于制造在非腐蚀性介质及工作温度低于 250、含有氮氢混合物的介质中工作的高压管及各种紧固件、较高级的渗碳零件，
4、如齿轮、轴等。3)20Cr有较高的强度及淬透性，在油中临界淬透直径达4 22mm，在水中临界淬透直径达1140mm，但韧性较差，此钢渗碳时仍有晶粒长大倾向，降温直接淬火对冲击韧性影响较大，所以渗碳后需二次淬火以提高零件心部韧性，无回火脆性；钢的冷应变塑性高，可在冷状态下拉丝；可切削性在高温正火或调质状态下良好，但退火后较差；20Cr为珠光体，焊接性较好，焊后一般不需热处理，但厚度大于15mm的零件在焊前需预热到100150，焊后也可不进行回火热处理。4) 40Cr 中碳调质钢，冷镦模具钢。该钢价格适中，加工容易，经适当的热处理以后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性。正火可促进组织球化，改进硬度小于
5、160HBS毛坯的切削性能。在温度550570进行回火，该钢具有最佳的综合力学性能。这种钢经调质后用于制造承受中等负荷及中等速度工作的机械零件；经淬火及中温回火后用于制造承受高负荷、冲击及中等速度工作的零件；经淬火及低温回火后用于制造承受重负荷、低冲击及具有耐磨性、截面上实体厚度在25mm以下的零件；经调质并高频表面淬火后用于制造具有高的表面硬度及耐磨性而无很大冲击的零件。此外，这种钢又适于制造进行碳氮共渗处理的各种传动零件。通过使用性能，工艺性能及经济性的比较选用20CrMnTi钢，由于钢中含有Cr能够提高淬透性，Cr还是碳化物形成元素，提高回火稳定性；Mn能增加钢的强度和硬度，还有脱硫的功
6、效，也能提高钢的淬透性；Ti是强碳化物形成元素，在钢中生成MC型碳化物，对提高钢的耐磨性和细化晶粒有一定的好处。20CrMnTi钢采用渗碳+淬火+低温回火，齿轮表面可以获得5563HRC的高硬度，因淬透性较高，齿心部具有较高的强度和韧性。因而选用20CrMnTi钢。20CrMnTi的含碳量为属于低碳钢,渗碳时保证了碳元素的正常渗入。淬火热处理后心部获得低碳马氏体,以保证心部具有足够的塑性和韧性,抵抗冲击载荷。钢中合金元素为Cr、Mn、Ti850淬 火回 火温度/淬火介质硬度HRC不同温度回火后的硬度值HRC150200300400500550600650860油4246434140393530
7、25174. 加工路线及工艺工艺路线：锻造正火齿形加工渗碳淬火低温回火喷丸校正花键孔磨齿工艺比较1） 预备热处理通常20CrMTi选用正火或调质处理作为预备热处理，其目的是降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工；细化晶粒，均匀钢的组织及成分，改善钢的性能，为以后的热处理作准备；消除锻造应力，防止变形和开裂，保证齿形合格。对于重要的齿轮用调质来改善钢的性能。在切削加工时，为了不致发生“粘刀”现象和使刀具严重磨损，通过改善金相组织控制钢的硬度。实践证明，为了防止锻造毛坯在预备热处理中产生粒状贝氏体影响钢的力学性能，工艺可采用淬火后680700高温回火（即调质）来替代原来的正火。高温回火后得到回火索
8、氏体组织，应力集中倾向小，硬度降低至200HB330HB，切削性能较好。调质钢与正火钢相比不仅强度较高，而且塑性、韧性远高于后者，同时锻造应力得到充分的消除，满足了机械加工要求，在生产中已取得了良好的经济效益。正火是将钢加热到Ac3以上3050，保温足够的时间后出炉在空气中冷却到室温。对于一般的齿轮采用正火，正火可以减少碳和其他合金元素的成分偏析；使奥氏体晶粒细化和碳化物的弥散分布，以便在随后的热处理中增加碳化物的溶解量。由于正火的冷却速度较快，获得细小的片层状渗碳体珠光体，强度、硬度都较高，力学性能较好。然而正火工艺是空冷，对于尺寸较大零件，内外温差大冷却速度不稳定，在连续冷却时，过冷奥氏体
9、在A1550温度范围内分解为珠光体，在550Ms温度范围内，因转变温度较低转变为贝氏体组织，其特征是过饱和碳的铁素体中分布粒状或长条状的碳化物。锻造毛坯正火产生的粒状贝氏体引起硬度增高，导致了齿型加工困难，使刀具早期磨损。对于车辆齿轮或大批量的小型齿轮越来越多采用等温正火工艺。对于模数、直径较大的质量要求高的工业齿轮通常采用调质作为预备热处理。综上，对于汽车变速箱齿轮采用正火工艺作为预备热处理。2） 化学热处理渗碳工艺渗碳工艺可使齿轮具有很好的综合力学性能，因此在汽车齿轮的生产中应用最广泛。目前，世界上汽车齿轮生产所采用的渗碳工艺主要是气体渗碳，气体渗碳是低碳钢生产所采用的最广泛的表面硬化工艺
10、，国外已实现通过计算机可控渗碳深度和表面硬度，从而得到最佳的渗碳层深度和最小的变形。碳氮共渗工艺碳氮共渗工艺具有在给定时间内有效提高渗层深度、获得较高硬度、保证奥氏体晶粒细小、减小零件变形、提高齿轮强度和耐磨性能等优点而被频繁使用。随着对齿轮质量要求的提高，碳氮共渗工艺由于渗层组织性能不易控制稳定，获得较深渗层所需的时间长，该工艺使用日渐减少，只有少数小模数低负荷的汽车齿轮才允许采用。渗氮工艺渗氮工艺是传统热处理工艺之一，然而其能否成功地在汽车齿轮上应用一直存在疑虑和争论，主要是渗氮齿轮的承载能力问题，因而长期以来渗氮齿轮的应用受到限制。如美国石油协会规定经渗氮的齿轮，只能承受渗碳齿轮接触疲劳
11、极限的75，而对齿轮的弯曲疲劳极限也要相应降低30。然而，渗氮工艺由于温度低、畸变小以及加工工序少而使成本降低的优点，近年来在齿轮上的应用比较广泛。综上，本次采用气体渗碳传统工艺作为化学热处理。 工艺设计 正火温度：930时间：保温3个小时组织：片状珠光体+铁素体硬度：齿轮的表面硬度为156207HBW设备：中温箱式炉我选择的变速箱齿轮，它的直径大约是200mm，内圈直径约为100mm，厚度约是50mm，齿轮正面的圆形面积S约为628mm2，体积V约为31400mm3.材料是低碳合金钢20CrMnTi。它的正火温度在950左右。考虑到中温炉在中温测量时比较准确，因而选用中温箱式炉。结构图如图2
12、所示。标准系列中温箱式电阻炉技术数据如表3所示。图2 中温箱式炉结构图1炉壳；2炉衬；3热电偶；4炉膛；5炉门；6炉门升降结构；7电热元件；8炉底板；型 号功率/kw电压/v相数最高工作温度/炉膛尺寸（长宽高）/mm炉温850时的指标空炉损耗功率/kw空炉升温时间/h最大装载量/kgRX(RX3-9Q)RX3-15-9153801950600300250580RX3-30-93038039509504503507200 表3 标准系列中温箱式电阻炉技术数据 根据我选择的齿轮大小，正火选用的电阻炉为RX3-15-9。装炉量：6个齿轮在箱式炉中的热处理 为了让齿轮在箱式炉中受热均匀，可以用耐火材料
13、制成料架放进箱式炉中，然后将齿轮放在架子上，进行加热。如图3所示。图3 箱式炉内部示意图粗加工前，正火选用的炉子是中温箱式炉，型号为RX3-15-9，炉膛尺寸（长宽高/mm）为600300250，图中的盛放齿轮的架子为3层，每层可以放两个齿轮，共计6个，可以用钳子将齿轮送进去。正火工艺曲线如图4所示。图4 正火工艺曲线 渗碳1渗碳剂的选择：甲醇、煤油 滴注式气体渗碳的渗碳剂一般为甲醇（形成载气），煤油、丙酮、醋酸乙酯（形成富化气）等，作为渗碳剂的有机溶剂，要求其单位液体加热分解后能产生的气体体积大，碳氧比大，碳当量（产生1mol活性碳所需的有机液体的质量）小，气氛中的CO和H2的含量稳定，价格
14、低廉、货源充足、安全性好。表4列出了几种常用作渗碳剂的几种有机溶剂的碳当量、碳氧比。 表4 常用的有机液体的渗碳特性名称分子式碳当量/g碳氧比用途甲醇CH3OH1稀释剂乙醇C2H5OH462渗碳剂丙酮CH3COCH3293强渗碳剂乙酸乙酯CH3COOC2H5442渗碳剂煤油航空煤油、灯用煤油主要成分：C9C14和C11C17的烷烃强渗碳剂 煤油是传统的渗碳滴注剂，如图5显示了煤油热分解气成分与稳定的关系。煤油价格低廉，渗碳能力强，但单独使用煤油渗碳会在高温裂解后产生大量CH4和C，炉内积碳严重，炉内气氛的成分和碳势不稳定，不易控制。现在，采用甲醇煤油混合液作为渗碳滴注剂，其中甲醇是稀释剂，煤油
15、是渗碳剂，可以明显的减少炭黑。为了保证甲醇和煤油裂解反应充分进行，应保证四个条件：一是炉气静压1500Pa；二是滴注剂必须直接滴入炉内；三是加溅油板；四是滴注剂通过400700温度区的时间。图5 煤油热分解气成分与温度的关系 准备 a. 按照井式气体渗碳炉的操作规程检查设备，确保设备正常运转。新炉或更换炉衬的炉子，工件渗碳前应对炉罐和挂具进行预先渗碳。预先渗碳时间一般为：新炉罐812h，旧炉罐4h左右，挂具4h。 b. 清除工件表面油污、锈斑、毛刺和水迹（常用10%的Na2CO3水溶液、汽油或四氯化碳等作清洗介质，以除去油污及其他污染；对有锈的工件，可用砂纸打磨或进行喷砂，或用10%的硫酸水溶
16、液（4080）浸洗，酸洗后应有碱中和并清洗干净），确保工件表面无碰伤或裂纹。 c. 对工件的非渗碳部位进行涂防渗涂料，其厚度一般应。此外还可以采取预留加工量，或对不需要渗碳部位用紧密固定的钢套及轴环等宝华方法。 d. 试样的准备 试样的材质应与工件相同。试样有两种：一种是10mm100mm的炉前试棒，用于确定出炉时间；另一种是与工件形状相似的随炉试块，与工件一起处理，用于检查渗碳层深度及金相组织。 e. 检查渗剂的数量是否充足。 f. 应定期清理炉内炭黑，以免引起碳层不均。 工件装炉 a. 将工件装入料框或挂在吊具上，我的方法是放在我个人设计的托盘上，然后独个的用吊车吊放在井式炉中，装吊方式要
17、有利于减少工件的变形。 b. 若每层放入的工件不止一个，工件相互间或工件与料框间的间隙应大于5mm，层与层之间也可用丝网隔开，以保证渗碳气氛的流通，使渗碳层均匀。 c. 在每筐有代表性的位置处方一块试块。 d. 装炉重量及装料总高度硬小于设备规定的最大装载量和炉膛有效尺寸。 e. 材质相同、渗碳层技术要求相同、渗碳后热处理方式相同的工件，放在同一路生产。 操作过程 a. 升温装炉。将空炉升温至600，启动风扇，在800开始滴入渗剂，到渗碳温度930即可装炉（严禁在750时向炉内滴入任何有机液体，以防止低温下其滴入炉内造成爆炸）。 b. 工件装炉后，肯定会导致炉温下降，此时应控制炉子的升温速度，
18、使工件各部分之间不产生明显的温差。20CrMnTi钢是亚共析钢，原始组织为铁素体+珠光体，当温度超过Ac1线时，珠光体转变为奥氏体，该转变的驱动力为珠光体与奥氏体的自由焓差。当温度超过Ac3线时，会发生铁素体与奥氏体之间的相互转变。当奥氏体晶核在铁素体的相界面上形成后，就出现了奥氏体A与原始组织之间的新界面：A/P、A/F。奥氏体晶核的长大时通过渗碳体的溶解、碳原子在奥氏体中的扩散，以及奥氏体两侧的界面向铁素体和渗碳体推移来实现的。奥氏体的长大速率受碳的扩散控制。具有面心立方晶格的Ni、Mn、Cu等元素以及C会扩大奥氏体相区，Cr、Ti会缩小奥氏体相区。20CrMnTi钢是本质细晶粒钢，奥氏体
19、晶粒比较细，热处理后强度较高，塑性、韧性也比较好。 c. 排气阶段。工件入炉后，将炉盖压紧密封。开始加热，并启动风扇。由于炉温大幅度下降，同时还有大量的空气进入炉内，因此本阶段的作用是要使炉温迅速恢复到规定是渗碳温度，同时，要尽快排除进入炉内的空气，防止工件产生氧化。加大甲醇或煤油的滴量可增加排气速度，使炉内较快形成还原性气氛或渗碳性气氛。若用煤油排气，滴量只能适当增加，因为此时炉温较低，煤油分解不完全，滴量过大，易产生大量的炭黑。滴量的大小应根据炉子的容积来确定。排气阶段的时间，通常是炉子达到渗碳温度后再延续3050min，以便完全清除炉内的CO2、H2O、O2等氧化脱碳性气体。当滴入渗碳剂
20、时，应打开排气孔进行排气，将废气点燃。待炉温达到900时，加大渗碳剂的滴量，加速排气，至CO2体积分数小于%是排气结束（注意：仅凭火苗颜色判断排气程度的做法是不正确的）。 d. 渗碳阶段。此阶段的作用是渗入碳原子，并获得一定深度的渗层。主要分为三个阶段：渗碳介质的分解、工件对碳原子的吸收、碳原子的扩散。第一阶段分解阶段是指渗碳剂通过反应，形成了渗入钢表面的活性碳原子。这里是煤油在930时发生分解反应，分解后产生CO、CH4、CnH2n+2、CnH2n、H2、CO2、O2、N2等气体，其中CO为弱渗碳气体，CH4为强渗碳气体，在930是，会在工件的表面进一步分解，形成渗入能力很高的活性碳原子C。
21、第二阶段吸收阶段是活性碳原子C被工件表面吸附、吸收的过程。在吸碳期间，需要煤油提供足够的活性碳原子，有利于工件表面对碳原子的吸收，活性碳原子少了的话会使工件表面含碳量降低，活性碳原子太多，则多余的碳原子又会结合成分子溢出，形成炭黑，影响渗碳的正常进行。吸收期也要控制好炉压，将煤油的滴量适当减少，保证渗碳所需要的碳势，形成表面碳浓度较高的碳层。第三阶段扩散阶段工件表面吸收了活性碳原子，碳浓度大大提高，沿着碳梯度的下降逐渐向内部渗入，完成工件表面的碳成分的变化。在扩散阶段，若吸收的活性碳原子数量小于扩散的数量，会造成表面碳含量达不到要求，扩散速度会减慢。因此，扩散速度直接影响到整个渗碳过程的周期。
22、此为渗碳的过程。 在排气结束后，进入渗碳阶段，放入试棒，关好试棒孔。调整渗剂滴量，调整炉内压力为200500Pa。排气管的废气火焰应稳定，呈浅黄色，长度在80120mm之间，无黑烟和火星。根据火焰燃烧的状况可判断炉内的工作情况，若火焰中出现火星，说明炉内炭黑过多；若火焰过长，尖端外缘呈白亮色，说明渗碳剂供给量太多；火焰太短，外缘为透明的浅蓝色，表面渗碳剂供给量不足或是炉子漏气。 e. 使用RQ系列气体渗碳炉进行渗碳时，推荐采用煤油与甲醇作滴注剂，并保持清洁，使用时，根据渗碳过称各阶段的碳势需要，以两者不同的比例分别滴入。一般情况下，排气阶段不滴煤油，强渗阶段不滴甲醇，扩散阶段煤油与甲醇以21（
23、体积比）滴入。 f. 气体渗碳时，渗剂的消耗量与炉型、装炉量及滴注剂种类有关。一般情况以每100cm2的渗碳面积，滴入h的渗剂为宜。在升温和保温时，不同的炉型，滴入量也不同。表5是RQ3-25-9型井式炉中渗碳煤油的滴量表5 RQ3-25-9井式炉中渗碳 煤油的滴量渗碳层深度工件渗碳总面积/cm2滴入量/（滴/min）说 明阶 段12100008060强渗后，按第二阶段供给10000200008565 我设计的齿轮齿顶圆的直径为20cm，厚度为5cm，单个齿轮的齿表面渗碳面积为314cm2，每炉放6个工件，总面积小于10000cm2，所以第一阶段滴入量为小于80滴/min，第二阶段滴入量为小于
24、60滴/min. g. 降温冷却阶段。在渗碳阶段结束前3060min，检查炉前试棒的渗层深度，以确定降温的开始时间。检查方法有断口目测法和炉前快速分析法。断口目测法是将渗碳试棒从炉中取出，淬火后打断，观察断口，渗碳层呈白色瓷状，未渗碳部分为灰色纤维状，交界处的碳的质量分数月为%，用读数放大镜测量表面至交界处的厚度。或将试棒断口在砂轮上磨平，用4%（质量分数）的硝酸酒精溶液侵蚀磨面，几秒钟后会出现黑圈。黑圈的厚度即可近似的代表渗碳层的深度，也用个读数放大镜测量。当将至规定的温度后，工件出炉。吊车一件一件的吊出托盘。然后是下一步的热处理，可以预冷，保温一段时间直接放入油中淬火，也可以在空气中散开冷
25、却，再淬火，此时的冷却过程中，工件的表面，即齿表容易氧化脱碳，形成贫碳层，会影响其实用性能，因此可以向冷却坑中倒入一些煤油或者酒精，也可以用喷雾加速冷却，来减少表面的脱碳。 h. 渗碳过程中，为防止产生炭黑和加速扩散，可以通入少量的氨气。渗碳后的表层组织为细针状或隐晶马氏体+细颗粒状弥散均匀分布的碳化物+少量残余奥氏体。 渗碳过程中的时间t 气体渗碳是目前应用比较多的渗碳方法，在社团过程中，控制的工艺参数主要有渗碳温度、渗碳时间、炉内气氛的碳势三项。渗碳时间决定于渗碳层的技术要求。一般情况下，渗碳层深度与渗碳温度、渗碳时间的关系可利用Harris公式估算： 式中:H,渗碳层深度，mm;T,渗碳
26、温度，K；t，渗碳时间，h。 当温度在930时，渗碳层深度是1时，渗碳时间约为。 渗碳设备：RQ3-25-9井式渗碳炉 渗碳炉是新型节能周期作业式热处理电炉，主要供钢制零件进行气体渗碳。由于选用超轻质节能炉衬材料和先进的一体化水冷炉用密封风机，渗碳炉炉温均匀、升温快、保温好 ，工件渗碳速度加快，碳势气氛均匀，渗层均匀，在炉压提高时，亦无任何泄漏，提高了生产效率和渗碳质量。RQ系列井式气体渗碳炉系周期作业式电炉，主要供碳钢机件的气体渗碳等用。与电炉控制柜配合使用可自动控制及自动记录电炉的温度其结构主要由炉体、加热元件和温控系统组成。炉体外壳由型钢及钢板焊接而成，内用超轻质高铝泡沫砖砌筑成炉膛.保
27、温层采用硅酸铝耐火纤维、硅藻土散料结构，以提高炉体保温性能。加热元件安放在砖上，并有电阻丝小钩使其定位。炉膛内有一耐热板焊接成炉罐及料筐，被处理工件安放在料筐内。为使被处理工件均匀的与渗碳气体接触，在炉壳上装有通风机，用来强制气流循环，以使炉内温度和气体均匀。在风机轴套上有一防止漏气的密封装置，并采用冷却水冷却。炉盖的升降均有液压升降机构来完成。当需将炉盖升起时，只要开动液压装置，炉盖即徐徐上升；如需炉盖下降，只要旋松液压装置中内螺纹截止阀，炉盖即缓缓下降。在升降轴处，有两限位开关，当升降轴上升时，下面一个限位开关自动切断电动风机电源，以免操作发生危险；当炉盖升足时，上面一个限位自动切断液压装置的电源，以防升降轴顶出油缸发生意外。 RQ系列电炉的液体滴入系统备有可进行三种液体同时滴入的滴量器，并可通过流量计及针形阀控制其流量。在炉盖上方设有水冷却的试样管、取气孔、排气孔，如与红外线CO2分析仪配合及改装，则可进行碳势自动控制的工艺操作。表6 常用RQ系列渗碳井式炉的型号 型号额定功率/kW额定电压/V相数额定温度/工作空间尺寸（直径深度）/mm在950时有关指标空炉损耗功率/kW空炉损耗升温时间/h最大装载
