毕业论文-汽车齿轮预先热处理研究40128.doc

2011 届 分 类 号 ： tg142 单位代码 ：10452 本 科 专 业 职 业 生 涯 设 计 坚持不懈，勇创未来 -汽车齿轮预先热处理研究 姓 名 学 号 年 级 专 业 系 （院） 指导教师 2010 年 3 月 11 日 临沂大学工学院本科专业职业生涯设计 i 目 录 第一部分 1 坚持不懈，勇创未来 1 1 引言 1 2. 机械学科专业的发展方向 1 3. 自我评价 2 4. 通过提高专业知识应用和综合素质提高的课程来提高自己 3 5. 实习、实践计划 .3 第二部分 5 汽车齿轮预热处理研究 5 摘 要 .5 abstrat .6 1 绪 论 .7 1.1 前言 7 1.2 汽车渗碳钢的现状与发展 7 1.3 预先热处理的现状及存在的问题 8 2 预先热处理原理及分析 8 2.1 渗碳钢的正火工艺 8 2.2 钢的正火组织、硬度与切削加工性能 9 2.3 钢的渗碳淬火变形 .10 3 实验材料、实验方法及实验结果 .12 3.1 实验材料及实验设备 .12 3.1.1 实验材料 12 3.1.2 实验设备 12 3.2 实验方法 .13 3.2.1 热处理工艺的确定 13 3.2.2 制备试样 14 3.2.3 金相组织观察 14 3.2.4 硬度测试 14 3.3 实验结果及实验分析 .14 3.3.1 普通正火的金相显微组织与性能分析 14 3.3.2 等温正火的金相显微组织与性能分析 16 3.3.3 锻造余热等温正火的组织与性能 18 临沂大学工学院本科专业职业生涯设计 ii 3.4 锻造余热等温正火工艺参数的优化 .20 3.4.1 钢件等温前冷却速度的影响 20 3.4.2 钢件等温温度的影响 21 3.4.3 等温保持时间的影响 21 3.4.4 锻造毛坯锻造余热等温正火工艺的制定原则 21 3.5 锻造余热等温正火对渗碳淬火后奥氏体晶粒度的影响 .22 结 论 24 参考文献 .25 致 谢 辞 26 临沂大学工学院本科专业职业生涯设计 1 第一部分 坚持不懈，勇创未来 1 引言 好的计划是成功的开始，古语讲，凡事“预则立，不预则废” 就是这个道理，所以 我明白拥有成功的职业生涯才能实现完美的人生。 在今天这个人才竞争的时代，职业生涯规划开始成为在人争夺战中的另一重要利 器。对企业而言，如何体现公司“以人为本” 的人才理念，关注员工的人才理念，关注 员工的持续成长，职业生涯规划是一种有效的手段；而对每个人而言，职业生命是有 限的，如果不进行有效的规划，势必会造成生命和时间的浪费。作为当代大学生，若 是带着一脸茫然，踏入这个拥挤的社会怎能满足社会的需要，使自己占有一席之地？ 因此，我试着为自己拟定一份职业生涯规划，将自己的未来好好的设计一下。有了目 标，才会有动力。 2 机械学科专业的发展方向 转眼间，大学四年即将过去，将要踏入社会，我感到很迷茫，不知道自己该去干 什么，不知道自己想要去干什么，同样也不知道自己能干什么。在这种情况下我怎样 去面对社会和未来？因此，我试着自己拟定了一份职业生涯设计，好好的分析一下当 今的社会就业情况以及自己在各方面的优势和劣势，从而制定出自己的目标和奋斗方 向。 但如果着眼今后，可以这样说，机械行业将焕发生机。经过数年的改革调整，我 国的机械企业逐步摆脱了计划经济的束缚，确立了现代企业制度，机械行业逐步跟上 市场经济和信息时代的步伐；而且，随着形势的发展，中国的制造业将得到较大的发 展，有专家预测，21 世纪的中国很可能成为全球的制造业和加工工业中心，在这种形 势下，对机械的需求必将有较大的提升。行业得到发展，继而会对用人提出数量方面 和质量方面的要求，因此专家预测，机械类专业人才的就业需求将得到改善，甚至有 可能出现“热销 ”局面，高层次的技术人才将成为企业竞相争夺的对象。 机械制造是将设计输出的指令和信息输入机械制造系统，加工出合乎设计要求的 产品的过程。机械制造科学是研究机械制造系统、机械制造过程和制造手段的科学。 它包括机械制造冷加工和机械制造热加工两大部分 时至今日，机械工程的理论基础不再局限于力学，制造过程的基础也不只是设计 与制造经验及技艺的总结。今天的机械工程科学比以往任何时候更紧密地依赖诸如数 临沂大学工学院本科专业职业生涯设计 2 学、物理、化学、微电子、计算机、系统论、信息论、控制论及现代化管理等各门学 科及其最新成就。 先进制造技术是传统制造业不断吸收机械、电子、信息、材料及现代管理等方面 的最新成果，将其综合应用于制造的全过程，以实现优质、高效、低消耗、敏捷及无 污染生产的前沿制造技术的总称。 当今制造技术的主要发展趋势是：制造技术向着自动化、集成化和智能化的方向 发展；制造技术向高精度方向发展；综合考虑社会、环境要求及节约资源的可持 续发 展的制造技术将越来越受到重视。 现代机械工程学、现代制造业越来越多地体现着知识经济的特征，人才的作用越 来越大，对人才的要求越来越高，对高素质机械类专业人才的培养越来越迫切。 机械工程科学是一门有着悠久历史的学科，是国家建设和社会发展的支柱学科之 一。 机械制造业是制造业的重要组成部分，是国家工业体系的重要基础和国民经济各 部门的装备部。机械制造技术水平的提高与进步对整个国民经济的发展，以及科技、 国防实力的提高有着直接的重要的影响，是衡量一个国家科技水平和综合国力的重要 标志之一。 3 自我评价 自己的性格特点：内、向并兼，对事物偏于理性认识积极主动，勤奋向上，只要 我认为应该做的事，不管有多少麻烦都要去做，但却厌烦去做我认为毫无意义的事情； 实事求是，有目标有想法，追求具体和明确的事情，喜欢做实际的考虑；与人交往时 比较谦逊、有同情心，对朋友忠实友好，有奉献精神，喜欢关心他人并提供实际的帮 助；做事有很强的原则性，学习生活比较有条理，愿意承担责任。 大学的生活给了我许多机会来锻炼自己，使自己的能力得到全面的提高。但是从 自己对专业知识的掌握情况来说，我觉得自己的专业知识不是很扎实，知识面很窄， 没有自己很专业、很精通的一科，还有自己虽然喜欢动手，可是动手能力却很有限。 1）专业课知识掌握的还不够扎实，还需继续努力学习把基础打牢，为以后的学习 和工作准备好。 2）基础技能还没有掌握好，英语还没有达到作为一个研究生的要求。计算机能力 还没有达到同步的能力，需要大力提高，尤其是各种机械应用软件，仅仅处于初级阶 段。 3）没有一点有关专业方面的工作经验，对现在的机械行业不是很清楚，需要加大 在这方面的了解 临沂大学工学院本科专业职业生涯设计 3 4 通过提高专业知识应用和综合素质提高的课程来提高自己 选修一些课程来提高自己的专业方面的知识，主要包括：高等数学、工程数学、 机械制图、工程力学、电工与电子技术、机械工程材料、公差与技术测量、机械设计 基础、液压与气动技术、机械专业英语、金属工艺学、金属切削原理与刀具、金属切 削机床、机械制造工艺及夹具、机械工程检测技术、机械设备控制技术、计算机绘图、 现代制造技术、专业英语。机械制造专业认识、机械制图实训、电工与电子技术实训、 公差与技术测量实训、机械设计实训、金工实训、职业技能鉴定实训、毕业设计、生 产实习。这些课程中大部分都是机械学科中的基本学科和一些基本实践。 将来进入研究生的学习中将接触更加专业的知识，将对某一方面进行更加深入的 研究。现在我应该将所学的专业基础知识掌握牢固，为将来的研究打好基础。 我对部分专业基础课程进行了一些分析，以备更好的进行掌握： 机械制图：本课程主要讲述了制图的基本知识，投影的基本特性，基本几何体投 影分析，截交线、相贯线、组合体的三视图及尺寸标注、视读组合体三视图、机件的 表达方式，剖视图的画法、标注、种类及应用、断面图、局部放大图、简化画法及表 达方式的应用举例 、零件图的内容及典型零件的视图表达方法、零件图的尺寸标注、 零件图的技术要求、表面粗糙度的标注方法、零件图的识读方法、步骤与举例、零件 测绘、常用零件的画法、装配图概述、装配图的表达方法、装配体的测绘、读装配图 等。 机械设计基础：本课程包括机械原理和机械零件两部分，主要为机构的组成、机 械传动原理和分析，通用零部件选用等内容。本课程的任务是培养学生掌握常用机构 和通用机械零件的基本知识和基本技能，初步具有分析和设计机械零部件的能力，使 学生认识物体机械运动的基本规律，学会运用这些规律和方法去分析解决工程实际中 简单的力学问题，使学生掌握有关杆件的强度、刚度、稳定性的基本概念以及必要的 基础知识和一定的计算能力；初步具有确定机械运动方案的能力 计算机绘图：本课程主要内容：计算机绘图系统的组成及功能，图形的数学处理 方法，编制绘图程序的方法和技巧；了解常用绘图软件包的内容、功能及编辑使用方 法。 金属切削机床：本课程内容包括机床传动的基础知识，车床、铣床、钻床、镗床、 磨床、刨床、拉床、齿轮加工机床、自动车床、数控机床等典型机床介绍，机床常见 故障与维护等。通过上述内容的介绍，阐述了机床性能、传动、结构组成及其工作原 理，机床的调整使用、维护以及设计简单专用机床，进行机床改装的基本方法。 临沂大学工学院本科专业职业生涯设计 4 5 实习、实践计划 作为一名要考研究生的学生来说，我们接触实践的机会很少，但我要好好利用假 期的时间进入工厂充实自己，以掌握更多的实践知识，为将来的实验研究和理论学习 做准备。 1）实习期间，要努力工作，增加技能，使自己的动手能力得到提高，从实习中获 得在课本上永远学不到的实践经验和知识，并且在实习期间，要多运用自己的理论知 识去解决实际问题，是自己在学校所学的知识得到充分的运用。 2）要学习怎样与同事、领导相处，使自己的社交能力得到提高。 3）在实习期间，还要学习企业的管理方法，并且注意这个企业的企业文化，为将 来更好的发展积累一点经验。 4）学习各类机床的使用操作方法，为自己扩大就业的机会。 我要在实习的时候努力做到： 在把技术搞好的同时，我安心的学习，虚心向别人请教，耐心的对待每一个问题， 不放过任何一个自己遇到的问题，要善于发现问题。我不断的学习新知识，完善自己 的知识结构，活到老学到老! 在学习当中，我能很好的和同学之间和睦相处，相互理解,增进了解,达到谅解。 在生活上我不断上进,有认真一致的心态，有那种追求的锲而不舍的精神,它将指引 着我意气风发,更好走好自己的每一步。 为之付出了很大的努力,不断的思考自己所遇到的问题.其实在生活中这样的事情也 是很多的,当我面对很多问题的时候所采取的具体行动也是不同的,这当然也会影响我的 结果.很多时候问题的出现所期待我的是一种解决问题的心态,而不是看我过去的能力到 底有多强,那是一种态度的端正和目的的明确,只有这样把自己身置于具体的问题之中,才 能更好的解决问题。 我觉得要成为真正的机械师,不是一步就能完成的,要慢慢积累，路慢慢其修远兮,吾 将上下而求索! 在社会这样一个大群体里面,沟通自然是为人处世的基本,如何协调彼此 的关系值得我去深思和体会.在学习机械当中依靠与被依靠对我的触及很大，在往后的 学习当中我将会加倍努力，还应该不断的去更新自己的知识，这样才能在机械师这片 领地闯出属于自己的天空。 临沂大学工学院本科专业职业生涯设计 5 第二部分 汽车齿轮预热处理研究 摘 要 22crmoh 钢和 20mncr5 钢高温锻造直接空冷（或风冷）后获得贝氏体组织，而且 晶粒粗大，硬度较高，切削加工性能较差，须进行预先热处理。本文研究了普通正火、 等温正火和锻造余热等温正火三种工艺对 22crmoh 和 20mncr5 两种齿轮钢毛坯组织和 性能的影响规律，采用等温正火、锻造余热等温正火两种等温正火工艺都可在一个比 较宽的温度范围内（580660）获得最佳的显微组织和硬度，生产中容易控制,锻造 余热等温正火得到的无论是铁素体组织还是贝氏体组织，都比相同等温温度下等温正 火的组织粗大。其次对锻造余热等温正火工艺参数进行了优化。最后介绍了锻造余热 等温正火对渗碳淬火后奥氏体晶粒度的影响 关键词：预先热处理；普通正火；等温正火；锻造余热等温正火 临沂大学工学院本科专业职业生涯设计 6 abstrat 22crmoh steel 20mncr5 steel and high temperature forging direct air-cooled (or air) was bain tic organizations, and large grains, high hardness, poor machining performance, subject to pre-heat treatment. in this paper, the general normalizing, normalizing and isothermal heat isothermal forging process of normalizing the three 22crmoh and two gear steel 20mncr5 rough performance of organizations and the law of normalizing the use of isothermal, isothermal forging heat two isothermal normalizing technology can be a relatively wide temperature range (580-660) can get the best of the microstructure and hardness, easy to control , isothermal forging normalizing heat received both ferrite or banister organization, than the same isothermal temperature isothermal normalizing large organizations. the second heat of the isothermal forging normalizing optimized process parameters. finally, isothermal forging normalizing heat of cementite after quenching effects of austenite grain size. keywords: preheating treatment; general normalizing; isothermal normalizations; isothermal normalizations by forging remaining heat. 临沂大学工学院本科专业职业生涯设计 7 1 绪 论 1.1 前言 在汽车生产中，齿轮是必不可少的基本零件。齿轮质量，尤其是后桥齿轮、变速 箱齿轮，时常出现总成装配困难、噪音大及齿面磨损等问题。经调查分析，齿轮渗碳 淬火后变形波动是影响总成质量的主要原因之一。渗碳齿轮钢锻件毛坯预先热处理获 得的显微组织和硬度对切削加工性能和渗碳淬火的变形规律有重大的影响。目前，改 善齿轮毛坯性能的传统预先热处理工艺是再加热正火，即采用普通正火工艺，经大量 生产实践证明采用普通正火工艺难以满足切削加工及稳定渗碳淬火后变形规律的要求 1。 在影响渗碳钢变形的诸因素中，人们的注意力往往集中在渗碳淬火方面，而忽视了锻 坯预先热处理对变形的影响。近年来随着各类车型材料的引进，制造加工水平的提高， 对合金渗碳齿轮钢锻造毛坯预先热处理工艺进行改进提出了更高的要求。20 世纪 80 年 代等温正火已在词典中出现，但关于汽车齿轮钢经高温加热、连续冷却的正火显微组 织的研究以及在生产中的控制，尤其是利用锻造余热等温正火方面，未见报道 2。如何 改进合金渗碳齿轮钢锻造毛坯预先热处理工艺，改善切削加工性能、稳定渗碳淬火后 的变形，提高总成质量及整车的可靠性，成为影响汽车齿轮发展的重大课题，具有重 大实际意义和理论学术价值。 1.2 汽车渗碳钢的现状与发展 汽车齿轮、传动轴等重要零件一般均采用低合金渗碳钢制造，这类钢材是汽车用 合金结构钢中使用最广、用量最大的钢种之一，一般都需要经过锻造、预先热处理、 切削加工、渗碳、淬火、回火等多道冷热加工工序，以获得高的表面硬度和较好的心 部韧性，使工件具有耐磨、耐疲劳和耐点蚀等良好的特性。随着国外先进车型的引进， 各种齿轮钢的国产化使我国的齿轮钢水平上了一个新台阶。目前，德国的 cr-mn 钢， 日本的 cr-mo 系钢，和美国的 sae86 钢满足了中小模数齿轮用钢。针对钢材淬透性能 对轮齿心部的硬度和畸变都有极其重大影响的因素，近年来，由于我国钢材冶炼技术 水平的提高以及合金结构钢供应情况的改善，已经有条件把齿轮钢的淬透性带进一步 缩窄，长春一汽生产“ 解放 ”牌 9t 载货汽车后桥齿轮时，由于 20crmntih 钢易发生早期 失效，参考了日本的 scm822h 钢，与钢厂协商，生产出了国产化的新钢种 22crmoh 钢，其淬透性能指标为 j9=36 hrc42hrc，较好地满足了汽车齿轮的使用要求。随 着汽车产品技术水平的日益提高及市场竞争的日益激化，汽车齿轮用钢正处于由各大 企业的经验型向科学化、国际化方向发展的过度阶段，由各具特色的 cr-ni 钢、cr-ni- 临沂大学工学院本科专业职业生涯设计 8 mo 钢、ni-mo 钢向低成本、通用的 cr-mo 钢、cr-mn 钢过渡。因此必须采用相应合 理的热处理新工艺与之相配合 3。 1.3 预先热处理的现状及存在的问题 锻造毛坯的预先热处理，不仅对切削加工性能有极大影响，而且对最终热处理变 形也有重大影响。为了提高齿坯的可切削性，消除锻造应力，使组织均匀化。目前， 国内对渗碳钢齿坯普遍采用正火处理。正火是将钢材或钢件加热到临界点 ac3 或 acm 以上的适当温度，保持一定时间后在空气中冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺。 正火是一种传统的老工艺，因其设备、工艺要求简单，能耗少，一直被广泛采用。但 并非完美无缺，随着汽车工业的发展及对产品质量要求的提高，特别是引进车型用钢 材料的多样化，普通的正火处理已达不到齿坯预先热处理的目的。鉴于普通正火处理 是将钢件加热到高温奥氏体化后在空气中（有时吹风）冷却到室温，属于毛坯热处理， 加之以往对正火钢件要求的硬度范围较宽（hb156 207） ，一般不检查显微组织，又 多在锻造工厂（车间）进行，故通常容易被人们所忽视。对于锻件正火后究竟需要获 得什么样的显微组织形态和硬度指标，既缺乏深入理论研究，又缺乏生产性实践探讨。 现行的 qc/t262-1999 汽车渗碳齿轮金相标准是按锻后重新奥氏体化正火工艺提出的， 而且要求晶粒度小于 5 级，对切削加工并非恰当。实际上我国目前普遍存在这类零件 切削后表面光洁度差，切削刀具使用寿命低，渗碳淬火前后变形波动较大等问题，与 正火显微组织不良，硬度不佳有密切的关系 4。在生产实际中，渗碳钢锻造毛坯经正火 处理后，由于不能控制正火的冷却速度，因此奥氏体分解相变无法控制，必然在一个 温度区间内连续进行。因而获得的显微组织和硬度也可能不同，有些钢件由于冷却速 度较大，有可能局部甚至全部获得非平衡组织（-fe 魏氏组织、贝氏体等） ，这不仅影 响切削加工性能，而且也会改变钢件渗碳淬火后的变形规律，会因变形过大而报废。 这种情况在淬透性波动较大的钢中更易出现。对于冷却速度较小的钢件，由于钢的硬 度过低，切削时易发生塑性变形，形成切削瘤，出现“粘刀” 、 “烧刀”现象。近年来，随 着引进车型带来齿轮材料多样化和对齿轮质量的高标准要求，采用普通正火处理已难 以满足汽车生产的要求。锻件的正火处理不仅要求硬度在一个较窄的范围之内（钢件 切削加工时易断屑，表面光洁） ，而且要求获得稳定的显微组织（较粗的铁素体晶粒加 较细的珠光体） ，以改善切削加工性能及稳定渗碳淬火后的变形规律。为了满足上述要 求，需对正火工艺进行改进,以获得正火所要求的显微组织和硬度范围 5。 2 预先热处理原理及分析 2.1 渗碳钢的正火工艺 正火是渗碳钢锻件预先热处理的主要手段。其目的是消除或改善坯料制备时所造 临沂大学工学院本科专业职业生涯设计 9 成的各种组织缺陷，获得最利于切削加工的组织和硬度，改善组织中相的形态和分布， 细化晶粒，为最终热处理作好组织准备。 正火工艺原则上是将钢件加热至 ac3 或 acm 以上 3050，保温一定时间，使 奥氏体均匀化，然后出炉在空气中或以其他方式冷却。由于正火是为了获得珠光体类 组织，要求其冷却速度要小于其临界冷却速度，否则，会发生贝氏体或马氏体转变。 在实际生产中，正火加热温度常常略高于上述温度。如果正火作为预先热处理， 则更宜取上限温度，提高加热温度能够促进奥氏体均匀化，增大过冷奥氏体的稳定性， 这样有利于组织均匀化。另外，为了减少后序渗碳、淬火后的变形缺陷，要求其奥氏 体化温度要高于以后进行的热处理温度。 正火的加热速度应考虑钢的成份、前后工序情况、工件大小、装载量等因素。一 般无需严格控制，但为防止变形开裂，一般情况下，低合金钢中、小件的加热速度常 用 50100 /h，以使钢件各部分温度均匀。 保温的目的是为了使工件透烧和得到比较均匀的奥氏体，保温时间的确定，应考 虑钢的成分、原始组织、装载量等因素。在实际生产中，常采用经验公式 =kd 来 估算加热保温时间。若正火加热温度较高，则保温时间应适当缩短。 冷却速度对钢正火后的组织和性能影响的一般规律是：冷却速度越大，奥氏体分 解温度越低，则珠光体转变产物越细，应力越大，硬度越高。冷却过慢，会出现大块 铁素体，造成工件过软。所以，为达到预期效果，冷却速度应适当控制。正火件一般 为空冷，对渗碳钢以及大件等正火有时采用吹风冷却，甚至喷雾冷却。 等温正火是指合金钢件经奥氏体化后直接进入等温炉或随炉冷至等温温度保持一 定时间使其完成 +p 或 p 相变，而后出炉空冷的工艺过程，适合于过冷奥氏体相当稳 定 p 相变温度范围窄的中高碳合金钢种。由于 70 年代以前无等温正火这个名词，人们 把低碳合金钢锻件的等温处理也叫等温退火,80 年代以来等温正火名称已在词典中出现 6。一般把合金渗碳钢特别是低合金渗碳钢锻件的等温处理称为等温正火。齿坯采用等 温正火，能够对相变进行控制，即齿坯奥氏体化后，迅速冷却到 a1 以下的珠光体相变 温度等温，使相变在等温温度下进行，由于等温正火能够有效地控制冷却时的相变， 使相变在等温温度下进行，避免了带状组织超差，非平衡组织（-fe 魏氏体组织、贝 氏体组织、马氏体组织）出现。为切削加工及渗碳淬火做了组织和性能准备。 2.2 钢的正火组织、硬度与切削加工性能 钢件的切削加工性能对于大批量、连续化、多刀切削生产的汽车零件至为重要。 许多渗碳钢制件（如汽车齿轮） ，形状复杂，切削加工量大，而且在渗碳淬火后不再进 行磨削精加工，因而要求钢件具有良好的切削加工性能，以达到高速切削、切削耗能 小、刀具磨损少和表面光洁度高。为此，需要钢件具有合适的显微组织和硬度配合。 临沂大学工学院本科专业职业生涯设计 10 对于低碳合金渗碳钢，应具有晶粒均匀的先共析铁素体加细片珠光体组织，而且彼此 分布均匀,硬度一般在 hb160180 之间为最佳 7。 材料的切削加工性是指对某种材料进行切削加工的难易程度。钢件的切削性能， 主要取决于其力学性能和显微组织，而力学性能又受显微组织的影响。被加工钢件的 硬度、强度越高，刀刃插入和劈开表面层的阻力越大，切削热越高，刀具磨损也就越 快；钢件的硬度、强度过低时，塑性往往增大，切削时不易断屑，而且钢件容易与刀 刃粘结，刀具容易发生冷焊磨损，使刀具的使用寿命降低，而且容易产生积屑瘤使加 工表面质量恶化，降低钢件表面光洁度。 锻造毛坯采用普通正火处理，在冷却过程中，由于钢件成堆在空气中冷却或吹风 冷却，位于堆的表面和中心的冷却速度不同，季节变化，空气流通情况也不同，其冷 却速度就不一样，加之钢件发生的连续冷却转变是在一个相当大的冷却温度范围内完 成的。因而获得的显微组织和性能也不尽相同。当齿坯的散热条件较好，冷却速度较 快，奥氏体在珠光体相变范围内没有完全转变，就降到贝氏体相变温度范围，过冷奥 氏体转变为贝氏体型组织，即出现了非正常组织，比如粒状贝氏体等。非正常组织的 出现，使硬度偏高甚至超高，硬度达到 hrc43 或更高，给切削加工带来很大的困难， 刀具磨损快，易烧毁，这不仅增加工具消耗量，而且严重影响零件加工质量和生产效 率 8。当齿坯的散热条件较差，冷却速度较慢，就可能出现正火带状组织超差。如果原 材料有成分偏析，比如磷或锰偏析，磷是提高 a3 的元素，含磷量增加 0.1%时，ac3 提高 41。锰是降低 a3 的元素。当在两相区冷却过慢时，碳原子有充分时间扩散， 铁素体首先在含磷量较高或含锰量较低的区域析出，而相邻的区域造成碳原子富集， 因此形成了铁素体带和珠光体带相互交替的带状组织。具有这种组织的齿坯，其硬度 可能合格，有时可能偏低，这样的齿坯，其加工性随切削方向和方法而异。当沿某一 方向插齿或滚齿时，容易啃皮，加工表面凹凸不平，表面光洁度很差；拉削时容易粘 刀，形成强迫拉削状态，使花键孔拉削尺寸超差，拉削部位变形应力增加，造成渗碳 变形量增大。 在相近的力学性能下，钢料的显微组织对切削加工性能有明显的影响。面心立方 晶格的奥氏体与体心立方晶格的铁素体相比，因其形变硬化指数高、导热系数小、原 子间结合力强等，使切削加工性能降低。贝氏体尤其是粒状贝氏体，因含有难加工的 岛状马氏体和残留奥氏体。比珠光体切削加工性能差。在铁素体加珠光体的显微组织 中，粒状珠光体因比片状珠光体的塑性高而使切削加工性降低。钢的显微组织中有硬 质相或组织如碳化物、氮化物、硼化物或马氏体等，对刀刃有机械磨损作用，它们的 硬度越高、数量越多、尺寸越大、外形呈尖角、分布不均匀，损伤刀具越严重。严重 的带状组织和混晶组织也会使钢料的切削加工性能恶化 9。 临沂大学工学院本科专业职业生涯设计 11 2.3 钢的渗碳淬火变形 在机械组件中，由于变形引起的齿轮几何形状的变化，实质上是产生噪音和局部 应力集中的根源，这使其使用寿命降低。而且对于大多数汽车渗碳钢件，渗碳淬火后 一般不进行磨削加工，其渗碳淬火后的变形直接影响到装配总成的最终质量，因此渗 碳零件热处理时的变形必须严格控制。影响渗碳钢件变形的因素很多，主要有如下几 个方面：（1）零件形状；（2）材料（钢种、淬透性等） ；（3）锻造；（4）毛坯热处 理；（5）机械加工；（6）渗碳淬火规范。对于大量生产的汽车零件，在影响渗碳钢 件变形的诸因素中，人们的注意力往往集中在渗碳淬火方面，而最易忽视的是锻坯的 预先热处理正火。在实际生产中常常出现的零件渗碳淬火后变形过大的现象，往往 正是由于预先热处理不当引起的。变形的表现形式是多样的，但就其产生根源，可分 为内应力（热应力和组织应力）造成的应力塑性变形和比容变化引起的体积变形（即 比容变形） 。由于渗碳淬火前后钢件的显微组织不同，而不同的显微组织的比容是不同 的，因而钢件渗碳淬火后的体积必然与渗碳淬火前不同。不同的体积变化，对于厚薄 不均的零件又会引起形状变化 10。但是只要掌握其尺寸变化规律，可以通过控制切削 加工留好的预变形量，就可以使零件渗碳淬火后少量变形甚至不变形。 在合金渗碳钢中，各种组成相和组织的比容随含碳量的变化如图 1 所示，可以看 出，渗碳体和铁素体的比容不受含碳量的影响，由铁素体和渗碳体的混合组成的珠光 体（当其组成相的比率一定时） ，其比容也不受含碳量的影响。马氏体的比容均随含碳 量的增大而增大，而且马氏体的比容既大于相同含碳量的奥氏体，又大于铁素体。贝 氏体的比容因其组成相的不同而不同，但其中的条状铁素体因固溶少量的碳原子，其 比容较先共析铁素体为大。如果形成的是粒状贝氏体，其中含有受含碳量影响的马氏 体/奥氏体岛而使其比容变化复杂，但一般都比珠光体的比容大。 钢坯的显微组织不同，切削加工后的残余应力也不相同，这种残余应力的性质和 大小也是引起钢件渗碳淬火后变形的重要因素。残余应力越大，变形也越大。在相同 的切削条件下，显微组织为由较为粗大奥氏体晶粒形成的铁素体加珠光体组织，切削 后残余应力小，而贝氏体特别是由存在马氏体/奥氏体岛的粒状贝氏体切削后的残余应 力大。 临沂大学工学院本科专业职业生涯设计 12 图 1 钢中各种组成相和组织的比容及含碳量对比容的影响 因此，从减小渗碳钢件淬火变形考虑，其渗碳淬火前的显微组织应是由较为粗大 奥氏体晶粒形成的先共析铁素体加珠光体为佳，因为它在渗碳淬火前后的变形规律比 较固定。切削加工后的尺寸可以按其渗碳淬火后变形造成的涨缩进行设计，如果正火 组织是贝氏体或含有部分贝氏体将会破坏原变形规律，并使切削后残余应力增大，从 而引起大的变形，小则降低精度大则报废。 3 实验材料、实验方法及实验结果 3.1 实验材料及实验设备 3.1.1 实验材料 试验用钢主要是合金渗碳钢 22crmoh 齿轮钢和 20mncr5 齿轮钢，试样尺寸为 3012mm。主要化学成分见表 1（wt%）： 表 1 化学成分对照表 钢号 c mn si s p cr al mo 22crmoh 0.21 0.82 0.31 0.014 0.014 1.14 0.36 20mncr5 0.20 1.40 0.08 0.029 0.011 1.06 0.036 3.1.2 实验设备 1)加热设备（由 hld 型多点温度记录仪控制）见表 2 表 2 加热设备详表 型号 额定电压 项数 额定功率 额定温度 工作尺寸 rj2-35-6 380v 3 35kw 650 500*600 rj2-50-12 380v 3 50kw 1200 600*800 2)制样设备见表 3 表 3 制样设备详表 设备 型号 规格 备注 临沂大学工学院本科专业职业生涯设计 13 试样切割机 sf365/315 功率：3.4kw 转数：9300 r/min 锯片直径： 315mm 北京兴东瀚科技 有限公司 试样抛光机 p-2t 功率：180w 抛盘直径： 200mm 转速：1400r/min 电压：220v 莱州市蔚仪试验 器械制造有限公 司 金相显微镜 dmm-100c 上海蔡康光学仪 器公司 3)硬度计见表 4 表 4 布式硬度计 设备 型号 备注 布式硬度计 th600 上海君达仪器厂 3.2 实验方法 3.2.1 热处理工艺的确定 为了优化汽车齿轮钢的预先热处理工艺，本研究选择三种热处理工艺进行对比实 验。 1)普通正火工艺 表 5 普通正火工艺参数 加热温度 保温时间 冷却方式 930 3h 空冷 普通正火工艺曲线如图 2： 图 2 普通正火工艺曲线示意图 2)等温正火工艺 临沂大学工学院本科专业职业生涯设计 14 等温正火工艺参数如下： 将试样加热至 930保温 3h，风冷至 600后放入温度为 600的炉内保温 3h 后空 冷。 3)锻造余热等温正火工艺 锻造余热等温正火参数如图 3： 图 3 等温正火工艺曲线示意图 将锻件加入炉内加热至 930保温 3h，出炉风冷至 600放入温度为 600的炉内保 温 3h 后空冷。 3.2.2 制备试样 将不同预先热处理工艺条件下的试样，经粗磨和细磨工序，然后在 p-2t 型金相试 样抛光机上抛光。 最后将磨制、抛光后的试样用 4%的硝酸酒精溶液腐蚀，制样完毕。 3.2.3 金相组织观察 将上述制备好的试样在 dmm-100c 型数字金相显微镜 400 倍下观察金相组织，并 编辑实验图片。 3.2.4 硬度测试 将不同预先热处理工艺条件下的试样打磨抛光，用 th600 型布氏硬度计测量硬度 值。锻造余热等温正火曲线如图 4： 图 4 锻造余热正火工艺曲线示意图 临沂大学工学院本科专业职业生涯设计 15 3.3 实验结果及实验分析 3.3.1 普通正火的金相显微组织与性能分析 普通正火工艺主要考察了冷却速度对组织及性能的影响规律：冷却速度对 22crmoh 钢、20mncr5 钢硬度的影响如图 5 所示，即随着冷却速度的增大，其硬度逐 渐增高。在相同冷却速度下，22crmoh 钢的硬度比 20mncr5 钢稍高，但获得最佳硬度 （hb 170 180）的冷却速度范围都比较小。 22crmoh 钢、20mncr5 钢经不同冷却速度正火处理后显微组织的变化规律基本相 同，22crmoh 钢经不同冷却速度正火处理后的显微组织如图 6 所示，可以看出，当冷 却速度较小时，其显微组织为先共折铁素体加珠光体，如图 6（a） 、 （b）所示，当冷却 速度较大时，显微组织中将有贝氏体出现，图 6（c ） 、 （d）所示的是铁素体加贝氏体。 试验用钢的等温转变图（ttt）和连续冷却图（cct）如图 7、图 8 所示。可以看 出，虽然试验用钢的化学成分不同，过冷奥氏体分解动力学参数有所不同，但其固态 相变规律基本相同，其特点是： （1）先共析铁素体转变线位于贝氏体开始转变线上方稍右，珠光体转变比较滞后。 （2）在连续冷却条件下，获得铁素体加珠光体组织，满足正火要求的的冷却速度 范围较窄。 （3）在相当大的冷却速度范围内都会发生贝氏体转变，获得铁素体加珠光体加贝 氏体，铁素体加贝氏体、贝氏体加马氏体组织。 （4）在 560700 温度内都可以发生铁素体加珠光体转变，在 560680温 度范围内等温处理，都可以获得正火要求的组织及硬度。 图 5 实验用钢的正火冷却速度对硬度的影响 临沂大学工学院本科专业职业生涯设计 16 （a ）0.1s：（b）0.25s：（c）1s：（d）2.5s 图 6 22crmoh 钢试样经不同冷却速度正火后的金相组织 如果增高钢的奥氏体化温度，其冷却转变图也有变化，如图 9 所示，即随着加热温 度的升温（至 10401050 ） ，先共析铁素体析出线和珠光体转变线明显右移，但对 贝氏体转变影响较小，这是由于增高加热温度，奥氏体成份的均匀性增大，奥氏体晶 粒也有所长大，故使晶界形核和碳、合金元素都需要扩散的先共折铁素体和珠光体转 变推迟，而对既可以晶界形核又可以晶内形核和只受碳扩散控制长大的贝氏体转变则 影响较小。根据上述试验结果及钢的等温转变图和连续转变图可知，合金渗碳钢进行 普通正火处理时，随着冷却速度增大，相变温度降低，先共析铁素体的尺寸减小，数 量减少，珠光体数量增多，硬度有所提高。冷却速度继续增高，则会有贝氏体形成 11。 （a） ttt 图：（b）cct 图 图 7 20mncr5 钢的冷却转变图线 临沂大学工学院本科专业职业生涯设计 17 （a） ttt 图：（b）cct 图 图 8 22crmoh 钢的冷却转变图线 以 20mncr5 钢为例，获得先共析铁素体加珠光体组织的最大冷却速度（ v+p）约为 3642/min ，高于这一冷却速度即有粒状贝氏体形成，不符合正火技术要求。反之， 当冷却速度较小时， （3033/min） ，会使钢的硬度过低，也不符合正火技术要求。欲 获得最佳的显微组织和硬度，其冷却速度范围很窄（69/min） ，生产中难以控制。 3.3.2 等温正火的金相显微组织与性能分析 等温正火是将试样从 930迅速冷至 600左右再置于不同温度的炉中等温保持， 而后取出空冷，考察不同等温温度对组织和性能的影响。等温正火的等温温度对钢件 硬度的影响如图 7 所示，即随着等温温度的降低，硬度逐渐增高，但当等温温度低于 540，等温处理后的硬度迅速升高，在相同的等温温度下，22crmoh 钢比 20mncr5 钢具有较高的硬度。 （a） ttt 图：（b）cct 图 图 9 20mncr5 钢的高温奥氏体冷却转变图线 临沂大学工学院本科专业职业生涯设计 18 图 10 22crmoh 实验用钢的正火等温温度对硬度的影响 22crmoh 钢经不同温度等温正火处理后的显微组织如图 10 所示，可以看出等温 处理温度高于 560时，获得的显微组织为先共析铁素体加珠光体，当等温温度小于 540时，获得的显微组织为先共析铁素体加大量贝氏体。 如采用等温正火，从等温温度对相变获得的显微组织和硬度影响（如图 10 和图 11）可以看出，在一个比较宽的温度范围内（580660）均可获得最佳的显微组织 和硬度，而且在生产中容易控制。 （a ）660 ；（b）620；（c）540 ；（d）500 图 11 22crmoh 钢试样经不同温度等温处理后的显微组织 3.3.3 锻造余热等温正火的组织与性能 对于模拟锻造余热等温正火的试样，按上述同样方法在 1100奥氏体化，保温 10 临沂大学工学院本科专业职业生涯设计 19 分钟后单件取出，分别置于 660、620 、580、540、500 盐浴炉中，等温保持 30 分钟后取出空冷。测定硬度，并观察组织。 表 6 试样结果列表 材料 等温温度 显微组织 硬度 hb 660 铁素体+ 珠光体 165 620 铁素体+ 珠光体 170 580 铁素体+ 细珠光体 181 540 贝氏体 240 22crmoh 500 贝氏体 252 660 铁素体+ 珠光体 157 620 铁素体+ 珠光体 167 580 铁素体+ 细珠光体 178 540 贝氏体 235 20mncr5 500 贝氏体 241 22crmoh 钢，20mncr5 钢试样锻造余热等温正火的显微组织，见图 12、图 13。 由于等温温度不同，所获得的显微组织、硬度值不同。等温温度为 660与 580时， 均获得了平衡组织铁素体加珠光体，而且随着等温温度的降低，铁素体晶粒减少，珠 光体晶粒和片间距离也减少，钢的硬度增高。等温温度在 540以下时，由于贝氏体的 形成而使硬度急剧升高。在相同的等温温度下，22crmoh 钢比 20mncr5 钢具有较高的 硬度 12。 （a ）660 ；（b）620；（c）540 ；（d）500 临沂大学工学院本科专业职业生涯设计 20 图 12 22crmoh 钢试样经不同温度等温处理后的金相组织 （a ）660 ；（b）620；（c）540 ；（d）500 图 13 20mncr5 钢试样经不同温度等温处理后的金相组织 通过上述分析可见：采用等温正火、锻造余热等温正火获得的显微组织类似，在 等温温度高于 580时，均获得了平衡组织铁素体加珠光体，等温温度在 540以下时， 显微组织均为先共析铁素体加大量贝氏体，说明采用两种等温正火工艺都可在一个比 较宽的温度范围内（580660）均可获得最佳的显微组织和硬度，而且在生产中容 易控制，而锻造余热等温正火将节约大量能源，将产生巨大的经济效益 13。但对比图 11 与图 12 发现：相同等温温度时，等温正火获得的组织比锻造余热等温正火获得的组 织更细，锻造余热等温正火得到的无论是铁素体还是贝氏体，都较粗大，这种粗大的 正火组织能否满足后续热处理工艺的组织性能要求，还有待于进一步研究。 3.4 锻造余热等温正火工艺参数的优化 3.4.1 钢件等温前冷却速度的影响 将 22crmoh 钢、20mncr5 钢试样经高温奥氏体化后采用 5 种不同冷却条件冷却， 并测定其温度和时间变化情况，在试样冷至等温温度时，立即置于等温炉中，保温 1 小时，而后出炉空冷。考察等温正火等温前的冷却速度对组织和性能的影响。测得的 5 种从奥氏体化温度冷至 600的冷却曲线，示于图 14 中，根据冷却曲线计算平均冷 却速度。锻造余热等温正火等温前的冷却速度对 600等温处理后钢件硬度的影响如图 15 所示。 临沂大学工学院本科专业职业生涯设计 21 图 14 试样等温前的 5 种冷却曲线 图 15 等温前冷却速度对硬度的影响 可以看出，当等温前的冷却速度较小时，钢经等温处理后的硬度较低，随着冷却 速度的增大，硬度增高，但当达到某一冷却速度后，硬度则不再随冷却速度的增大而 增高，而是基本保持不变。而且，钢的化学成分不同，达到不再影响等温处理后硬度 的最小冷却速度也不相同，22crmoh 钢比 20mncr5 钢要小一些 13。锻造余热等温正 火等温前的冷却速度小于某一数值时，将产生降低等温正火处理硬度的影响。这是由 于在等温前的冷却过程中，过冷奥氏体在高于等温温度时已经部分甚至全部发生先共 析铁素体和珠光体转变，而且冷却速度越小，发生转变的温度越高，转变量越多，硬 度降低越大，等温处理后的硬度越低，经上述处理后的试样，显微组织均为先共折铁 素体加珠光体。通过上述分析可见：锻造余热等温正火等温前的冷却速度存在一个最 佳范围冷却速度过低硬度太小，冷却速度过大硬度太大，这个最佳冷却速度范围与钢 的化学成分有关，生产中要根据钢的成分加以选择 14。 3.4.2 钢件等温温度的影响 锻造余热等温正火的等温温度对钢的组织和硬度的影响已在前面文章中讨论过， 即由于等温温度不同，所获得的显微组织、硬度值不同。等温温度为 660与 580时， 均获得了平衡组织铁素体加珠光体，而且随着等温温度的降低，铁素体晶粒减少，珠 光体晶粒和片间距离也减少，钢的硬度增高。等温温度在 540以下时，由于贝氏体的 形成而使硬度急剧升高。在相同的等温温度下，22crmoh 钢比 20mncr5 钢具有较高的 临沂大学工学院本科专业职业生涯设计 22 硬度。 3.4.3 等温保持时间的影响 22crmoh 钢试样经高温奥氏体化后，采用如图 14 中曲线 3 的冷却条件冷却至 600等温处理，其相变膨胀曲线如图 16，可以看出，试验钢在该温度等温约 250s 时 开始相变，相变持续时间约 1800s 左右，相变产物为先共折铁素体和珠光体，钢的等 温保持时间应在 1800s 左右，时间低于 1800s 相变未完成，时间大于 1800s 相变不再继 续进行，但却消耗大量能源。需要说明的是这个最佳保温时间是利用试样测得的，对 不同尺寸的零件这个最佳保温时间是不同的。 图 16 22crmoh 钢冷却至 600等温式的相变膨胀曲线 3.4.4 锻造毛坯锻造余热等温正火工艺的制定原则 1) 等温前冷却速度 等温正火前的冷却速度是保证钢件等温正火质量的重要参数，为了保证避免等温 前在较低冷速下析出铁素体加珠光体组织，使硬度过低，等温前钢件的冷却速度应大 于不发生过冷奥氏体分解的最小速度。如果在等温之前过冷奥氏体部分发生转变，降 低硬度，虽然这部分损失的硬度可以通过适当降低等温温度，使待转变的过冷奥氏体 在较低等温温度下等温形成硬度较高的铁素体加珠光体（主要是珠光体）组织来补偿， 但其不利于获得稳定的正火组织，以达到稳定渗碳淬火后变形的要求 15。由于实际生