2019汽车发动机齿轮材料的选择及工艺设计课程设计2230448

1、专业课程设计任务书设计题目：汽车发动机齿轮材料的选择及工艺设计设计内容：1、根据零件工作原理，服役条件，提出机械性能要求和技术要求。2、选材，并分析选材依据。3、制订零件加工工艺路线，分析各热加工工序的作用。4、制订热处理工艺卡，画出热处理工艺曲线，对各种热处理工艺进行分析，并分析所得到的组织，说明组织及性能的检测方法与使用的仪器设备。5、分析热处理过程中可能产生的缺陷及补救措施。6、分析零件在使用过程中可能出现的失效方式及修复措施。1刖言3.2汽车发动机齿轮工作条件及性能要求42.1汽车发动机齿轮工作条件4.2.2汽车发动机齿轮的机械性能要求及技术要求42.3汽车发动机齿轮材料的选择及分析6

2、.2.3.1汽车发动机齿轮材料的选择6.2.3.2汽车发动机齿轮材料的分析7.3汽车发动机齿轮加工工艺.8.3.2.1 3.1汽车发动机齿轮加工工艺流程及各工序作用83.2汽车发动机齿轮具体热处理工艺及分析9锻造9.3.2.2 正火1.0.3.2.3 渗碳+淬火1.1.3.2.4彳氐温回火1.2.3.2.5各热处理工艺后的金相组织分析1.33.2.6热处理工艺过程中可能产生的缺陷及处理措施1.54汽车发动机齿轮使用过程中可能出现的失效方式及预防措施7.5心得体会1.9.6参考文献20.1刖曰本课程设计了20CrMnTi适用于汽车发动机齿轮的可靠性。汽车发动机齿轮作为汽车发动机中的里要零部件,其

3、材料是保证其本身工作性能和可靠性的基础。对发动机齿轮的失效形式分析，其主要承受交变载荷，冲击载荷，剪切应力和接触应力大等，因此对齿轮在材料、精度、强度、耐久性和可靠性等方面提出了更高要求。20CrMnTi合金钢是一种优良的渗碳钢，有高的淬透性，经渗碳淬火加低温回火后，表面硬度很高，心部强度和塑性，韧性配合很好。关键词：发动机齿轮，20CrMnTi,锻造，淬火+低温回火2.1汽车发动机齿轮工作条件发动机和汽车的起动系统、燃油系统、滑油系统、液压系统等主要附件都是由发动机转子通过齿轮传动装置带动的。在整个行驶过程中，齿轮传动都必须可靠地工作，以保证发动机和汽车所有附件的转速、转向和所需功率符合设计

4、要求。随着汽车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。因此，要使齿轮在工作时，从它的失效形式方面的考虑，就必须保证它能在一定的高温环境中工作。齿轮是机械工业中应用最广泛的里要零件之一。其主要作用是传递动力，改变运动速度和方向。是主要零件。其服役条件如下：齿轮工作时，通过齿面的接触来传递动力。两齿轮在相对运动过程中，既有滚动，又有滑动。因此，齿轮表面受到很大的接触疲劳应力和摩擦力的作用。在齿根部位受到很大的弯曲应力作用；在运转过程中的过载产生振动，承受一定的冲击力或过载；变速齿轮在换档时，端部受冲击，承受一定冲击力；在一些特殊环境下，

5、受介质环境的影响而承受其它特殊的力的作用。2.2汽车发动机齿轮的机械性能要求及技术要求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: 高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度（抗疲劳点蚀）。 齿面具有较高的硬度和耐磨性。 齿轮心部具有足够的强度和韧性。 高的淬透性。20CrMnTi钢属于合金渗碳钢，有高的淬透性，经渗碳淬火加低温回火后，表面硬度很高，心部强度和韧、塑性配合很好，切削加工性能良好，当硬度为HB260?320时，相对切削加工性为60%?70%另外，钢退火后硬度低、塑性好。为提高发动机齿轮的耐磨性，齿轮开齿后需要

6、进彳亍渗碳处理，然后再进行淬火和低温回火，从而保证齿轮表面具有高硬度、高耐磨性而心部具有很好的韧性。对20CrMnTi钢的硬度要求齿面硬度：58?64HRC心部硬度：ms<8mm时，32?45HRCms>8mm时，29?45HRC需要进行渗碳，渗碳层深度：ms<5mm时，0.9?1.3mm5mmrmv8mm时，1.0?1.4mmm>8mm时，1.2?1.6mn。（m端面模数）表120CrMnTi钢的技术要求试样取样位置力学性能条钢按GB2975锻件按图样零件表面(TbMPa930(T0.2MPa685S5%11w%50AkuJ88HBW217HRC28-45HRO562

7、.3汽车发动机齿轮材料的选择及分析231汽车发动机齿轮材料的选择22CrMnMo20CrMnMoH和20CrMoH钢由于有着较高淬透性而用于中型汽车齿轮。此类钢可采用渗碳后直接淬火工艺。由于铭镒钳钢和铭钳钢中含有铭和钳等形成碳化物的元素，在渗碳过程中将促使轮齿表面碳含虽增加，容易在渗碳层组织中出现大虽碳化物，使渗碳层性能恶化。因此，齿轮采用铭镒钳钢和铭钳钢渗碳时，宜采用弱渗碳气氛，以防止形成过虽碳化物。22CrMnMc和20CrMnMo!齿轮锻坯正火后在650?670C进行高温回火处理，金相组织为细片状珠光体+少虽铁素体，硬度为171?229HB20CrMnH齿轮锻坯最好在连续式等温正火炉中处

8、理，935?945C加热，640?650E先预冷后等温，可获得均匀的铁素体+珠光体组织，硬度为156?207HB文献指出，20CrMoTi钢冶炼工艺稳定，淬透性带较窄且易于控制，与20CrMnH钢齿轮比较，具有热处理畸变小；渗层有良好、稳定的淬透性；金相组织、渗碳淬火后的表面和心部硬度，均能较好地满足技术要求；疲劳性能好，比较适合汽车中小模数齿轮。20CrMnTi是典型的中淬透性钢，该钢由于Cr、Mn多元复合合金化的作用，淬透性好，油淬临界直径为40mn左右。渗碳后淬火回火具有较高耐磨性和抗弯强度以及高的强韧性，特别是良好的低温冲击韧性，钢的渗碳工艺性较好，品粒长大倾向小，热处理工艺简单，但高

9、温回火时有回火脆性倾向，渗碳后可直接淬火，变形比较小。20CrMnTi的热加工和冷加工性能较好，正火后硬度为HB18C?230,相对切削性能好，并可获得光洁的表面。一般可用于制造截面在30mm以下的承受高速、中速及里载荷以及冲击和摩擦的里要渗碳零件，如齿轮、齿轮圈、离合器轴、液压马达转子齿轮的热处理畸综合考虑齿轮的服役条件，既保证齿轮的疲劳寿命，又减少变，采用20CrMnTi作为本次课设的汽车发动机齿轮的材料。2.3.2汽车发动机齿轮材料的分析表220CrMnTi的化学成分（质量分数，%）MCSiPSCrNiCuTin0.17?0.17?0.80?1.00?w0.040.230.371.100

10、.0350.0351.300.0300.0300.10成分分析：钢的含碳虽可保证形成大虽的合金碳化物，淬火加热时,部分融入奥氏体中，提高其稳定性，同时也使马氏体中的合金元素含虽增加，保证其硬度；而未溶的碳化物则起细化品粒、提高韧性的作用？并提高钢的耐磨性。Cr是20CrMnTi合金钢中主要的合金元素，它使钢的淬透性大大增加，提高其回火稳定性，并产生二次硬化现象。钛与碳形成高硬度的碳化物，加热时未溶的碳化物可细化品粒、提高钢的耐磨性的作用。镒和硅是炼钢过程中必须加入的脱氧剂，用以去除溶丁钢液中的氧。它还把钢液中的氧化铁还原成铁，并形成氧化镒和二氧化硅。镒除了脱氧作用外，还有除硫作用，即与钢液中的

11、硫结合成MnS从而在相当大成度上消除硫在钢中的有害影响。这些反应产物大部分进入炉渣，小部分残留与钢中，成为非金属夹杂物。脱氧剂中的镒和硅会有一部分溶丁钢液中，冷至室温后即溶丁铁素体中，提高铁素体的强度。硅溶丁铁素体中后有很强的固溶强化作用，显著提高钢的强度和硬度。Ti也是20CrMnTi合金钢中的主要元素。它的存在提高了钢的强度，而不降低其塑性，改善了钢铁的低温韧性降低了钢铁的临界冷却速度，提高铁的淬透性扩大奥氏体区，是奥氏体化的有效元素，此外其本身具有一定耐蚀性，对一些还原性酸类有良好的耐蚀能力。3.1汽车发动机齿轮加工工艺流程及各工序作用（1）工艺路线汽车发动机齿轮的制造工序基本上相同，对

12、于不同的钢种，在其热处理时有些许差异。一般都米用棒料经锻造一粗车一调质一半精车一粗磨基准一开齿（包括插齿、刨齿、滚齿、铳齿等）一磨齿一局部渗碳（渗氮或鼠化）一低温回火（渗碳后扩散处理）一淬火一喷丸-精磨基准一磨齿。（2）各工序作用锻造的作用：通过锻造能消除金属在冶炼过程中产生的傍态疏松等缺陷，优化微观组织结构，同时由于保存了完整的金属流线，锻件的机械性能一般优于同样材料的傍件。正火的作用：用于低碳钢，正火后硬度略高于退火，韧性也较好，可作为切削加工的预处理；用于中碳钢，可代替调质处理作为最后热处理，也可作为用感应加热方法进行表面淬火前的预备处理；用于工具钢、轴承钢、渗碳钢等，可以消降或抑制网状

13、碳化物的形成，从而得到球化退火所需的良好组织；用于傍钢件，可以细化傍态组织，改善切削加工性能；用于大型锻件，可作为最后热处理，从而避免淬火时较大的开裂倾向；用于球墨傍铁，使硬度、强度、耐磨性得到提高，如用于制造汽车、拖拉机、柴油机的曲轴、连杆等里要零件；过共析钢球化退火前进行一次正火，可消除网状二次渗碳体，以保证球化退火时渗碳体全部球粒化。渗碳的作用：是对金属表面处理的一种，采用渗碳的多为低碳钢或低合金钢，具体方法是将工件置入具有活性渗碳介质中，加热到900?950°C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

14、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获得很高的硬度，提高其耐磨程度。 淬火的作用：获得强度，硬度和塑性，韧性都较好的综合机械性能。回火的作用：消除工件淬火时产生的残留应力，防止变形和开裂；调整工件的硬度、强度、塑性和韧性，达到使用性能要求；稳定组织与尺寸，保证精度；改善和提高加工性能。喷丸的作用：是把金属毛坯，一般是傍件或锻件放入密闭的喷丸室内，金属颗粒（喷丸）在压力空气的作用下，撞击毛坯表面。其作用是去除毛坯表面氧化皮，消除毛坯内部应力。3.2汽车发动机齿轮具体热处理工艺及分析3.2.1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

15、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锻经切削加工制成的，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的方向，力学性能得到很大的提高。20CrMnTi合金钢的始锻温度为1180C,中锻温度为850C,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。20CrMnTi合金钢的终锻温度为850E,锻后经880?920E正火（空冷）和650?780C退火（炉冷）处理。表3锻造热处理温度始锻温度终锻温度正火温度退火温度1180C850C880?920C650?780C3.2.2正火

16、锻坯等温正火是为消除内应力，改善、细化组织，为后续加做准备，便于切削加工。正火温度：正火是将钢加热到Ac3以上30C?50C，保温足够的时间后出炉在空气中冷却到室温。对于一般的齿轮采用正火，正火可以减少碳和其他合金元素的成分偏析；使奥氏体品粒细化和碳化物的弥散分布，以便在随后的热处理中增加碳化物的溶解虽。由于正火的冷却速度较快，获得细小的片层状渗碳体珠光体强度、硬度都较高，力学性能较好。这里选择的正火温度为：加热920?950Co冷却方式：空冷，由于正火的冷却速度较快，获得细小的片层状渗碳体珠光体，强度、硬度都较高，力学性能较好。然而正火工艺是空冷，对于尺寸较大零件，内外温差大冷却速度不稳定，

17、在连续冷却时，过冷奥氏体在A1-550C温度范围内分解为珠光体,在550E-Ms温度范围内，因转变温度较低转变为贝氏体组织（即含碳虽具有一定过饱和度的铁素体和分散的渗碳体（或碳化物）的混合物），其特征是过饱和碳的铁素体中分布粒状或长条状的碳化物。锻造毛坯正火产生的粒状贝氏体引起硬度增高，导致了齿型加工困难，使刀具早期磨损。对于车辆齿轮或大批虽的小型齿轮越来越多采用等温正火工艺。这样可以得到很硬的马氏体组织，从而能够减少变形和开裂。 正火得到的组织：珠光体+少虽铁素体组织。硬度检测：在正常情况下，用HRS-150洛氏硬度计测得的硬度值为156?207HBS设备：RJX-75-9930950C图1

18、20CrMnTi的正火工艺曲线323渗碳+淬火渗碳：使机械零件获得高的表面硬度，耐磨性和高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度。渗碳温度：920?950C,保温时间按渗碳层深度确定，取t=6h,渗碳层深度:1.8?1.9mm20CrMnTi渗碳采用井式气体渗碳炉渗碳，渗碳气体使用碳氢化合物有机液体，如煤油、丙酮等直接滴入炉内气体而得，为提高渗入速度，是表面达到合适的含碳虽，将渗入过程分两个过程进行，即渗入阶段和扩散阶段。淬火：20CrMnTi经渗碳后直接进行淬火齿轮渗碳后可预冷到870?880°C并保温一段时间，预冷过程中渗碳层析出二次渗碳体，深层中残余奥氏体虽减少，预冷温度不应过低，以免心

19、部游离铁素体增多，降低心部硬度，预冷应在炉内进行，并应防止表面脱碳，选择870C,预冷2h。淬火介质选择10#机械油，因为20CrMnTi淬透性好，油淬临界直径DOC40mm由淬后可减少渗碳层中残余奥氏体，提高耐磨性和接触疲劳强度而心部有较高强度和韧性，淬火表面硬度HRC5?63,心部HRC3?45。设备：RQ3-75-9T。930±1£/年'：0L强津.扩Iftra士_iu_炉而P815-20l(HI55、IUM4b如35-4520?2,时悯/h15152.520ro图220CrMnTi的渗碳工艺曲线3.2.4低温回火回火温度：160?180C,在这个温度下，齿轮

20、表面不仅硬而耐磨，同时心部有较好的韧性和塑性。 冷却方式：空冷。 回火设备：RJ2-75-6回火得到的组织：表层：回火马氏体+K+Ar;芯部：低C-M。硬度检测：在正常情况下，用HRS-150洛氏硬度计测得的硬度值为58?62HRC180-200C图320CrMnTi的低温回火工艺曲线3.2.5各热处理工艺后的金相组织分析20CrMnTi等温正火后金相组织如下所示:图4100X图5500X浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀组织说明：均匀细小等轴状的珠光体和铁素体组织20CrMnTi是一种渗碳用钢，渗碳前一般应进行正火处理，以细化品粒、改善组织分布，为正常渗碳作好组织准备。20CrMnTi（930E

21、渗碳后淬火、回火处理）金相组织如下图图6100X图7400X图8400X浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀组织说明：图6:表面渗碳层至心部组织分布形貌，回火温度较低，表面合金高碳马氏体区较难浸蚀。图7:齿的节圆处渗碳层组织，针状及隐针状马氏体（3?4级），残余奥氏体（8级），白色小条状碳化物（4?5级）。图8:齿角处渗碳层组织，基本与节圆相同，但碳化物趋网状分布，可评为7?8级。326热处理工艺过程中可能产生的缺陷及处理措施渗碳淬火后齿轮的检验项目、内容和要求检验项目检验内容及要求原材料质量用试样检查化学成分、低倍组织、晶粒度、淬透性、带状组织毛坯力学性能用试样检查检查布氏硬度，按图样检查Cb、皿

22、.2、&、Ak外观质量用齿轮检查渗碳淬火后100%检查表面氧化、裂纹及碰伤渗层深用试样检查按图样要求，从表面测到HV550深度处为似硬化层深度，显微检查渗碳总深度度时，碳钢为过共析+共析+1/2过渡区；合金钢为过共析+共析+全部过渡区。过共析+共析层应占总深度为50%?70%表面硬度用齿轮检查按图样要求，为HRC58?62心部硬度组织用齿轮检查按图样要求，为HRC33?45心部组织为板条马氏体+少量铁素体表面碳浓度用试样检查按图样要求，为0.75%?1.0%表层用试样检查按ZB/T04001-1988检查，细针马氏体+分散细小碳化物+少量残余奥氏体为佳，显微组织按标准图，马氏体和残余奥

23、氏体1?5表面裂纹不允E裂纹，100%磁粉探伤，批量件5件可抽查齿部磁模数/mm缺陷最大尺寸/mm粉探伤<2.50.8> 2.5?81.6> 82.4畸变用齿轮检查按图样和工艺要求检查渗碳齿轮的常见缺陷及防止措施陷称fL产生原因防止措施毛坯硬度偏局正火温度偏低或保温时间不足使组织中残留少量硬度较高（HV>250）的魏氏组织，正火温度超过钢材晶粒显者长大的温度应重砒U订正火工艺；检查控温仪表，校准温度，控制正火冷却速度毛坯硬度偏低正火冷却过缓重新正火，加强冷却带状偏析钢材合金"和杂质偏析，一股正火难以消除更换材料层深不足碳势偏低；温度偏低或渗期不足提局碳势；检查

24、炉温，调整工乙，延长渗碳时间渗层过深碳势过高，渗碳温度偏高；渗期过长降低碳势；缩短周期，调整工艺渗层不均炉内各部分温度不均；碳势不均；炉气循环不佳；工件相互撞碰；齿面有脏物；渗碳时在齿面结焦齿轮表面活洗干净；合理设计夹具；防止齿轮相互碰撞；在齿轮料盘上加导流罩，保证炉内各部温度均匀；严格控制渗碳剂中不饱和碳氢化合物5析+共析层比例过大（大丁总深度的3/4）炉气碳势过高；强渗和扩散时间的比例选择不当降低碳势；调整强渗与扩散期的比例，如果渗层深度允许，可返修进行扩散处理5析+共析层比例过小（小丁总深度的1/2）炉气碳势过低，强渗时间过短提高炉气碳势；增加强渗时间；可在炉气碳势较高的炉中补渗表面碳浓

25、度过局形成大块碳化物网炉气碳势过高，强渗时间过长降低碳势，缩短强渗时间；如果渗层深度允许，可在较低碳势炉中进行扩故处理；适当提局淬火温度；进行一次渗层的球化退火表面残留奥氏体过多碳含量过高；渗后冷却过快，碳量析出不够，淬火温度偏高调整渗碳工艺控制碳含量；从渗碳炉或预冷炉中出炉的温度不宜过高；降低淬火温度表面含碳量过低炉气碳势过低，炉温偏高；扩散时间过长提高碳势；检查炉温，调整强渗与扩散时间的比例表层马氏体针粗大淬火温度偏高降低淬火温度表层出现非马氏体组织升温排气不充分；炉子密封性差，漏气，使表层合金尤素氧化，淬火冷却速度低从设备和工艺操作上减少空气进入炉内；适当提局淬火冷却速度；在渗fee取后

26、10min左右通入适里氨气表层脱碳渗后出炉温度过高；炉子出现严重漏气；淬火时产生氧化防止炉子漏气；降低出炉温度；控制淬火时炉内气余；盐炉淬火脱氧要充分；补渗碳心部硬度偏低淬火温度过低；冷却速度不当，心部游离铁素体过多；选材不当提高淬火温度；加强淬火冷却；米用两次淬火；更换材料畸变淬火温度偏局；冷却方法不当；夹具设计不合理，材料选择不当调整淬火之，合理设计夹具，改善冷却条件，改换钢材4汽车发动机齿轮使用过程中可能出现的失效方式及预防措施(1)疲劳断裂齿轮在交变应力和摩擦力的长期作用下，导致齿轮点面接疲劳断裂。其产生是由于当齿轮受到弯曲应力超过其持久极限就出现疲劳破坏而超过材料抗弯强度时，就造成断

27、裂失效；处理措施：直接更换零件。(2)表面损伤点蚀：是闭式齿轮传动中最常见的损坏形式，点蚀进一步发展，表现为蚀坑至断裂；硬化层剥落：由于硬化层以下的过渡区金属在高接触应力作用下产生塑性变形，使表面压应力降低，形成裂纹造成碳化层剥落；预防措施是适当提高齿面硬度和光洁度，大小齿轮应采取不同钢种，低速传动采用粘度大的润滑油，高速转动时，设法降低油温，并采用活化性润滑油，设计上采取措施提高制造精度和装配质虽。(3)磨损失效摩擦磨损：汽车、拖拉机上变速齿轮属于主载荷齿轮，受力比较大，摩擦产生热虽较大，齿面因软化而造成塑性变形，在齿轮运转时粘结而后又被撕裂，造成齿面摩擦磨损失效；预防措施是在相同油膜温度和

28、压力下，保证油的高粘度。避免在低速、至载、极端温度、相对比较粗糙不规则的表面、供油不足和油粘度太低的情况下使用。磨粒磨损：外来质点进入相互啮合的齿面间，使齿面产生机械擦伤和磨损，比正常磨损的速度来得更快。预防措施是保证润滑油的清洁度，并且避免外来颗粒的影响。另外，齿轮除上述失效形式外，还有在换档时，齿端相互撞击，而造成的齿端磨损，或因换档过猛或过载造成断裂以及齿面塑性变形，崩角等失效形式；应对措施：预防措施是适当提高齿轮的模数，且1S合度大于2,对防止断齿较有利，控制齿宽，采用大尺寸倒角，并对齿端锐角齿面进行修磨。通过分析可知，20CrMnTi钢经淬火低温回火或高温回火后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，切削加工性能良好。