20Cr汽车齿轮的热处理工艺设计

攀枝花学院学生课程设计（论文）题目：20Cr汽车齿轮的热处理工艺设计学生姓名： XXX学号： 2011111020XXX 所在院(系)：材料工程学院专业： 2011级材料成型及控制工程班级：材料成型及控制工程指导教师： XXXX 职称：讲师2013年12月28日攀枝花学院教务处制攀枝花学院本科学生课程设计任务书注：任务书由指导教师填写。

课程设计（论文）指导教师成绩评定表摘要汽车中变速箱齿轮是关键件，齿轮材料的选用及热处理工艺参数的确定一直是我们探究的主题。

原来采用20CrMnTi材料，热处理工艺为气体渗碳，其渗碳温度高、时间长，易造成晶粒粗大、表面沉积碳黑等缺陷。

由20Cr代替20CrMnTi，热处理工艺采用中温气体碳氮共渗直接淬火的方法。

设备为RJJ-75-9T井式炉,滴柱式可控气氛控制炉压，渗剂为煤油加液态稀土共渗剂。

此工艺共渗温度降至880℃，共渗时间缩至3小时。

节约能耗33.6%，因缩孔造成的返修率降低到2.87%，齿轮本身也得到了更好的耐磨性、表面硬度和心部综合机械性能。

关键词：齿轮；气体碳氮共渗；工艺参数；耐磨性目录摘要 (Ⅰ)1、设计任务 (1)1.1设计任务 (1)1.2设计的技术要求 (1)2、设计方案 (2)2.1 变速箱设计的分析 (2)2.1.1工作条件 (2)2.1.2失效形式 (2)2.1.3性能要求 (2)2.2钢种材料 (3)3、设计说明 (4)3.1加工工艺流程 (4)3.2具体热处理工艺 (4)3.2.1预备热处理工艺 (5)3.2.2机械加工 (5)3.2.3渗碳工艺 (5)3.2.4淬火+低温回火热处理工艺 (6)4、分析与讨论 (8)5、结束语 (9)6、热处理工艺卡片 (10)参考文献 (11)1 设计任务1.1设计任务20Cr汽车齿轮的热处理工艺设计1.2设计的技术要求20Cr材料属于低淬透性合金钢，采用渗碳工艺时晶粒容易长大，而中温气体碳氮共渗工艺，是在工件的表面同时渗入碳和氮，由于氮的加入使γ相区扩大，Ac3点下降因而能使钢在更低的温度增碳。

其过程是将钢件放入密封炉罐内加热到820℃～880℃，并向炉内滴入煤油或其它渗剂，然后加入共渗剂。

共渗剂的分解，使活性的碳原子和氮原子在一定压力下被吸附在工件表面并向内扩散，从而形成一定深度的碳氮共渗层。

碳氮共渗过程可分为两个阶段，第一阶段即强渗阶段，碳和氮在工件表面的渗入情同；随着时间的延长，出现第二阶段，这时碳继续渗入而氮不仅不渗入工件表面，反而渗层表面部分的氮原子进入到气体介质中，表面脱氮。

所以应严格控制共渗温度与共渗时间。

2 设计方案2.1变速箱设计的分析2.1.1工作条件首先确定共渗剂：通过市场调研决定购进现成的液态碳氮共渗剂，这样能保证原来气体渗碳时的设备、工装无需改动。

试块采用自制的φ10×20（mm）的20Cr钢棒（图2）。

图2 试块共渗设备为RJJ-75-9T井式炉滴柱式碳氮共渗。

方法是：分别在井式炉的上区、下区特征位置每炉放置3块试块，分别在不同的共渗时间、共渗温度、渗济滴量下取出试块做成金相试样，随时观察其渗层厚度、渗层组织、晶粒大小、表面硬度，并做好记录。

2.1.2失效形式主要失效形式为齿面点蚀和轮齿折断。

齿面点蚀。

齿轮传动过程中，齿轮接触面上各点的接触应力呈脉动循环变化，经过一段时间后，会由于接触面上金属的疲劳而形成细小的疲劳裂纹，裂纹的扩展造成金属剥落，形成点蚀。

轮齿折断。

最常见的是弯曲疲劳折断、过载折断。

轮齿受力后,在齿根部产生的弯曲应力最大,且在齿根过渡圆角处有应力集中。

如果轮齿的交变应力超过了材料的疲劳极限,在齿根圆角处将产生疲劳裂纹,随着裂纹不断扩展。

2.1.3性能要求变速箱疲劳耐久性试验。

此项目考核变速箱各档位齿轮、轴、轴承及壳体的疲劳耐久性, 是变速箱台架试验的必做项目。

试验时间长、试验效果明显是其主要特点。

疲劳耐久性试验的加载方式是试验的关键, 一般采用机械封闭式变速箱加载试验台或电封闭式变速箱加载试验台。

变速箱同步器性能试验。

该项目适用于有同步器的变速箱或变速箱的有同步器的档位。

通过在一定油温、一定输出转速下测量变速箱各档位的同步位移、换档力、输入转速、输出转速、输出扭矩, 分析整理得到各档位的同步时间、同步位移及换档力、同步扭矩的变化规律, 从而判断变速箱的换档性能。

试验后变速箱无损伤。

变速箱静扭强度试验。

将变速箱安装在试验台上, 固定其输出端, 利用减速机带动输入端慢慢运转, 同时记录变速箱输入端扭矩、输出端扭矩、输入轴扭转角度, 直到达到某设定扭矩或直到变速箱损坏而停止加载。

分析记录数据的变化规律, 判断变速箱的静态扭转强度性能。

此项目试验时间短, 直接反映变速箱某档位的静态强度性能, 是变速箱强度性能的一项重要指标, 但试验后变速箱的主要强度零件完全损坏。

变速箱润滑性能和温升试验。

测量变速箱在不同的爬坡角度、不同的输入转速下空载温度升高规律。

由于是空载下运行, 输入功率小、消耗功率少, 运转时间不长, 故不损坏变速箱。

虽然试验成本低, 但变速箱设计上的缺陷、制造过程中的多种故障都能从温升中反映出来, 故在变速箱台架试验及日常质量评价试验中得到普遍应用。

变速箱传动效率试验。

此项目需在可加载的试验台上进行。

测量变速箱各档在不同的输入转速、不同的输入扭矩、不同的温度下输出功率与输入功率得到变速箱的传动效率值。

传动效率值反映出变速箱各档位在不同输入扭矩、不同温度下的效率对比, 可判断变速箱在不同扭矩下的变形、干涉和异常磨损情况等多项性能, 从而寻找其不足进行改善。

此项目不但在变速箱台架试验中有较为重要的意义, 而且对于批量生产的变速箱日常质量评价也是非常有意义的。

通过测量值与经验值的对比,可以判定变速箱质量水平的高低[3]。

2.2钢种材料20cr淬火、低温回火后具有良好的综合力学性能，低温冲击韧性良好，回火脆性不明显。

渗碳时钢的晶粒有长大趋势，所以要求二次淬火，以提高心部韧性，不宜降温淬火。

当正火后硬度为170-217HB时，相对切屑加工性约为65%，焊接性中等，焊前应预热到100-150℃，冷变形时塑性中等。

为了提高模具型腔的耐磨性，模具成型后需要进行渗碳处理，然后再进行淬火和低温回火，从而保证模具表面具有很高硬度、高耐磨性而心部具有很好的韧性。

对于使用寿命要求不很高的模具，也可以直接进行调质处理。

3 设计说明3.1加工工艺流程20cr汽车齿轮热处理工艺设计的热加工工艺流程经过许多次改进形成如下的加工工艺流程: 锻造-退火（790度保温后随炉冷）-粗加工-渗碳、淬火（1000-1030摄氏度保温8小时,然后降温到850摄氏度出炉直接油淬）-回火（200摄氏度回火2-3个小时,）-精加工20cr是合金结构钢的一种，用以制作截面尺寸小于30mm，形状简单，心部强度和韧性要求较高，表面受磨损的渗碳或氰化件，渗碳表面硬度HRC56-62 ，其成分[1]如下表3.1.表3.1 21 20cr的化学成分（质量分数，%）C Mn P S Cr Ni Cu Si0.18～0.24 0.50～0.80 ≤0.035≤0.0350.70~1.00 ≤0.030≤0.030 0.17～0.37成分分析：Mn是良好的脱氧剂和脱硫剂。

它能消除或减弱由于硫所引起的钢的热脆性，从而改善钢的热加工性能。

Mn和Fe形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度，经固溶处理后有良好的韧性，当受到冲击而变形时，表面层将因变形而强化，具有高的耐磨性；同时又是碳化物形成元素，进入渗碳体中取代一部分铁原子。

Si能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度。

硅能提高钢的弹性极限、屈服强度和屈服比(σs/σb),以及疲劳强度和疲劳比(σ-1/σb)等。

硅能促使铁素体晶粒粗化，降低矫顽力。

3.2具体热处理20cr的热处理包括初期的锻造和退火热处理，以减少坯料的硬度为方便后面的机加工，也为后续渗碳、淬火、回火提供优良的原始组织。

20cr①②通过锻造和随后的退火，形成硬度较低的原始坯料，为后续的切削加工提供有利的方便和减少对于车床的磨损。

③渗碳是通过对其表面更加的硬度能够更大程度的提升，保证质量。

④为了碎化、细化共晶碳化物，把粗大的枝晶状共晶碳化物打碎、提高碳化物分布的均匀性，细化碳化物的粒度，一般20cr使用时都需要进行锻造和预先热处理, 以减少碳化物的不均匀分布, 为后续淬火、回火提供优良的原始组织[4]。

3.2.1预备热处理工艺退火是将偏离平衡状态的金属坯料或零件加热至较高温度，保持一定的时间后通常以相当缓慢的速度冷却，以得到接近于平衡状态组织的各种工艺方法。

退火的目的是：a消除钢锭的成分偏析，使成分均匀化。

b消除因铸、锻、焊引起的组织缺陷。

c降低硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工。

d细化晶粒，均匀组织，为后续热处理做组织准备。

e消除钢中的内应力，以防止变形与开裂[5]20cr完全退火曲线3-1-2加热温度：790C°；加热速度：小于200℃/h；保温时间：4.5h]3.2.2机械加工由于我们专业并不怎么涉及机加工方面的知识，因此此处只能说明其在车床上进行加工。

3.2.3工艺参数及工艺曲线实验发现一定温度范围内，共渗温度越高则共渗层越厚，当温度高于880℃时渗层厚度的增加趋于缓慢(图3)，但却由于温度的增加而使晶粒变的粗大。

所以共渗温度确定为上区880℃、下区860℃。

图3 共渗温度对共渗层的影响（共渗时间3小时）试验得出共渗时间超过3小时后，共渗剂对渗层厚度的影响明显下降，共渗3小时与共渗4小时的渗层厚度相差不大(图4)，反而因为在高温下时间的延长而使晶粒长大。

图4 共渗时间对共渗层的影响（共渗温度上区880±10℃，下区860±10℃）于是我们把共渗阶段分为两段，即120分钟的强渗阶段和60分钟的扩散阶段，同时扩散阶段的滴量和炉内压力要适当降低（表1）。

分析原因在共渗初期试样表面还没有形成一定厚度的渗层，其共渗过程的控制因子主要是产生活性原子的界面反应和吸收活性原子的过程。

表1 20Cr齿轮中温气体碳氮共渗工艺参数因此，催渗的效果明显。

共渗120分钟后，表面的碳氮原子已基本饱和，吸附碳氮原子的速度减慢。

这时，应该预防的是高温下工件表面的脱氮，即已经渗入工件表面的部分氮原子又回到气体介质中。

所以在扩散阶段和降温阶段仍然要保持一定的炉内气氛的压力。

通过对实验数据分析得出最终的20Cr齿轮中温气体碳氮共渗工艺的各个参数（表1）及热处理工艺曲线（图5）3.2.4淬火+低温回火热处理工艺①淬火淬火是将钢加热至临界温度点Ac3或Ac1以上一定的度，保温后以大于临界冷却速度的速度冷却得到马氏体（或下贝氏体）的热处理工艺叫做淬火。