20CrMnMo齿轮热处理工艺设计课程设计.docx

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1、20CrMnMo齿轮热处理工艺设计课程设计(1)培养学生综合运用所学的热处理课程的知识去解决工程问题的能力，并使其所学知识得到巩固和发展。(2)热处理工艺设计的一般方法、热处理设备选用和装夹具设计等。1.2 课程设计的任务进行零件的加工路线中有关热处理工序和热处理辅助工序的设计。根据零件的技术要求，选定能实现技术要求的热处理方法，制定工艺参数，画出热处理工艺曲线图，选择热处理设备，设计或选定装夹具，作出热处理工艺卡。最后，写出设计说明书，说明书中要求对各热处理工序的工艺参数的选择依据和各热处理后的显微组织作出说明。1.3 热处理工艺设计的方法热处理工艺的最佳方案是在能够保证达到根据零件使用性能

2、和由产品设计者提出的热处理技术要求的基础上，设计的一种高质量、低成本、低能耗、清洁、高效、精确的热处理工艺方法，通过综合经济技术分析，确定最佳热处理工艺方案。最后，编写主要热处理工序的操作守则。2热处理工艺课程设计内容和步骤2.1课题工件简图课题工件简图如图2.1图2.1工件示意图(单位：mm)材料：20CrMnMO2.2技术要求：1.由于齿面硬度很高，具有很强的抗点蚀和耐磨损性能；心部具有很好的韧性，表面经硬化后产生的残余应力，大大提高了齿根强度；一半齿面硬度范围5663HRC。2.简要流程：下料-锻造正火粗加工-渗碳淬火低温回火精磨成品。2.3特点L加工性能好。2 .热处理畸变较大，热处理

3、后应磨齿，可以获得高的精度。3 .4适用范围广泛用于要求承载能力高，抗冲击性能好，精度高，体积小的中型一下齿轮，多出应用于汽车变速器，分动箱，起动机及驱动桥的各类齿轮以及拖拉机的动力传送装置的各类齿轮，20CrMnMo的性能要比20CrMnTi的性能相对较硬。4 .5齿轮的性能要求及为何选用20CrMnMo为保证齿轮的正常工作,齿轮应具备以下主要性能:1.高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强。除材料本身性能外，还可以依靠齿轮的表面强化处理来实现。5 .齿面具有高的硬度和耐磨性，以防止黏着磨损和应力磨损。耐磨性的提高，主要依靠提高表面硬度和降低摩擦因数来实现。6 .齿轮心部具有足够的强度和韧性，以提高承

4、载能力。常用的渗碳钢有20CrMnMo,20CrMnTio本次设计我用的是20CrMnM0。20CrMnMo淬火温度850团，只需要一次，冷却方式与20CrMnTi一样，都采用油冷，一般可制造小雨30Omm的高速，中载，受冲击和磨损的重要零件，适用于拖拉机变速箱齿轮，离合器轴和车辆上的主动轴，但某些方面优于20CrMnTi。表2.120CrMnMo的化学成分1CSiMnCrMOBSNieO.170.230.170.370.90-1.201.10-1.400.20-0.300.0.350.300.302.6化学成分作用铭（Cr的影响）铝为碳化物形成元素。它能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低

5、塑性和韧性；阻止晶粒长大，增加钢的淬透性，降低钢的临界冷却速度。因而，使钢在热处理时，退火、正火、淬火的加热温度有所提高。并使它在油中便能淬硬。但它降低了钢的马氏体点，因而增加了钢残余奥氏体量。使钢的奥氏体不稳定区域变为700500和400-250团。提高了钢的硬度和强度，增加了钢在高温回火时强度降低的抗力。钥（MO的影响）提高钢的淬透性，热强性，有二次硬化的作用，能降低回火脆性。铢（Mn）降低钢的ACl和Ac3而使钢在热处理时的温度有所降低。增加奥氏体的稳定性，降低钢的临界冷却速度，但它使参与奥氏体量增加。可以减少钢在淬火时的变形和增加钢的强度和硬度。使钢的回火脆性与晶粒长大的作用增大。表2

6、.220CrMnMo的热处理基本参数临界温度AclAc3ArlAr3M温度/团710830620740-20CrMnMO属于亚共析钢，缓慢冷却到室温后的组织为铁素体+珠光体，从钢的分类来看，20CrMnM。钢属于高级渗碳结构钢，以加工和加热并且性能良好，强度，塑性和韧性都比较高，过热倾向小，无回火脆性，即可做渗碳钢使用，也可作为调质钢使用，渗碳淬火后具有较高的抗弯强度和耐磨性，但是磨削时容易产生裂纹，淬火以及低温挥霍具有良好的综合力学性能和低温冲击任性。20CrMnM。钢采用低温回火，表面可获得60-65HRC的高硬度。20CrMnMo的含碳量为0.2%属于低碳钢，渗碳时保证了碳元素的正常渗入

7、。钢中合金元素为Cr小于1.4%,Mn小于L2%,Mo小于0.3%。加工时要对ZOCrMnMo进行表面渗碳处理，渗碳淬火后表面得到高谈马氏体，具有较高的耐磨性。2.720CrMnMo钢的淬透性曲线如图2.220CrMnMO钢淬透性曲线图2.2钢淬透性曲线32.8淬透性淬透性:淬透性随着淬火温度提高而增加，因为温度升高，奥氏体晶粒尺寸增大，淬透性提高。但是如果温度过高，奥氏体晶粒过于粗大淬火后会产生开裂或者变形。7 .9渗碳热处理工艺规范表2.3渗碳热处理工艺规范渗碳/回淬火温度/回淬火冷却/团回火温度/团回火冷却920940炉内降温至830850油冷180200空冷2.10钢的等温转变和连续冷

8、却转变如图23钢的等温转变图和连续冷却转变图2.3钢的等温转变和连续冷却转变33热处理工艺方案以及参数论述3.1热处理工艺流程简要流程：下料锻造正火粗加工渗碳-淬火-低温回火-精磨成品。1 .2热处理工艺方案论证3.2.120CrMnMO处理温度以及冷却方式表3.120CrMnMo处理温度以及冷却方式正火渗碳87010团92510团35min2.5h空冷空冷低温回火16OlO0O.5h空冷3.2.2热处理方案制定20CrMnMo钢经热加工后,必须经过预备热处理来降低硬度,消除热加工时造成的组织缺陷,细化晶粒,改善组织,为最终热处理做好准备,对于20CrMnMo钢而言,正火可以细化晶粒,是组织均

9、匀化,消除切削加工后的组织樱花现象和去除内应力.接着进行渗碳淬火,得到高强度,高硬度,高抗弯强度和耐磨性,满足加工齿轮的使用要求。经过渗碳后,仅使表面层的含碳量提高0.7%1.05%,仍达不到表层高硬度和耐磨的要求.因此,渗碳后还需要淬火和低温回火,使工件表层具有高的硬变和耐磨性.渗碳的目的是提高工件表面碳浓度,以便淬火后达到提高表面硬度和耐磨性的H的.渗碳后淬火加低温回火是达到表层高硬度的热处理方式,淬火后低温回火,表层得到回火马氏体组织,耐磨性达到较高水平,淬火的目的是提高硬度,淬火使得到尽量多的马氏体组织,得到高硬度,回火是为了马氏体二次分解形成索氏体，以便得到良好的机械性能。2 .3热

10、处理方案3.3.1正火1.正火的目的正火可以细化晶粒,使组织均匀化。消除切削加工后的组织硬化现象和去除内应力。消除共析钢中的网状硬化物,为热处理做好组织准备。3 .加热温度加热温度:87010团因为20CrMnMo是亚共析钢，钢中含有碳化物形成元素。为使合金中难溶的特殊碳化物溶入奥氏体中，使奥氏体合金化程度增高，正火的加热温度为Ac3以上3050团，20CrMnMO的含碳量为0.20%,Ac3为830团，所以将钢件的加热温度确定为8700。4 .加热方式采用到温加热的方法,是指当炉温加热到指定的温度时,再将工件装进热处理炉进行加热,原因是加热速度过快,节约时间。保温时间:保温时间系数某有效尺寸

11、，保温时间用T表示。合金钢保温时间系数(mmmin)保温时间:保温时间系数某装炉修正系数某工件厚度。工件加热保温时间与加热介质，材料成分，炉温，工件的形状和大小，装炉量和装炉量等因素有关。一般用经验公式来计算保温时间：保温时间=保温时间系数某装炉系数某工件的有效厚度。合金结构钢选择750900团井式电阻炉加热的保温时间系数Ct选为1.5,装炉系数K一般选择1.4。工件的有效厚度为D=(10某3)/2=15mm所以EX某K某D=1.5某1.4某15=31.5min取35min05 .3.2正火工艺曲线如图3.1正火工艺曲线图3.1正火工艺曲线333正火冷却回冷却方式采用出炉空冷团冷却介质是空气团

12、正火组织产生细珠光体。1 .420CrMnMo的渗碳工艺3.4.1渗碳的目的渗碳的具体方法是将工件置入具有活性渗碳介质中，加热到900-950团的单相奥氏体区，保温足够时间后，使渗碳介质中分解出的活性碳原子渗入钢件表层，从而获得表层高碳，心部仍保持原有成分。相似的还有低温渗氮处理。这是金属材料常见的一种热处理工艺，它可以使渗过碳的工件表面获得很高的硬度，提高其耐磨程度。渗碳可以在多方面提高钢件的机械性能,可以提高钢件的硬度和耐磨性,降低冲击任性和断裂韧性(冲击韧性和断裂任性随着表面碳含量的越高,碳层越深,降低的越多),同事可以提高疲劳强度,采用炉内滴注式气体渗碳，高温下甲醇的裂解产物H2O,C

13、O2等将CH4和C氧化。可使炉气成分和碳势保持在一定范围内渗碳温度:目前在生产上广泛使用的温度920-940固通常渗碳的温度选择要根据渗层的深度确定。根据本次材料以及用途决定渗层深度为09-1.2,渗碳温度为92510o2 .4.2渗碳过程L保温时间;采用的渗碳介质是煤油,并且渗碳保温时间是2.5小时。公式为：(mm):渗碳层深度；K：与渗碳温度有关的系数925团时K=0.633;t(min)：渗碳保温时间。经计算选渗碳时间t=(0.9/0.63)某(0.9/0.63)=2.01h2.5ho3 .冷却方法空冷。4 .渗碳后的组织表面为碳化物+珠光体，心部为珠光体;4.20CrMnMo钢渗碳工艺

14、曲线如图3.220CrMnMo钢渗工艺曲线温度925团3Ominlh2h85O0排气强渗降温保温图3.2钢渗碳工艺曲线5.渗碳后的组织性能分析降低渗碳温度,具有节能降耗、减小工件变形、减小材料晶粒粗化倾向、细化组织等优点渗碳层硬度梯度趋于平缓。5 .520CrMnMo的淬火工艺3.5.1渗碳后一次重新加热淬火的目的提高硬度和耐磨性，如刃具，量具，模具等；提高强韧性，提高耐腐蚀性和耐热性。6 .5.2淬火事项L淬火温度84O1O0,依据亚共析钢加热温度选用AC3+(30-500),这样既能保证充分奥氏体化，又保持奥氏体晶粒细小。7 .保温时间淬火加热时间包括升温和保温时间两个时间段，升温时间包括

15、想变重结晶时间，保温时间实际上只考虑碳化物溶解和奥氏体成分均匀化所需要的时间。公式：t=某K某Dt:保温时间（min）,a：钢在不同介质中加热时的保温系数（min/mm）（这里取1.2）,k：零件装炉调整系数（1.3）,D：零件有效厚度（15mm）,因此此次保温时间为t=23.4min,所以时间为0.5h08 .淬火后组织表面是高碳马氏体+碳化物+残余奥氏体；心部是低碳马氏体+残余奥氏体。9 .淬火工艺曲线如图3.3淬火工艺曲线图3.3淬火工艺曲线5.淬火过程中组织转变分析正常加热冷却：工件加热到860团后珠光体转变为奥氏体，保温时组织不变，晶粒细化，出炉油冷到室温可以获得马氏体和少量残余奥氏

16、体，具有很高的耐磨性和硬度。10 6低温回火工艺3.6.1回火的目的回火是将淬火后的零件加热到Al一下的某一温度，保温一定时间后，以适当的形式冷却到室温的热处理工艺。回火的主要目的是使零件有高的硬度和耐磨性,消除了淬火应力与脆性，改善了零件淬火后的韧性及组织稳定性。并且，降低或消除淬火引起的残余应力。由于淬火马氏体和残余奥氏体都是不稳定组织，在工件中会发生分解，从而导致工件的尺寸不精确。某些碳含量较高的钢制大型零件或复杂零件甚至淬火后在等待回火的期间就发生突然爆裂。所以说,淬火零件不经回火就投入使用时危险地,也是不允许的。渗碳和碳氮共渗淬火后的零件，一般要进行低温回火处理。低温回火时，马氏体发生分解，得到回火马氏体，淬火内应力得到部分消除，淬火时产的微纹也大部分得到愈