职业技术学院飞机维修毕业设计论文-航空发动机齿轮所用材料的选择其热处理的探讨

毕业论文（设计）航空发动机齿轮所用材料的选择其热处理的探讨 院 系 航空装备维修工程学院 专 业 飞机维修 班 级 12级5702订单班 学 号 201200163042 姓 名 伍智兵 指导老师 邓岚 二一四年12 月 10 日诚 信 声 明本人郑重声明：所呈交的大专毕业论文（设计），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究所取得的成果。尽我所知，除了设计（论文）中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业论文（设计）作者签名：伍智兵 2014年12月 10日目录第一章 航空发动机齿轮所用材料的选择 1.1引言.1 1.2航空发动机齿轮材料的现状.2 1.2.1航空发动机承受主要负荷的齿轮材料.3 1.2.2航空齿轮材料的应用.6 1.2.3航空发动机齿轮用钢的化学成分.6 1.2.4航空齿轮材料的选择.7第2章 航空发动机齿轮热处理及探讨 2.1.1航空发动机齿轮热处理一般化学元素作用.9 2.1.2预备热处理的选择.10 2.1.3中间热处理（调质和去应力退火工艺）.11 2.1.4热处理工艺.11 2.1.5渗碳处理.12 2.1.6锻造.13 2.1.7淬火+低温回火.13 2.1.8分析与讨论.14 参考文献.16 致谢.17航空发动机齿轮所用材料的选择其热处理的探讨 摘要： 航空发动机齿轮它在工作中的受力情况比较复杂。在齿轮的制造过程中,合理选择材料与热处理工艺,是提高承载能力和延长使用寿命的必要保证。就常用齿轮材料锻钢、铸钢、铸铁、有色金属、非金属材料等的选择及热处理工艺进行了分析。关键词:齿轮材料;热处理;锻钢;铸钢;铸铁;有色金属;非金属材料 第一章 航空发动机齿轮所用材料的选择1.1引言航空齿轮是航空发动机的关键零部件。发动机和飞机的起动系统、燃油系统、滑油系统液压系统等只要部件都是由发动机转子通过齿轮传动装置带动的。在整个飞行过程中，齿轮传动都必须可靠地工作，以保证发动机和飞机所有附件的转速、转向和所需功率符合设计要求。随着航空发动机性能和可靠性要求的不断提高，齿轮承受的交变载荷和剧烈冲击载荷在不断增加，所受应力复杂，工况恶劣，这对齿轮在材料、精度、强度、耐久性等方面提出了更高的要求。齿轮是机械传动中应用最广泛的零件之一,它的功用是按规定的速比传递动力和运动。在工作中,它的受力情况比较复杂,齿轮的齿根部受交变弯曲应力,齿面承受大的接触应力并产生强烈的摩擦,在换挡、启动和啮合不良时,齿轮还承受一定的冲击载荷。齿轮的主要失效形式是疲劳断齿、疲劳点蚀以及齿面的过量磨损。根据齿轮的受力情况和失效分析可知,齿轮一般都需经过适当的热处理,以提高承载能力和延长使用寿命,齿轮在热处理后应满足下列性能要求:1) 高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度(抗疲劳点蚀)。2) 齿面具有较高的硬度和耐磨性。3) 齿轮心部具有足够的强度和韧性。航空齿轮的材料及热处理对齿轮的内在质量和使用性能都有很大的影响。锻钢、铸钢、铸铁、有色金属及非金属材料都可用来制造齿轮,各种热处理方法,如渗碳、渗氮、碳氮共渗、表面淬火、调质和正火等,在齿轮制造中都被应用,因此,齿轮的选材和热处理方法的选用较其它零件复杂。这就需要设计人员根据齿轮承载能力的不同,合理选择材料和毛坯及热处理工艺,并制定相应的工艺路线,用最经济的办法最大限度地发挥材料的潜能,做到“物尽其用”。目前，各类现役发动机时有故障发生，如内齿圈断裂、齿面剥落等，导致了发动机损伤和飞机坠毁事故，因此，需要从发动机的材料、热处理及方法上分析原因。1.2航空发动机齿轮材料的现状 目前国内外航空齿轮材料主要特征是采用电渣或真空重熔的高温合金钢，我国用于发动机的航空齿轮材料主要有12Cr2Ni3A、12Cr2Ni4A、38CrMoAlA、18CrNi4WA、20CrNi3A等。其他国家也有相近的牌号，材料牌号对照表1，是心部硬度为HRC31HRC41，表面硬度不低于HRC60，从而使齿轮表面有较高硬度，心部呈现一定的韧性，以适应齿轮的工作环境；并且严格规定了表层的含碳量、组织均匀性、晶粒度及化学热处理等 表1 主要齿轮材料牌号对照表现行牌号相近牌号曾用牌号12CrNi3A3310（美）、S107（英）、14NC12(法)12XH3A0（俄）12CrNi4A2515（美）、2582（英）、12NC15（法）12X2H4A（俄）38CrMoAlA6470E（美）、En41B（英）、SACM645(日本)38XMIOA（俄）18Cr2Ni4WA185XHBA（俄）020CrNi3A20NC11（法） 20XH3A (俄） 我国发动机技术在不断进步，齿轮的设计和加工技术也在不断改进，几十年来，齿轮材料一直以12Cr2Ni4A钢为主，它是一种优良渗碳钢，有高的渗透性，经渗透淬火加低温回火后，表面硬度很高，心部强度和韧、塑性配合很好。该渗碳层中残留奥氏体体量较多，需要深冷处理以改善渗层中组织和心部的性能。该钢冷变形塑性中等，切削加工性好，一般不用作焊接件，有回火脆性和形成白点的倾向。经过统计，12Cr2Ni4A钢渗碳硬化处理占航空齿轮的75%以上。但是，我国齿轮的冶炼技术、锻造技术和渗碳工艺等进步甚微，与俄罗斯等国的齿轮材料技术比较，差距较大，已不适应发动机技术发展的需求。 1.2.1航空发动机承受主要负荷的齿轮材料 国内外几种航空发动机承受主要负荷的齿轮材料见表2.我国某系列现役发动机的重要齿轮均采用12Cr2Ni4A低合金结构钢。冶炼方法基本上以电弧熔炼为主，最近几年才开始逐渐采用电弧炉熔炼加电渣重熔或真空自耗重熔等先进冶炼技术，虽然提高了合金洁度、降低了非金属夹杂物的含量，但仍然不能满足某先进发动机中央传动锥形齿轮副的设计要求，不得不从国外进口综合性能较好的齿轮钢(如：16Cr3NiWVMoNb）。 表2 几种发动机的主要负荷齿轮材料 零件名称某系列发动机P29-300（俄）P-33（俄）中央传动主动锥形齿轮轮12Cr2Ni4A、16CrNiWMoVNb12XHBMA16X3HBM中央传动从动锥形齿轮12Cr2Ni4A、16CrNiWMoVNb12XHBMA16X3HBM真心燃油泵、从动齿轮12Cr2Ni4A、12Cr2Ni4A12XHBMA16X3HBM中央齿轮12Cr2Ni4A12XHBMA16X3HBM液压泵主、从动齿轮12Cr2Ni4A、12Cr2Ni12XHBMA16X3HBM起动机传动齿轮12Cr2Ni4A12XHBMA16X3HBM中介齿轮12Cr2Ni4A12XHBMA16X3HBM传动轴18CrNiWA18CrNiWA18CrNiWA国内通常用于制造航空发动机齿轮渗碳的钢种有：12CrNi3A,12Cr2Ni4A,14CrMnSiNi2MoA,18Cr2Ni4WA,20CrNi3A，以上是在改革开放前常用的。以下是引进国外机种后为了国产化所研制的渗碳齿轮钢：16Ni3CrMoE（仿法国牌号E16NCD13），16Cr3NiWMoVNbE（仿俄罗斯牌号163-，代号为-39），16CrNi4MoA（仿英国牌号S/ZNC），18CrNi4A（仿意大利牌号18NC16）。渗氮钢牌号有：30Cr3MoA（仿法国牌号30CD12），32Cr3MoVA（仿意大利牌号32CDV13），35Cr2Ni4MoA（仿意大利牌号E35NCD16），38CrMoAlA等。12CrNi3A,12Cr2Ni4A,14CrMnSiNi2MoA,18Cr2Ni4WA,38CrMoAlA钢用于WJ5发动机、WJ6发动机、WJ9发动机、HS6发动机、WP7发动机、WP14发动机、WZ6发动机及直八中尾减速器等齿轮的制造。16Ni3CrMoE,18CrNi4A,32Cr3MoVA,35Cr2Ni4MoA钢用于WZ8发动机、WZ9发动机、WJ9发动机及直九主尾减速器等齿轮的制造。16Cr3NiWMoVNbE钢用于FWS10发动机齿轮的制造。16CrNi4MoA钢用于FWS9发动机齿轮的制造。上述钢研制与制造的齿轮使用基本正常，未出现由于钢的质量与制造所发生的故障。16Cr3NiWMoVNbE钢是根据FWS10发动机研制的需要，以俄罗斯的-39（牌号为163-）钢为依据，由抚顺钢厂研制的新型齿轮钢。原苏联早在20世纪70年代就在航空发动机上用此钢制造齿轮，这在-31发动机齿轮的原版图纸上可得到证实。在FWS10发动机的二批机齿轮中，后三套齿轮是用进口的163-钢制造的。在制造的三批机齿轮中，进口的163-钢与国产的16Cr3NiWMoVNbE钢都有，以便比较进口钢与国产钢在试验与使用的情况。与以往的渗碳钢相比，此钢有如下特点：（1）成分中所含合金元素多，还有;7（铈）。（2）强度高，尤其是屈服强度明显提高（b1275MPa,0.21130MPa）。（3）渗碳层硬度抗热性好，在300长期工作，可保持齿面与轴承滚道面的硬度HRC60。（4）淬透性好，当直径为150mm时，淬透性曲线几乎是一水平直线。（5）不仅可渗碳，也可作渗氮热处理。-31发动机代表了俄罗斯当代的水平，齿轮用163-钢制造技术是成熟的。在我国新一代发动机FWS10上，606设计所选用此钢制造齿轮，为该齿轮钢在发动机上的应用开拓了广阔的前景1.2.2航空齿轮材料的应用随着航空发动机部入第四代的研制，发动机齿轮要求工作在更加高温、高速、重荷、快速启动的环境下，齿轮必须具有更高的强度，更好的高温抗疲劳、抗弯曲、抗胶合能力和更高的综合性能，这对航空齿轮的内在质量提出跟高的要求。 新型航空材料除含有上述传统航空材料的合金元素外，还含有铌和鈰等稀有元素，合金成分加入后，材料综合性能显著提高。新型航空材料应用研究从毛培锻件开始，然后进行渗碳、淬火、回火工艺试验，在进行氮化工艺试验等。通过一系列技术攻关，以总结出了锻造工艺规范，渗碳淬火、回火工艺及工程规范，氮化工艺及工艺规范，制订了金相标准和编制相关技术标准等。新型航空材料经渗碳、淬火后在350回火，硬化可达HRC59以上；新材料的耐热性能高，能够在高达350的环境温度下工作；在材料的热加工工艺性能和淬透性试验中，当直径为150mm时，其淬透性曲线接近一水平直线，即使在9501000温度上长时间加热，晶粒都不至于长大；齿轮的内部金相组织稳定，心部硬度HRC3543.5范围内。实验结果表明，新材料的各项机械性能，特别是屈服强度，大大优于传统的航空材料。采用新型航空材料制造的航空齿轮，已在一些重点型号中成功应用。1.2.3航空发动机齿轮用钢的化学成分铸铁容易铸成复杂的形状，容易切削，成本低，但其抗弯强度、耐冲击和耐磨性能差，故常用于受力不大、无冲击、低速的齿轮；有色金属亦强度低、承受轻载，故均不宜制造航空齿轮。此外，中碳钢虽然调质处理后有较好的综合力学性能，但淬透性差，工艺性能差，切削加工性能较差，且淬火后变脆，变形也大，故不适宜制造精度要求高的航空齿轮。高速重载的齿轮用钢，通用的有以下几种：牌号化学成分()CSiMnCrNiMoAl12Cr2Ni4A0.100.160.170.370.300.601.251.653.253.6518Cr2Ni4WA0.130.190.170.370.300.601.351.654.004.5038CrMoAlA0.350.420.200.450.300.601.351.650.150.253.253.651.2.4航空齿轮材料的选择具体航空齿轮材料的选用主要是根据齿轮工作时载荷的大小、转速的高低及齿轮的精度要求来确定。载荷大小是指齿轮传递转矩的大小,通常以齿面上单位压应力作为衡量标志,一般分为轻载荷、中载荷、重载荷和超重载荷。齿轮工作时转速越大,齿面和齿根受到的交变应力次数越多,齿面磨损越严重。因此,可把齿轮转动的圆周速度v的大小作为材料承受疲劳和磨损的尺度,一般分为:低速齿轮(19m/s);中速齿轮(610m/s);高速齿轮(1015m/s)。齿轮的精度高,则齿形准确,公差小,啮合紧密,传动平稳且无噪声。机床齿轮精度一般为68级(中、低速)和812级(高速),汽车、拖拉机齿轮精度一般为68级1。(1)轻载、低速或中速、冲击力小、精度较低的一般齿轮,选用中碳钢如Q235、Q275、40、45、50、50Mn等钢制造,常用正火或调质等热处理制成软齿面齿轮,正火硬度为160200HBS;调质硬度一般为200280HBS。因硬度适中,精切齿廓可在热处理后进行,工艺简单、成本低。齿面硬度不高则易于磨合,但承载能力也不高。这种齿轮主要用于标准系列减速箱齿轮,冶金机械、中载机械和机床中的一些次要齿轮。(2)中载、中速、承受一定冲击载荷、运动较为平稳的齿轮,选用中碳钢或合金调质钢,如45、50Mn、40Cr、42SiMn等钢,也可采用55Tid、60Tid等低淬透性钢。其最终热处理采用高频或中频淬火及低温回火,制成硬齿面齿轮,齿面硬度可达5055HRC,齿轮心部保持正火或调质状态,具有较好的韧性。感应加热表面淬火的齿轮变形小,若精度要求不高(如7级以下),可不必磨齿,机床中大多数齿轮是这种类型。对表面硬化的齿轮,应注意控制硬化层深度及硬化层沿齿廓的合理分布。(3)重载、高速或中速,且受较大冲击载荷的齿轮,选用低碳合金渗碳钢或碳氮共渗钢,如20Cr、20CrMnTi、20CrNi3、18Cr2Ni4WA、40Cr、30CrMnTi等钢。其热处理采用渗碳、淬火、低温回火,齿轮表面获得5863HRC的高硬度,因淬透性较高,齿轮心部有较高的强度和韧性。这种齿轮的表面耐磨性、抗解除疲劳强度和齿根的抗弯强度及心部的抗冲击能力都比表面淬火的齿轮高,但热处理变形大,精度要求较高时,一般要安排磨削。它适用于工作条件较恶劣的汽车、拖拉机的变速箱和后桥齿轮。碳氮共渗与渗碳相比,热处理变形小,生产周期短,力学性能高,还可应用于中碳钢或中碳合金钢,所以许多齿轮可用碳氮共渗来代替渗碳工艺。内燃机车、坦克、飞机上的变速齿轮的负载和工作条件比汽车的更重、更恶劣,要求材料的性能更高,应选用含合金元素高的合金渗碳钢,以获得更高的强度和耐磨性。(4)精密传动齿轮或磨齿有困难的硬齿面齿轮(如内齿轮),主要要求精度高、热处理变形小,宜采用氮化钢,如35CrMo、38CrMoAlA等钢。热处理采用调质及氮化处理,氮化后齿面硬度高达8501200HV(相当于6570HRC),热稳定性好(在500550仍能保持高硬度),并有一定的抗蚀性。缺点是硬化层薄,不耐冲击,故不适用于载荷频繁变动的重载齿轮,而多用于载荷平稳、润滑良好的精密传动齿轮或磨齿困难的内齿轮。 12CrNi3A钢层于合金渗碳钢，比12CrNi2A钢有更高的淬透性，因此，可以用于制造12CrNi2A钢截面稍大的零件。该钢淬火低温回火或高温回火都具有良好的综合力学性能，钢的低温韧性好，缺口敏感性小，切削加工性良好，当硬度为HB260320时，相对切削加工性为60%70%，另外，钢退火后硬度低、塑性好、因此，即可以采用切削加工方法制造模具，也可以采用冷挤压成型方法制造模具，为提高模具型控的耐磨性，模具成型后需要进行渗碳吃力，然后再进行淬火和低温回火从而保证模具表面具有高硬度、高耐磨性而心部具有良好的韧性，该钢适宜制造大、中型塑料模具。12CrNiA高温渗碳钢的脆性较高，退火困难，一般采用调制处理，使硬度降低到35HRC以下，改善切削加工性能。由于不渗碳表面未经镀铜防渗，因此渗碳后进行高温回火，降低硬度，便于切去不渗碳表面的渗碳层。材料加工成航天发动机齿轮进行复杂的化学热处理，使心部硬度为HRC31HRC41。表面硬度不低于HRC60，从而使齿轮表面有较高硬度，心部呈现一定的韧性，以适应齿轮的工作环境；并严格规定了表面含碳量、组织均匀性、晶粒度及化学热处理。 第二章 航空发动机齿轮热处理及探讨2.1.1航空发动机齿轮热处理一般化学元素作用 航空齿轮承受剧烈的交变载荷和冲击载荷，所受应力复杂，工况恶劣，使得齿轮在精度、强度、耐久性和可靠性等方面有更高要求。38CrMoAlA的氮化处理虽然比12Cr2Ni4A和18Cr2Ni4WA的渗碳处理费用高，但对于空用齿轮来说，高性能占主导，38CrMoAlA除具有较高的力学性能外，还有抗水、油等介质腐蚀的能力，有化学元素作用C：提高屈服点和抗拉强度，增加钢的冷脆性和时效敏感性，降低塑性、冲击性以及耐大气腐蚀能力。Si：提高钢的回火稳定性、提高钢的抗氧化性、提高钢的淬透性和淬透温度。Mn：提高钢的淬透性，从基体组织中扩散到析出的渗碳体中，形成合金渗碳体,改善其硬度。Cr:提高钢的淬透性,固溶强化基体组织，并改善基体组织的回火性和硬度，具有良好的抗腐蚀和抗氧化性。Mo：Mo铁素体基体有固溶强化作用，提高钢热强性，抗氢蚀的作用，提高钢的淬透性，抑制了第二类回火脆性，使心部具有一定的韧性。Al：能与空气中的O（氧）化合生成Al2O3，从而形成保护膜，既防腐又耐蚀。此外，Cr、Mo、Al、Si等元素对表面渗氮层深度、硬度都有一定影响。2.1.2预备热处理的选择 一般预备热处理有这几种： 调质处理：一般后面要进行表面淬火处理，其预备热处理的目的是为了使工件表面淬火前得到强韧性结合优良的心部性能，降低使用过程中的心部疲劳开裂。正火处理：一般后面进行的是化学热处理（渗碳+淬火）或者调质热处理，其预备热处理的目的就是细化晶粒、消除机加应力、均匀不平衡组织等，为后面的最终热处理奠定良好的组织基础。退火处理：后面最终热处理一般都是调质处理，其作为预备热处理的目的就是为了消除应力以及降低表面硬度。正火与退火工艺相比，其主要区别是正火的冷却速度稍快，所以正火热处理的生产周期短。故退火与正火同样能达到零件性能要求时，尽可能选用正火。大部分中、低碳钢的坯料一般都采用正火热处理。一般合金钢坯料常采用退火，若用正火，由于冷却速度较快，使其正火后硬度较高，不利于切削加工。此外，完全退火主要用于含碳量质量分数为0.3%0.6%的中碳钢铸、锻件，因为38CrMnAl含碳量为0.38%，且是锻件，故在此选用完全退火对其进行预备热处理。2.1.3中间热处理（调质和去应力退火工艺）对要进行氮化处理的工件，要求其氮化前有均匀而又细致的组织（即回火索氏体），以保证工件心部有较高的强度和良好的韧性，不允许存在游离铁素体，表面不能有脱碳层，氮化前的表面粗糙度应小于Ra1.6，从而提高其综合性能，为氮化做好必要的组织准备，故而采用调质处理。2.1.4热处理工艺锻件经退火后消除残余应力，而后进行粗车，然后进行调制处理，锻锻件的碳化物偏析比较严重，常见球化退火工艺效果不理想时，可采用锻后调制处理，即锻后稍作停留火在精加工前增加一道调制工序，也可利用锻后余热直接进行球化退火，调制处理后锻件能获得均匀细致的索氏体组织，不仅可保证工件最后淬火具有均匀的硬度，而且有利于淬火后减小工件的变形，增加工件的尺寸稳定性。齿轮试样经调制、感应加热淬火和低温回火后获得显微组织表面为细马氏体、残余奥氏体和碳化物，心部组织为回火索氏体。回火后不仅消除了淬火时产生的残余应力，降低了脆性，防止变形和开裂，调整了强度、硬度、塑性和韧性，而且稳定了显微组织和工件尺寸，使其达到了使用性能和工艺要求。2.1.5渗碳处理 调制完成后进行半精车，初磨基准线，开齿，磨齿。对齿轮的半精车是使齿轮的表面精度逐渐接近零件的初步操作。若磨基准线是为了确定好齿轮尺寸，为下一步的开齿和精加工做准备，合金钢渗碳处理一般在初磨之后，精磨之前。其渗碳温度一般在900920表面渗碳处理，将含碳的钢放到碳势高的环境介质中，通过让活性高的碳原子扩散到钢的内部，形成一定厚度的碳含量较高的渗碳层，在经过淬火回火，使工件的表面层得到碳含量高的钢，而心部阴含碳量保持原始浓度而得到碳含量低的合金钢，合金钢的硬度主要与其碳含量有关，故经渗碳处理和后续加热处理可使工件获得外硬内韧的性能，渗碳处理的作用是：提高表面层耐磨性，同时保持心部有高的耐冲击能力，即强韧性。渗碳后的冷却方式一般采用控冷。 2.1.6锻造 造齿轮的毛坯经过锻造后获得基本的形状，锻造是利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形，已获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸的锻件的加工方法，齿轮的锻造工艺是用棒料切削加工制成的，其纤维组织弯曲呈放射状，所有齿部的正应力都平行于纤维组织方向，力学性能得到很大的提高，合金钢的始锻温度一般为1180，中锻温度为850锻后进行缓慢冷却，接触疲劳试样由棒料，弯曲疲劳试样从GF齿圈上截取，改锻成齿轮式样毛坯。式样的终锻温度为850，锻后经880920正火（空冷）和650780退火（炉冷）处理2.1.7淬火+低温回火钢的淬火与回火是热处理中最重要，也是用途最广泛的工序，淬火可以显著提高钢的强度和硬度，为了消除钢的残留内应力，得到不同强度，硬度和韧性配合的性能，需要配以不同温度的回火，所以淬火和回火又是不可分割的，紧密联系在一起的两种热处理，淬火主要目的是使奥氏体化后的工件获得尽量多的马氏体，然后配以不同温度的回火获得各种需要的性能。齿轮的淬火，淬火加热规范决定了奥氏体的实际晶粒度及碳化和合金元素的固溶度，对马氏体的形态及回火的性能（硬度、强度、塑性、回火稳定性、淬火回火时的体积变形）都有显著的影响。当加热到万毒温度（约810）已上时，原始组织索氏体和碳化物转变为奥氏体和碳化物，随着加热温度升高，合金碳化物继续向奥氏体中溶解。增加了奥氏体中C和Cr的浓度，淬火马氏体的硬度增加，其耐磨性也越强，冲击韧度逐渐升高，齿轮的淬火在井氏炉中加热至930正负10滴注甲醇或煤油渗碳，时间为4h，降温至800正负10，保温0.5h，直接淬冷于油