1、1. 课程设计的原则1.1 热处理零件结构形状设计需要热处理的工件，在设计时，除了应考虑服役条件、承受载荷的大小和机械加工工艺外，还要要考虑热处理的变形、开裂所造成的产品报废。因此，对热处理件结构形状有一定的设计要求。1.1.1结构形状设计应避免应力集中截面急剧变化的工件，淬火时易引起过量变形或开裂，一般应采用平滑过渡或圆弧过渡；外形的尖锐棱边，尖角和凹腔角处会产生应力集中，因此，也常用圆弧代替尖角，为防止工件上的孔或模具型腔成为裂纹的策源地，孔与孔之间应有一定的距离，冲模型腔与模边之间的距离也应足够大。1.1.2结构形状设计应尽量简单、均衡、规则、对称结构件的形状应尽量使工件各部位的质量均匀
2、分布，以减少淬火时可能引起的过量变形和开裂。理想的结构形状可遵循以下的基本原则：a. 球形优于立方体，更优于长方体；b. 圆柱体优于圆锥体；c. 圆形截面优于椭圆形截面，方形截面优于矩形截面；d. 在可能的条件下，应尽量使功能孔的尺寸与位置均衡、对称、分布，也可以通过加开工艺孔或工艺槽来解决质量均衡问题；e. 辅助孔应位于交叉刃口的延长线上，尤其不能靠近小锐角，以免成为裂纹的策源地。1.1.3设计中实际措施机械构件中工作的轮廓、形状和尺寸是各式各样的，往往不能遵循上述设计原则，对此可根据实际情况采取措施加以补救。a. 设计成合理形状，淬火后再磨去不必要的部分；b. 开切必要的孔槽使质量均衡；c
3、. 一个不平衡的工件，为了平衡质量、改善散热条件，可加开工艺孔；d. 大型复杂工件可采用拼镶结构，以解决加工和热处理的困难；e. 刻字、印痕的位置应远离应力集中程度高的孔。为减少损失，避免事故，充分估计各种因素的影响，可采用设计、热加工和热处理几方面共同商讨，协同设计，避免因设计不当造成加工、热处理和使用上的问题。1.2 热处理零件的选材原则1.2.1 使用性原则使用性原则是零件在使用中应该具有的性能，这是保证零件完成规定功能的必要条件。在选材之前必须了解零件承受的负载类型及大小，所处工作环境和介质温度等服役条件。服役条件不同，性能要求也不一样。如：螺栓、拉杆等承受拉伸载荷的工件要求有较高的屈
4、服强度和抗拉强度；承受交变载荷的半轴、曲轴等除了应具备良好的综合机械性能外，还应有高的疲劳强度；而冲模、齿轮、铣刀等则要求有高的表面硬度。1.2.2 工艺性原则零件毛坯主要有铸件、锻件、焊接件和型材四种，熟悉材料的加工工艺过程和材料的工艺性能，使所选材料比较容易加工成工件，在选材时必须考虑材料的加工工艺性能。从原材料到成品件，不同的工作经过了不同的冷、热加工工艺，从工艺性出发，选材可按下列技术路线进行：1.2.3 经济性原则选材要讲经济效益，即应计算所得与所费、投入与产出、有用效果与、劳动消耗，要对它们进行评价和比较，从中选择最合适的不一定是最好的或单价最贵的材料，以最好的消耗量得到最大的效益
5、，这就是经济性原则。1.2.4 选材时应注意的几个问题零件选材原则的实质是所选材料要耐用，易加工且费用低。同时，应注意以下几点：a. 在大多数情况下优先考虑使用性能，工艺性能和经济性原则次之;b. 有些力学性能指标（如b、0.2、-1、K1c）可直接用于设计计算; 、Ak等不能直接用于计算，而是用于提高零件的抗过载能力，以保证零件工作安全性;c. 在对零件的力学性能要求转化为材料力学性能指标时，要注意手册上给出的组织状态。如果零件的最终状态与手册上给出的相同，可直接使用，否则，还得查阅其它手册、文献资料或进行针对性的力学性能试验；d. 手册或标准给出的力学性能数据是在试验室条件下对小试样的试验
6、结果，引用这些数据时要注意尺寸效应；e. 由于材料成分是一个范围，试样毛坯的供应状态可以有多种，因此，即使是同一牌号的材料，性能也不完全相同。国际标准或原冶金部标准给出的热轧或退火状态的力学性能范围或最低值，其数据可靠；而技术资料、论文中给出的数据一般是特定条件下的平均值，使用时要加以注意；f. 同一材料的不同供应状态（如铸造、锻造、冷变形等）对数据影响很大；g. 选材时要注意同时考虑所选材料的成型加工方法。1.3 热处理工艺设计热处理工艺设计包括热处理工艺在整个工件加工制造过程中的位置，热处理工艺选择和热处理工艺规程拟定。1.3.1 热处理在加工工艺路线中的位置材料的加工工艺路线是比较复杂的
7、，根据对工件性能要求的不同，热处理在加工工艺路线中的位置通常有以下三种情况：a毛坯正火（退火）机械加工工件成品（一般工件）b毛坯预先热处理（正火、退火或调质）粗加工最终热处理（淬火、回火、化学热处理等）精加工（要求较高的工件）c毛坯预先热处理粗加工淬火、回火或化学热处理半精加工稳定化处理或化学热处理精加工稳定化处理工件成品（精密工件）1.3.2 热处理工艺选择时应重点考虑的因素a） 工件设计中热处理技术条件 如材料（包括规格、钢种、晶粒度等）、金相组织、硬化层及渗层厚度、强度、冲击韧性及硬度要求；b） 热处理的工艺性 确定热处理工艺时，应根据每种工件的技术,尽量做到工艺上的先进性，技术上的可靠
8、性和经济上的合理性;c） 工厂生产条件及批量 确定热处理工艺时还应考虑工厂的现场特点、现有设备、生产批量等因素。在保证技术要求和质量稳定的前提下，可选用周期作业炉、连续作业炉或设计新标准设备。1.3.3 热处理工艺规程的拟定a. 分析所有可能的热处理工艺方案，比较后选择其中保证工件高质量而有最经济的方案；b. 需要热处理的工件应按材料、形状、尺寸、重量和性能要求等选择合适的热处理工艺；c. 根据现场加热和冷却设备选择工件的加热和冷却方法；d. 热处理工艺过程各工序顺序应力求优化，避免在工艺传递过程中的重复。1.4 本课程设计任务1. 根据所给零件，分析服役条件和可能的失效形式；2. 根据失效形
9、式，确定零件的性能特点；3. 根据性能特点，选择材料，分析含碳量及合金元素的作用；4. 根据零件的材料，确定该零件的加工工艺路线以及热处理在加工工艺路线中的位置；5. 拟定热处理工艺规程，画出热处理工艺曲线示意图；说明各热处理工艺曲线中加热温度、保温时间、冷却介质的选择理由，分析各热处理工艺后的力学性能；6. 画出各热处理工艺后的金相组织示意图，分析显微组织特点，说明相组成物、组织组成物的名称;7. 编写热处理工艺过程中的质量检测项目。2汽车后桥螺旋锥齿轮的热处理工艺设计2.1 汽车后桥螺旋锥齿轮的服役条件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
10、要零件。其服役条件如下：1） 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；2） 在运转过程中的过载产生振动，承受一定的冲击力或过载；3） 变速齿轮在换档时，端部受冲击，承受一定冲击力；4） 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。2.2 汽车后桥锥齿轮常见的失效形式 根据其服役条件，常见的失效形式为：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，
11、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b） 摩擦磨损：汽车、拖拉机上后桥螺旋锥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
12、成断裂以及齿面塑性变形，崩角等失效形式。2.3 汽车后桥螺旋锥齿轮的性能要求 根据后桥螺旋锥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。2.4 汽车后桥螺旋锥齿轮的材料的选择螺旋锥齿轮是属于一种可以按稳定传动比平稳、低噪音传动的传动零件，传动效率高，传动比稳定，圆弧重叠系数大，承载能力高，传动平稳平顺，工作可靠，结构紧凑，节能省料，节省空间，耐磨损，寿命长，噪音小。在各种机械传动中，以螺旋锥齿轮的传动效率为最高，对各类传动尤其是大功率传动具有很大的经济效益；传递同等
13、扭矩时需要的传动件传动副最省空间，比皮带、链传动所需的空间尺寸小；螺旋锥齿轮传动比永久稳定，传动比稳定往往是各类机械设备的传动中对传动性能的基本要求；螺旋锥齿轮工作可靠，寿命长。2.4.1 汽车后桥螺旋锥齿轮备选材料分析球墨铸铁可以像钢一样，通过热处理和合金化等措施来进一步提高其使用性能。比如，处理过的球墨铸铁可以取得很好的韧性，延伸率高达24；抗拉强度可以高达1400MPa，基本接近钢材。 与钢材相比，球墨铸铁还有很多优点。比如铸造性能好，成本相对较低。 由于球墨铸铁产量的不断增加，性能不断开发，现已成功部分取代了锻钢和铸钢，成为前景广阔的金属结构材料。GB规定的球墨铸铁牌号序号牌号最小值布
14、氏硬度主要金相组织抗拉强度b（MPa）屈服强度0.2 （MPa）延伸率（）1QT400-1840025018130180铁素体2QT400-15153QT450-10450310101602104QT500-75003207170230铁素体珠光体5QT600-3600370190270珠光体铁素体6QT700-2700420225305珠光体QT800-2800480245335珠光体或回火组织8QT900-2900280360贝氏体或回火索氏体1） 成分球墨铸铁化学成分主要包括碳、硅、锰、硫、磷五种元素,其中2） 主要性能球墨铸铁的力学性能以抗拉强度和延伸率两个指标作为验收依据。在生产工艺
15、稳定的条件下，也可根据硬度值进行验收。因硬度与强度的对应关系建立在球化合格，化学成分、孕育稳定，铸造工艺合理的基础上，为保证性能，规定按硬度验收时，必须检验金相组织，其球化率不得低于4级。即使硬度和球化合格，由于基体其中存在渗碳体，磷共晶、高硅固溶强化等，可能使强度和韧性达不到要求。所以不具备生产工艺稳定的条件下，不能根据硬度值验收一般可用于制造截面在30mm以下的承受高速、中速及重载荷以及冲击和摩擦的重要渗碳零件，如齿轮、齿轮圈、离合器轴、液压马达转子等。由以上分析可得：汽车后桥螺旋锥齿轮从服役条件、失效形式、性能综合考虑，故选用QT900-2作为汽车后桥螺旋锥齿轮材料。其含碳量及合金元素的
16、作用如下： 球墨铸铁化学成分主要包括碳、硅、锰、硫、磷五种元素。对于一些对组织及性能有特殊要求的铸件，还包括少量的合金元素。为保证石墨球化，球墨铸铁中还须含有微量的残留球化元素。以下就球墨铸铁中所含的化学成分及其含量对性能的影响做详细的阐述：1、碳的作用和影响：碳是球墨铸铁的基本元素，碳高有助于石墨化。由于石墨呈球状后石墨对机械性能的影响已减小到最低程度，球墨铸铁的含碳量一般较高，在3.53.9%之间，碳当量在4.14.7%之间。铸件壁薄、球化元素残留量大或孕育不充分时取上限；反之，取下限。将碳当量选择在共晶点附近不仅可以改善铁液的流动性，对于球墨铸铁而言，碳当量的提高还会由于提高了铸铁凝固时
17、的石墨化膨胀提高铁液的自补缩能力。但是，碳含量过高，会引起石墨漂浮。2、硅的作用和影响在球墨铸铁中，硅是第二个有重要影响的元素，它不仅可以有效地减小白口倾向，增加铁素体量，而且具有细化共晶团，提高石墨球圆整度的作用。但是，硅提高铸铁的韧脆性转变温度，降低冲击韧性，因此硅含量不宜过高，尤其是当铸铁中锰和磷含量较高时，更需要严格控制硅的含量。3、硫的作用和影响硫是一种反球化元素，它与镁、稀土等球化元素有很强的亲合力，硫的存在会大量消耗铁液中的球化元素，形成镁和稀土的硫化物，引起夹渣、气孔等铸造缺陷。球墨铸铁中硫的含量一般要求小于0.06%。4、磷的作用和影响磷是一种有害元素。它在铸铁中溶解度极低，
18、当其含量小于0.05%时，固溶于基体中，对力学性能几乎没有影响。当含量大于0.05%时，磷极易偏析于共晶团边界，形成二元、三元或复合磷共晶，降低铸铁的韧性。磷提高铸铁的韧脆性转变温度，当含磷量增加时，韧脆性转变温度就会提高。5、锰的作用和影响球墨铸铁中锰的作用就主要表现在增加珠光体的稳定性，帮助形成炭化锰、炭化铁。这些碳化物偏析于晶界，对球墨铸铁的韧性影响很大。锰也会提高铁素体球墨铸铁的韧脆性转变温度，锰含量每增加0.1%，脆性转变温度提高1012。因此，球墨铸铁中锰含量一般是愈低愈好，即使珠光体球墨铸铁，锰含量也不宜超过0.40.6%。一般都是遵循这一规律的。合金元素的成分和含量的多少对球墨
19、铸铁的性能有着极其重要的影响，在使用铸铁时，就应该对其合金元素的含量进行精准的化验分析。2.5汽车后桥螺旋锥齿轮的加工工艺路线汽车后桥螺旋锥齿轮属重载荷齿轮，须满足表面高耐磨和强韧性的要求，采用渗碳钢，如QT900-2进行渗碳热处理，其工艺路线为：下料锻造等温淬火机械加工渗碳淬火回火喷丸磨削检验。2.6 热加工及热处理工艺规程1） 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） 检验：
20、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2.7 各热处理工艺后的金相组织分析1） QT900-2等温正火后金相组织如下所示：QT900-2 （锻造后等温淬火处理）的金相图浸蚀方法：2%硝酸酒精溶液浸蚀组织说明：上贝氏体（侵蚀后较亮的区域）及下贝氏体（侵蚀后较暗的区域）的组织形貌。QT900-2是一种球墨铸铁，一般应进行等温淬火处理，以改善组织硬度，强度和耐磨性。2.8 热处理工艺过程中的质量检验项目 2.8.1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
21、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。过共析共析层应占总深度为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 00
22、1-1988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/mm2.5 0.82.58 1.68 2.4 畸变用齿轮检查 按图样和工艺要求检查2.8.2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不足使组织中残留少量硬度较高（HV250）的魏氏组织，正火温度超过钢材晶粒显著长大的温度应重新制订正火工艺；检查控温仪表，校准温度，控制正火冷却速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析，一般正火难以消
23、除更换材料层深不足碳势偏低；温度偏低或渗期不足提高碳势；检查炉温，调整工艺，延长渗碳时间渗层过深碳势过高，渗碳温度偏高；渗期过长降低碳势；缩短周期，调整工艺渗层不均炉内各部分温度不均；碳势不均；炉气循环不佳；工件相互撞碰；齿面有脏物；渗碳时在齿面结焦齿轮表面清洗干净；合理设计夹具；防止齿轮相互碰撞；在齿轮料盘上加导流罩，保证炉内各部温度均匀；严格控制渗碳剂中不饱和碳氢化合物过共析共析层比例过大（大于总深度的34）炉气碳势过高；强渗和扩散时间的比例选择不当调整强渗与扩散期的比例，如果渗层深度允许，可返修进行扩散处理过共析共析层比例过小（小于总深度的12）炉气碳势过低，强渗时间过短提高炉气碳势；增
24、加强渗时间；可在炉气碳势较高的炉中补渗表面碳浓度过高形成大块碳化物网炉气碳势过高，强渗时间过长降低碳势，缩短强渗时间；如果渗层深度允许，可在较低碳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体过多碳含量过高；渗后冷却过快，碳量析出不够，淬火温度偏高调整渗碳工艺控制碳含量；从渗碳炉或预冷炉中出炉的温度不宜过高；降低淬火温度表面含碳量过低炉气碳势过低，炉温偏高；扩散时间过长检查炉温，调整强渗与扩散时间的比例表层马氏体针粗大淬火温度偏高表层出现非马氏体组织升温排气不充分；炉子密封性差，漏气，使表层合金元素氧化，淬火冷却速度低从设备和工艺操作上减少空气进入炉内；适当提高淬火
25、冷却速度；在渗碳最后10min左右通入适量氨气表层脱碳渗后出炉温度过高；炉子出现严重漏气；淬火时产生氧化防止炉子漏气；降低出炉温度；控制淬火时炉内气氛；盐炉淬火脱氧要充分；补渗碳心部硬度偏低淬火温度过低；冷却速度不当，心部游离铁素体过多；选材不当提高淬火温度；加强淬火冷却；采用两次淬火；淬火温度偏高；冷却方法不当；夹具设计不合理，材料选择不当调整淬火工艺，合理设计夹具，改善冷却条件，改换钢材3. 心得体会通过本次热处理工艺课程设计，我熟悉了热处理工艺的制定过程；通过对零件服役条件、失效形式、性能分析来选择合适的材料，从而制定出正确的工艺流程，工艺过程中要准确掌握各种零件热处理加热温度、时间和保温时间及冷却方式等;不同材料经过同一热处理工艺及同种材料经过不的热处理工艺会得到不同组织和性能。同时，我还通过查阅相关文献、资料，提高了查阅资料的技巧和综合分析问题的能力。通过对齿轮的工艺设计及金相分析，综合了材料科学基础、金属热处理工艺学、失效分析、金属力学性能等知识。更重要的是使我懂得了运用知识的重要性和理论联系实际的妙处。为我今后走向社会从事本专业工作打下了良好的基础。4. 参考文献1） 赵品，谢辅洲，孙振国主编.材料科学基础教程.哈尔
