20CrMnTi解放牌載重汽車變速箱變速齒輪熱處理工藝設(shè)計

目錄1. 緒論31.1 引言31.2 20CrMnTi 鋼的基本性質(zhì)41.2.1 鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能41.2.2 合金元素的作用51.2.3 淬透性51.3 解放牌汽車變速箱變速齒輪的熱處理工藝設(shè)計51.3.1 服役條件61.3.2 失效形式61.3.3 性能要求72. 20CrMnTi 鋼變速齒輪生產(chǎn)工藝路線及分析92.120CrMnTi 鋼變速齒輪生產(chǎn)工藝路線92.2 各種加工工藝路線的分析92.2.1 等溫正火92.2.2 滲碳淬火回火92.2.3 噴丸112.2.4 檢驗113. 各種熱處理后的金相組織分析123.1 20CrMnTi 等溫正火后金相組織123.2 20CrMnTi 淬火、回火處理金相組織134. 熱處理工藝過程中的質(zhì)量檢驗項目154.1 滲碳淬火后齒輪的檢驗項目、內(nèi)容和要求154.2 滲碳齒輪的常見缺陷及防止措施165. 質(zhì)量控制與檢驗方法195.1 隨爐試樣檢驗195.2 齒輪熱處理質(zhì)量檢驗22總結(jié)24致謝25參考文獻(xiàn)26 1. 緒 論1.1 引言 熱處理工藝是金屬材料工程的重要組成部分?，F(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展對機(jī)械零部件的要求愈來愈高，因此通過熱處理可以改變材料的加工工藝性能，充分發(fā)揮材料的潛力，提高工件的使用壽命。熱處理不僅對鍛造機(jī)械加工的順利進(jìn)行和保證加工效果起著重要作用，而且在改善或消除加工后缺陷，提高工件的使用壽命等方面起著重要作用。為獲得理想組織性能，保證零件在生產(chǎn)過程中的質(zhì)量穩(wěn)定性和使用壽命，就必須從工件的特點、要求和技術(shù)條件，認(rèn)真分析產(chǎn)品在使用過程中的受力狀況和可能的失效形式，正確選擇材料；再根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模、現(xiàn)場條件、熱處理設(shè)備提出幾種可行的熱處理方案，最后根據(jù)其經(jīng)濟(jì)性、方便性、質(zhì)量穩(wěn)定和便于管理、降低成本等因素，確定出一種最佳方案。 本設(shè)計便是對 20CrMnTi 解放牌載重汽車變速箱變速齒輪熱處理工藝進(jìn)行詳細(xì)的說明，從選材下料到熱處理工藝路線，以及最后的質(zhì)量檢驗、可能產(chǎn)生的缺陷及預(yù)防措施等，都進(jìn)行逐一分析和講解，盡可能的將整個過程詳盡的展現(xiàn)出來，從而對大家有所幫助。1.2 20CrMnTi 鋼的基本性質(zhì) 20CrMnTi 齒輪鋼是為含碳量為 0.17-0.24的低碳鋼。汽車上多用其制造傳動齒輪，是中淬透性滲碳鋼中 CrMnTi 鋼其淬透性較高在保證淬透情況下具有較高的強(qiáng)度和韌性特別是具有較高的低溫沖擊韌性，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、中等或重載荷、沖擊及摩擦的重要零件，如齒輪、齒圈、齒輪軸十字等。20CrMnTi 表面滲碳硬化處理用鋼。良好的加工性特加工變形微小抗疲勞性能相好。1.2.1 鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能 表 1-1 鋼的化學(xué)成份碳 C：0.170.23 硅 Si：0.170.37錳 Mn：0.801.10 硫 S:允許殘留含量0.035磷 P: 允許殘留含量0.035 鉻 Cr:1.001.30鎳 Ni: 允許殘留含量0.035 銅 Cu：允許殘留含量0.035鈦 Ti:0.040.10 表 1-2 鋼的力學(xué)性能抗拉強(qiáng)度 bMPa 1080110屈服強(qiáng)度 sMPa 83585伸長率 5 10斷面收縮率 45沖擊功 AkvJ 55沖擊韌性值 kvJ/cm2 697硬度 217HB1.2.2 含碳量及合金元素的作用 20CrMnTi 齒輪鋼是為含碳量為 0.17-0.24的低碳鋼。根據(jù)該齒輪的工作特點，結(jié)合其使用要求，應(yīng)選用低合金滲碳鋼，一是含有較多的合金元素，確保了滲碳后淬透性，減少齒輪的 變形量。二是齒輪基體的強(qiáng)度和韌性得到了保障，能夠滿足齒輪的工作需要。含碳量低可使齒輪心部具有良好的韌性。 合金元素鉻和錳的存在提高了淬透性，心部得到低碳馬氏體組織，增強(qiáng)了鋼的強(qiáng)度；而鉻元素還有促進(jìn)滲碳、提高滲碳速度的作用；錳具有減弱滲碳時表面含碳量過高的作用；而鈦阻止晶粒的長大，提高軸承鋼的強(qiáng)度和韌性。1.2.3 淬透性 淬透性的波動范圍直接影響到齒輪的產(chǎn)品質(zhì)量。淬透性過低，則制成的齒輪滲碳淬火后，心部硬度低于技術(shù)條件規(guī)定的數(shù)值，疲勞試驗時，齒輪的疲勞壽命降低；若淬透性過高，則齒輪滲碳淬火后，內(nèi)孔收縮量過大而影響齒輪裝配。 在 20CrMnTi 鋼中，碳、錳元素顯著增強(qiáng)其淬透性，鉻元素則影響不大，鈦元素對淬透性的影響有兩個方面：當(dāng) Ti0.07時，提高淬透性；Ti0.07時，則降低鋼的淬透性。1.3 解放牌汽車變速箱變速齒輪的熱處理工藝設(shè)計 齒輪是機(jī)械設(shè)備及汽車中的重要零件，變速箱齒輪為汽車、拖拉機(jī)等發(fā)動機(jī)的重要部件，用于改變發(fā)動機(jī)曲軸和傳動軸的速度比。故齒面在較高的載荷沖擊載荷和交 變載荷等下工作，因此磨損快。在工作過程中，通過齒面的接觸 傳遞動力，兩齒面在相對運動過程中，既有滾動也有滑動，存在較大的壓應(yīng)力和摩擦力，經(jīng)常換擋使齒端部受到?jīng)_擊。要求變速箱齒輪具有高的抗彎強(qiáng)度、接觸疲勞強(qiáng)度和良好的耐磨性，心部有足夠的強(qiáng)度和沖擊韌性。齒輪在傳遞力及改變速度的運動過程中嚙合齒面之間既有滾動，又有滑動而且齒面還受到脈動或交變彎曲應(yīng)力的作用。1.3.1 服役條件 A 汽車齒輪的工作條件比機(jī)床要繁重得多，它們經(jīng)常在較高的載荷下工作磨損亦較大。 B 在汽車運行中由于齒根受著突然變載的沖擊載荷以及周期變動的彎曲載荷，會造成輪齒的脆性斷裂或彎曲疲勞破壞。 C 輪齒的工作面承受著較大的壓應(yīng)力及摩擦力，會造成麻點、接觸疲勞破壞及深層剝落，由于經(jīng)常換檔，齒的端部經(jīng)常受到?jīng)_擊，也會造成輪齒的端部破壞。 因此在耐磨性、疲勞強(qiáng)度、心部強(qiáng)度和沖擊韌性等方面的要求均比機(jī)床齒輪高。1.3.2 失效形式（1）疲勞斷裂 齒輪在交變應(yīng)力和摩擦力的長期作用下，導(dǎo)致齒輪點面接疲勞斷裂。其產(chǎn)生是由于當(dāng)齒輪受到彎曲應(yīng)力超過其持久極限就出現(xiàn)疲勞破壞而超過材料抗彎強(qiáng)度時，就造成斷裂失效；（2）表面損傷 a 點蝕：是閉式齒輪傳動中最常見的損壞形式，點蝕進(jìn)一步發(fā)展，表現(xiàn)為蝕坑至斷裂 b 硬化層剝落：由于硬化層以下的過渡區(qū)金屬在高接觸應(yīng)力作用下產(chǎn)生塑性變形，使表面壓應(yīng)力降低，形成裂紋造成碳化層剝落；3磨損失效 a 摩擦磨損：汽車、拖拉機(jī)上變速齒輪屬于主載荷齒輪，受力比較大，摩擦產(chǎn)生熱量較大，齒面因軟化而造成塑性變形，在齒輪運轉(zhuǎn)時粘結(jié)而后又被撕裂，造成齒面摩擦磨損失效 b 磨粒磨損：外來質(zhì)點進(jìn)入相互嚙合的齒面間，使齒面產(chǎn)生機(jī)械擦傷和磨損，比正常磨損的速度來得更快。 另外，齒輪除上述失效形式外，還有在換檔時，齒端相互撞擊，而造成的齒端磨損，或因換檔過猛或過載造成斷裂以及齒面塑性變形，崩角等失效形式。1.3.3 性能要求 根據(jù)變速齒輪服役條件及失效形式，對齒輪的性能作如下要求： （1）有較高的彎曲疲勞強(qiáng)度； （2）表面有高的硬度和耐磨性； （3）具有高接觸疲勞抗力； （4）足夠的塑性和韌性； （5）高的淬透性。 由于傳遞扭矩，齒根要承受較大的彎曲應(yīng)力和交變應(yīng)力由于傳遞扭矩，齒根要承受較大的彎曲應(yīng)力和交變應(yīng)力?虼艘蟊礱娓哂捕取吣湍裕撼菝嬗捕?58-64HRC ，心部硬度 30-45HRC。 由于變速箱齒輪轉(zhuǎn)速變化范圍廣，齒輪表面承受較大的接觸應(yīng)力，并在高速下承受強(qiáng)烈的磨擦力 輪齒在交變應(yīng)力的作用下，長時間工作可能發(fā)生疲勞斷裂 齒面在強(qiáng)磨擦作用下可能發(fā)生磨損和點蝕現(xiàn)象因此要求齒面有高的接觸疲勞強(qiáng)度。 由于工作時不斷換檔，輪齒之間經(jīng)常要承受換檔造成的沖擊與碰撞齒輪心部韌性過低時，在沖擊作用下可能發(fā)生斷裂 齒根高的彎曲 （強(qiáng)度 b1000Mpa） 因此要求齒輪心部較高強(qiáng)度、 ； （a 高韌性 k 60J/cm ）。 2. 20CrMnTi 鋼變速齒輪加工工藝路線及分析2.1 變速箱齒輪常用的加工工藝路線 下料鍛造等溫正火機(jī)械加工滲碳淬火回火噴丸磨削檢驗。2.2 各種工藝路線的分析2.2.1 等溫正火 鍛坯等溫正火是為消除內(nèi)應(yīng)力，改善、細(xì)化組織，為后續(xù)加做 準(zhǔn)備，便于切削加工。設(shè)備：RJX-75-9 930950 60010 2 1 空冷 t/h 圖 2-1 正火工藝曲線2.2.2 滲碳淬火回火a 滲碳：使機(jī)械零件獲得高的表面硬度，耐磨性和高的接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度。 滲碳溫度：920950，保溫時間按滲碳層深度確定，取 t6h，滲碳層深度：1.81.9mm 20CrMnTi 滲碳采用井式氣體滲碳爐滲碳，滲碳?xì)怏w使用碳?xì)浠衔镉袡C(jī)液體，如煤油、丙酮等直接滴入爐內(nèi)氣體而得，為提高滲入速度，是表面達(dá)到合適的含碳量，將滲入過程分兩個過程進(jìn)行，即滲入階段和擴(kuò)散階段。b 淬火：20CrMnTi 經(jīng)滲碳后直接進(jìn)行淬火。 齒輪滲碳后可預(yù)冷到 870880并保溫一段時間，預(yù)冷過程中滲碳層析出二次滲碳體，深層中殘余奧氏體量減少，預(yù)冷溫度不應(yīng)過低，以免心部游離鐵素體增多，降低心部硬度，預(yù)冷應(yīng)在爐內(nèi)進(jìn)行，并應(yīng)防止表面脫碳，選擇 870，預(yù)冷 2h。 淬火介質(zhì)選擇 10機(jī)械油，因為 20CrMnTi 淬透性好，油淬臨界直徑 DO40mm 油淬后可減少滲碳層中殘余奧氏體，提高耐磨性和接觸疲勞強(qiáng)度而心部有較高強(qiáng)度和韌性，淬火表面硬度 HRC5863心部HRC3345。設(shè)備：RQ3-75-9T。 其滲碳后淬火工藝路線如下： 圖 2-3 滲碳淬火工藝曲線c 回火：淬火后，工件內(nèi)存在淬火應(yīng)力，為消除殘余應(yīng)力，選擇低溫回火。低溫回火溫度為 180200，滲碳件選擇下限，回火后需經(jīng)磨削或噴丸處理，故選擇 180，保溫 2h 出爐空冷，其硬度 HRC5663。顯微組織為回火馬氏體殘余奧氏體。設(shè)備：RJ2-75-6。其回火工藝路線如下： 180200 2h 空冷 t/h 圖 2-3 回火工藝曲線2.2.3 噴丸處理 噴丸處理不僅是一個清潔工序，而且對齒輪的使用性能也有較大影響，但只有當(dāng)噴丸時間足夠長的情況下，噴丸對齒面抗麻點剝落性能才會得到有利的影響，如噴丸時間較短，則由于齒面光潔度差反而使壽命降低，噴丸對齒輪彎曲疲勞性能是有利的，但應(yīng)注意使丸粒直射齒根。2.2.4 檢驗： a. 外觀：表面無損傷、燒傷、嚴(yán)重腐蝕等缺陷； b. 滲層深度：1.81.9mm； c. 硬度：心部 3345HRC，齒面 5862HRC； d. 金相組織：馬氏體殘余奧氏體 3 各種熱處理工藝后的金相組織分析3.1 20CrMnTi 等溫正火后金相組織如下所示：20CrMnTi鍛造后等溫正火處理的金相圖如下所示: 圖 3-1100 圖 3-2（500） 浸蝕方法：4硝酸酒精溶液浸蝕 組織說明：均勻細(xì)小等軸狀的珠光體和鐵素體組織 20CrMnTi 是一種滲碳用鋼，滲碳前一般應(yīng)進(jìn)行正火處理，以細(xì)化晶粒、改善組織分布，為正常滲碳作好組織準(zhǔn)備。3.2 20CrMnTi（930滲碳后淬火、回火處理）金相組織如下圖所示： 20CrMnTi滲碳后淬火、回火處理金相圖 圖 3-3100 圖 3-4400 圖 3-5400 浸蝕方法：4硝酸酒精溶液浸蝕 組織說明：圖 3-3：表面滲碳層至心部組織分布形貌，回火溫度較低，表面合金 高碳馬氏體區(qū)較難浸蝕。圖 3-4：齒的節(jié)圓處滲碳層組織，針狀及隱針狀馬氏體34 級，殘 余奧氏體8 級，白色小條狀碳化物45 級。圖 3-5：齒角處滲碳層組織，基本與節(jié)圓相同，但碳化物趨網(wǎng)狀分布， 可評為 78 級。 4 熱處理工藝過程中的質(zhì)量檢驗項目4.1 滲碳淬火后齒輪的檢驗項目、內(nèi)容和要求檢驗項目 檢驗內(nèi)容及要求原材料質(zhì)量 用試樣檢查 化學(xué)成分、低倍組織、晶粒度、淬透性、帶狀組 織毛坯力學(xué)性能 用試樣檢查 檢查布氏硬度，按圖樣檢查b、0.2、 Ak外觀質(zhì)量 用齒輪檢查 滲碳淬火后100檢查表面氧化、裂紋及碰傷滲層深度 用試樣檢查 按圖樣要求，從表面測到HV550深度處為有效硬化 層深度，顯微檢查滲碳總深度時，碳鋼為過共析共析1/2 過渡區(qū)；合金鋼為過共析共析全部過渡區(qū)。?參觶參?層應(yīng)占總深度為5070表面硬度 用齒輪檢查 按圖樣要求，為HRC5862心部硬度組織 用齒輪檢查 按圖樣要求，為HRC3345 心部組織 為板條馬氏體少量鐵素體表面碳濃度 用試樣檢查 按圖樣要求，為0.751.0表層顯微組織 用試樣檢查 按ZB/T04 001-1988檢查，細(xì)針馬氏體分散細(xì)小 碳化物少量殘余奧氏體為佳，按標(biāo)準(zhǔn)圖，馬氏體和殘余奧氏 體15表面裂紋 不允許有裂紋100磁粉探傷批量件5件可抽查齒部磁粉探傷 模數(shù)/mm 缺陷最大尺寸/mm 2.5 0.8 2.58 1.6 8 2.4畸變 用齒輪檢查 按圖樣和工藝要求檢查4.2 滲碳齒輪的常見缺陷及防止措施缺陷名稱 產(chǎn)生原因 防止措施毛坯硬度偏高 正火溫度偏低或保溫時間 應(yīng)重新制訂正火工藝；檢查控 不足使組織中殘留少量硬 溫儀表，校準(zhǔn)溫度，控制正火 度較高（HV250）的魏氏 冷卻速度 組織，正火溫度超過鋼材 晶粒顯著長大的溫度毛坯硬度偏低 正火冷卻過緩 重新正火，加強(qiáng)冷卻帶狀偏析 鋼 材 合 金 元 素 和 雜 質(zhì) 偏 更換材料 析，一般正火難以消除層深不足 碳勢偏低；溫度偏低或滲 提高碳勢；檢查爐溫，調(diào)整工 期不足 藝，延長滲碳時間滲層過深 碳勢過高，滲碳溫度偏高； 降低碳勢；縮短周期，調(diào)整工 滲期過長 藝滲層不均 爐內(nèi)各部分溫度不均；碳 齒輪表面清洗干凈；合理設(shè)計 勢不均；爐氣循環(huán)不佳； 夾具；防止齒輪相互碰撞；在 工件相互撞碰；齒面有臟 齒輪料盤上加導(dǎo)流罩，保證爐 物；滲碳時在齒面結(jié)焦 內(nèi)各部溫度均勻；嚴(yán)格控制滲 碳劑中不飽和碳?xì)浠衔镞^ 共 析 共 析 爐氣碳勢過高；強(qiáng)滲和擴(kuò) 降低碳勢；調(diào)整強(qiáng)滲與擴(kuò)散期層比例過大（大 散時間的比例選擇不當(dāng) 的比例，如果滲層深度允許，于總深度的3 可返修進(jìn)行擴(kuò)散處理4）過 共 析 共 析 爐氣碳勢過低，強(qiáng)滲時間 提高爐氣碳勢；增加強(qiáng)滲時間；層比例過?。ㄐ?過短 可在爐氣碳勢較高的爐中補(bǔ)滲于總深度的12）表 面 碳 濃 度 過 爐氣碳勢過高，強(qiáng)滲時間 降低碳勢，縮短強(qiáng)滲時間；如高 形 成 大 塊 碳 過長 果滲層深度允許，可在較低碳化物網(wǎng) 勢爐中進(jìn)行擴(kuò)散處理；適當(dāng)提 高淬火溫度；進(jìn)行一次滲層的 球化退火表 面 殘 留 奧 氏 碳含量過高；滲后冷卻過 調(diào)整滲碳工藝控制碳含量；從體過多 快，碳量析出不夠，淬火 滲碳爐或預(yù)冷爐中出爐的溫度 溫度偏高 不宜過高；降低淬火溫度表 面 含 碳 量 過 爐氣碳勢過低，爐溫偏高； 提高碳勢；檢查爐溫，調(diào)整強(qiáng)低 擴(kuò)散時間過長 滲與擴(kuò)散時間的比例表層馬氏體針 淬火溫度偏高 降低淬火溫度粗大表 層 出 現(xiàn) 非 馬 升溫排氣不充分；爐子密 從設(shè)備和工藝操作上減少空氣氏體組織 封性差，漏氣，使表層合 進(jìn)入爐內(nèi)；適當(dāng)提高淬火冷卻 金元素氧化，淬火冷卻速 速度；在滲碳最后10min左右通 度低 入適量氨氣表層脫碳 滲后出爐溫度過高；爐子 防止?fàn)t子漏氣；降低出爐溫度； 出現(xiàn)嚴(yán)重漏氣；淬火時產(chǎn) 控制淬火時爐內(nèi)氣氛；鹽爐淬 生氧化 火脫氧要充分；補(bǔ)滲碳心部硬度偏低 淬火溫度過低；冷卻速度 提高淬火溫度；加強(qiáng)淬火冷卻； 不當(dāng)，心部游離鐵素體過 采用兩次淬火；更換材料 多；選材不當(dāng)畸變 淬火溫度偏高；冷卻方法 調(diào)整淬火工藝，合理設(shè)計夾具， 不當(dāng)；夾具設(shè)計不合理， 改善冷卻條件，改換鋼材 材料選擇不當(dāng) 5 質(zhì)量控制與檢驗方法5.1 隨爐試樣檢驗1表面硬度 根據(jù)有效硬化層濃度選用洛氏、表面洛氏等硬度計，選擇方法見表 5-1 或按各行業(yè)規(guī)定，并按 GB/T230 或 GB1818 規(guī)定檢測。硬度值應(yīng)符合圖樣技術(shù)要求。 表 5-1 有效硬化層深度 硬度范圍 硬度計量類別 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，可由設(shè)計者根據(jù)齒輪使用條件規(guī)定。 a 齒形試樣心部硬度的測定位置參見 GB8539。 b 當(dāng)用圓棒試樣時，在試棒長度中部截取 10mm 厚的試樣，在試樣橫截面中心處測定。試樣尺寸與模數(shù)關(guān)系應(yīng)符合表 5-1。3有效硬化層深度 a 對于滲碳淬火后需加的齒輪，滲碳的工藝層深應(yīng)為圖樣上標(biāo)湛劉的深度加上輪齒單側(cè)的加工余量。 b 有效硬化層深度的測定應(yīng)以硬度法為準(zhǔn)，測定部位按 GB8539 規(guī)定，測定方法按 GB9450、GB4340 規(guī)定，也可按各行業(yè)規(guī)定或生產(chǎn)廠與用戶的協(xié)議。 c 用金相法、斷口法檢測滲層深度時，應(yīng)預(yù)先找出與硬度法測定有效硬化層深度的關(guān)系，以保證成品齒輪滿足圖樣技術(shù)要求。 d 當(dāng)圖樣要求測定齒根有效硬化層深度時，應(yīng)在齒形試樣的法截面上向內(nèi)測定。 e 若隨爐試樣有效硬化層深度不符合技術(shù)要求，則從該批中至少再抽取一件齒輪解剖測定，并以其測定結(jié)果為準(zhǔn)。4表層含碳量 a 表層含碳量為表面至 0.10mm 深度范圍的平均含碳量。 b 如無特殊要求，表層含碳量一般控制在 0.81.0范圍內(nèi)，原則上不低于相應(yīng)鋼材的共析含碳量。 c 表層含碳量為表面至 0.10mm 深度范圍的平均含碳量。 d 如無特殊要求，表層含碳量一般控制在 0.81.0范圍內(nèi)，原則上不低于相應(yīng)鋼材的共析含碳量。 e 表層含碳量可用試樣剝層進(jìn)行化學(xué)分析，也可用金相法判別或用直讀光譜儀分析。 f 應(yīng)用各種碳控技術(shù)對滲碳過程進(jìn)行控制時，應(yīng)預(yù)先找出各種鋼材滲碳時，其表層含碳量與氣氛碳勢的關(guān)系。 g 當(dāng)新產(chǎn)品試制或工藝調(diào)試時，應(yīng)檢驗表層含碳量。在批量生產(chǎn)中，若滲碳過程無任何氣氛控制措施時，應(yīng)定期檢驗表層含碳量。5表層組織