变速箱齿轮热处理工艺设计

1.齿轮热处理概述

众所周知，齿轮是机械设备中关庭的零部件，它广泛的用于汽车、飞机、坦

1齿轮热处理概述

克'轮船等工业领域。它具有传动格确、结构素凑运用后市长等优点.齿轮传动

2.零件图....................................................1

是近代机器口最常见的一种机械振动是传递机械动力和运动的一种重要形式、是

3.零件的服役条件、性能要求及技术指标.....................2

机械产品重要将础零件。它和带、链、摩擦、液压等机械相比具有功率范围大，

4.材料选择.................................................2

传动效率高、圆周速度高、传动比精确、运用寿命长、尺寸结构小等一系列优点.

4.1零件用途.............................................2

因此它已成为许多机械产品不行缺少的仪动部件，也是机梏中所占比例奴大的心

•1.2材料比较.............................................2

动形式.由于齿轮在工业发展中的突出地位,使齿轮被公认为工业化的一种象征.

4.3材料化学成分及合金元素的作用........................2

得益于近年卖汽车、风电、核电行业的拉动，汽车齿轮加工机床、大规格齿轮加

4.4材料的相变点.........................................3

工机床的需求增长特别刺眼.据了鼾.随苦齿轮加工机床需求的增加.近年来涉

5.齿轮加工制作工艺.........................................3

及齿轮加工机床制造的企业也日益刷多。无论是传统的汽军、船舶、航空航天、

5.1传统的齿能材料的工艺路途：...........................3

军工等行业，还是近年来新兴的商铁'铁路、电子等行业，都对机床工具行业的

5.2淬火工艺设计.........................................3

快速发展提nr紧迫需求，对齿轮加工机床制造商提出了指的要求。据权威部门

5.3其他热处理工名.......................................4

预料2012年将达到200万吨，但我国齿轮的质量和其他发达国家的同类产品相

6,参考文献..................................................7

较还是具有痛定的差距，主要表现在齿轮的平均运用寿命.单位产品能耗、生产

率这几方面上.本设计是在课堂学习热处理学问后的探究印装试，其内容探讨如

何设计齿轮ffj热处理工艺,重点是制定合理的热处理规程,并按此设计齿轮的热

处理方法。

零件图

4.材料选择

4.1零件用途

齿轮是汽车中的重要零件，变速箱齿轮为汽车发动机的重要部件,用于变更

发动机曲轴和传动轴的速度比.

4.2材料比较

历轮常用材料有2OCr.2OCrMnTi.18Cr2Ni4WA

Q)2OCr

零件的服役条件、性能要求及技术指标

3.有较岛的强度及淬透性，但韧性较差。港碳时有晶粒长大倾向，降遍干

齿轮是机械工业中应用最广泛的重要零件之一。其主要作用是传递动力，变脆淳火对冲击韧性影响校大，因而海碳后进行二次淬火提高零件心部韧性；

可切削性良好，但退火后较差：2OCr为珠光体，焊接性较好，焊后•般不福

更运动速度和方向。是主要零件,其服役条件如下：

热处理，

?⑴?齿轮工作时,通过齿面的接触来传递动力。两齿纶在相对运动过程中,既有②2OCrMnTi

ZOCrMnTi是性能良好的漆碳钠，弹透性较高，经港曝淬火后具有高的强度

滚动，乂有滑动.因此，齿轮我面受到很大的接触三累应力和型擦力的作用.住

和韧性，特别是具有较高的低温冲击韧性，切削加工性良好，加工变形小，杭乏

齿根部位受到很大的弯曲应力作用；累性能好。

⑵高速齿轮在运转过程中的过我产生振动，承受确定的冲击力或过载：@18Cr2Ni4WA

18Cr2Ni4»A属于高强度中合金连碳钢.18Cr2Ni4#A钠常用于合金咨味钢，强

⑶在•些特别环境下，受介质环境的影响而承受其它恃别的力的作用。

质，韧性高,猝透性良好,也可在不泼碳而谢成的状况下运用，一般用做祓面较大，

因此，物轮的表面有高的硬度和耐磨性.而接触乏素强度,有较高的齿根抗弯强载荷较高且韧性良好的重要零件.

对于汽主来说，由干其运用条件困难,接受调侦钢不能保证要求・选用渗碳

度，离的心部抗冲击实力。

钢较为合适.20CrMnTi钢接受渗碳+淬火+低阻回火.齿轮表面可以获得55*63HRC

的高硬度，国淬透性较高，齿心部具有较而的强度和韧性.因而选用

技术要求20CrMnTi

钢，

齿表荻度：58〜63HRC

心日强度：33〜45HRC4.3材料化学成分及合金元素的作用

屈服强度力850Mpa

4.3.120GMeTitH的具体化学成分及自分

齿根弯曲乏素强度:)lOOOMpa

表120CrMnTi钢的化学成分及含量(质疑白分数〉

合金CCrMnTiSiSPNiCu

元素介脑HRCI50VKK)V3oor400Vsoor550V«M)V650V

860汕42-464341403935302517

n”；0.171.000.800.040.17WWW

(wt%〜〜〜〜0.03C.030.30.35.齿轮加工制作工艺

)0.231.301.100.100.375VR0(.1

5.1传统的齿轮材料的工艺路途:

432化学元案作用

①C：C的含量确定了渗碳件心部的强度和韧性，从而影响零件的整体性能.下料一锻造一正火一齿形加工一漆碳一淬火一低温回火一喷丸一磨切削加工

一般港成剂都是低碳剂.

5.2淬火工艺设计

②“：有利于渗碳层增厚，提高钢的泮透性，提高回火桧定性，增加钢的耐

磨性。为了使工件奈得表硬内切的性能要求,工件渗碳后必需进行适当的热处理•由于

③k'n：提高钢的淬透性，增加钢的强度和硬度，有利于渗碳层增皿，细化珠

齿轮的材料是20CrMnTi钢，是本质细晶粒钢，特别是钢中含有的强碳化物形成

光体组织以改善机械性能.

④1i：阻挡奥氏体晶粒在高温灌碳时长大，细化H粒，井旦减小港碳层厚度。元素Ti,猛烈阴挡奥氏体晶粒的长大,经过长时间港殿后奥氏体品粒并不明品长

⑤Si：阻挡碳化物形核长大，提高钢的淬透性，提高钢I的抗回火稳定性，提

大，故可以月预冷干脆泞火法，正常加热冷却状况下，工件加热到860c后，

高对钠的缥合机械性能。

©£、P：都是铜中的杂质元索，S能明显降低钢的植建性，但能改善铜的可切保温一段时间，使Z奥氏体化后用油冷却生至窗.得到与人体和找余臾氏体，只

削性：F能降低纲的强度和韧性.有较高的硬度.

4.4材料的相变点温度：860c

20CrMnTi相变临界点渗碳后的齿轮温货在930T左右,此时可以将齿轮留在渗碳炉中冷却.即预冷,

冷却到86QX?时，保温・段时间，取出后立刻放入油中，这样对齿轮淬火，操作

修界鼬度电造加工渔财:正火比较简洁，降低了成本,提高了生产效率,也可以达到齿轮须要的要求，且齿轮

W号AciAcs淞强冷却些慢氧化、脱碳及淬火变形均小。

加矽

AriAnM,性锻rcHBW

淬火介质：油冷

1160-

7308203601200-930-156-滓火设备：淬火油槽

20GMnfi1200

空冷

1240950

690795••207剂的加热温度一般可依据Fe-Fe3C相图选择.20CrMnT：钢为亚共析钢,淬火

津火®火

加热温度选择Ac3以上30c〜50c,依据港碳后齿轮的表层含碳盘的分布状况及

温度海火不R得度回火后的硬慢MlHRC

码速做|]Q.3O-O35I|0.16-0.18

实践回历从930c预冷到860C左右进行油冷可以得到好的效果‘淬火冷却速度

太快，奥氏体向马氏体组织转变矮烈、体积收缩，引起很大的内应力.简洁造成

依据设计的2OCrMnTi钢齿轮.加热系较a的大小取1.5.

齿轮的变形和开裂，由于20CrMnTi是合金钢，淬透也较好，故选择油冷战小冷樵正系数K的值取2.2.

却速度,防止淬火造成齿轮变形或开裂。同时也能获司马氏体组织，达到较高的故加热时间为T=a・K・D=155min^2.5h

因为开温顺保温当中有渗碳的过程,所以除去渗碳时间。齿轮的开温时间为L5h,

硬度.

所以得到保海时间是I.Oh.

保温时间的确定淬火加热时间包括升温股保温时间两段时间，升温时间包括相

5.3其他热处理工艺

变审结晶时间，保温时间事实上只考虑碳化物溶解和奥氏体成分匀整化所须要的

5.3.1正火

时间.

温度：930c

在具体的生产条件下,淬火加热时间附用阅历公式计算.通过试验最终确定.

时间：保温3个小时

常用的阅历公式为：

组织：片状珠光体+铁素体

r=a*K*D

硬度：齿轮的表面硬度为I56-207HBW

式中：加热时间，；加热系数，：装炉修正系数：工件

t,mina,min/mmK,D,设备：中温箱式炉

有效厚度,“叫

我选择的变速箱齿轮,它的直径大约是2nomm,内圈直径约为100mm.厚

加热系数a表示工件单位耳度须要的加热时间，其大小和工件尺寸、加热

度约是50mm,齿轮正面的阈形面积S约为628mm*体积V约为3I400mmI材

介桢和钢的化学成分有关,下表是常用铜的加热系数，

料是低碳合佥纲20CrMnTi.它的正火温度在95OC左右.号虑到中温炉在中温测

G时比较精通，因而选用中品箱式炉。结构图如图2所示,标准系列中温箱式电

常用钢的加热系数

阳炉技术数据如表3所示.

中温箱式炉替构图

75O-85OX?800-9001C1000-

工件直径vfiwrc箱

工件材料献炉中加热箱式炉或井I300C高温

/mm式炉中加热

成预热式炉中加热盐炉中加垃

<500.3-0.41.0-1.2

碳钢

>500.4-0.51.2-1.5

W500.45-0.501.2-1.5

合金刷

>500.50-0.551.5-1.8

高合金钊0.30-0.400.30-0.350.17-0.2

和炉内枳碳严峻.炉内气氛的成分和碳势不稳定,不易限制.现在，接受

甲醉一块油混合液作为添碳滴注剂,其中甲陟是稀释剂.操油是海碳剂,可以明

显的削减炭黑.

现油热分解气成分和温度的关系

渗碳温度：920土10C

依据：港碳温度在Ac3以上,考虑碳在钢中的扩散速度等因素,接受的温度

为910~93（TC。港碳程度的上升，碳在钢中的扩散系数增大，港儡速度很快，但

1一炉壳：2一炉村：3—热电偶:4一炉膛：5一炉门:港碳温度过商会造成晶粒粗大，选取l=93OC。

6一炉门升降结构：7—电热元件；8一炉底板；160'180滴/'分钟

接受到沸加热的方法，缘由是避开金属组织出现不须要的相转变，加热速,位

标准系列中温箱式电阻炉技术数据

快，节约时间，便于批垃生产.

设备：RQ3-f^9井式渗碳炉

炉过85。9时的指标

炉般尺寸海碳炉是新型1"非周期作业式热

依据我选择的历轮大小,正火选用空炉损空炉升JftX

作温度（长X宽装装

耗功率温时间处理电炉，主要供铜制多件进行气体治

/rX将）Armfit

的电阻炉为RX3-15-9./k./h碳.

/kg

600X300RQ索列i•碳井式炉的型号

95052.5加

X25C

950X450

95072.5200

X35C

正火工艺曲线

5.3.2海碳

煤油走传统的•渗碳滴注剂，如图5显示了煤油热分0气成分和检定的关系。煤800

油价格低藤,港碳实力强，但单独运用煤油港碳会在商海裂解后产生大配CH4

在先0X:时有关指标

粉定葡定端定钢的韧性，又保持了钢的硬度、强度、耐解性。在18OC回火时，大部分裂蚊己

M工作空问尺寸（直

5!号功率电压空炉搔耗

敏径X深依）空帧损怩般大装a

入升温时间经焊合.可大大减轻工件的脆裂倾向,低淑回火得到隐品的回火马氏体及在其上

WN/r功和kWflbkW

序

RQW353803950©500X600W9W2.570分布的匀整纽小的碳化物颗粒，硬度可以达到55HRC以上.

RQ367603803951)©450X600W12<2.5150

RQ3-75^753«03950◎450X900<14W2.5220回火的保温时间：2h

依据我选择的齿轮大小，选择型弓为RQ3-60-9系列的井式港碳炉比较合适

回火时间一般为1〜3小时

齿轮在井式炉中的渗碳工艺曲线

在空气炉中保温时间

有效力度/丽<2020-1040-6060-8080-100

保阻时间/mir30〜4545-6060-9090-120120-150

合余钢的保温时间按上述表格中所列出的时间增加23灰,空气炉低温回

火的保温时间不得低于120min：装炉量大时.保M时间应适当延长.所以齿轮的

保温时间确先为2h0

材料的&织及性能加热孤段:为1801。加热到100X：时马氏体起先分解.

共格析出一读化物，回火保温足修长的时间后得到I可火马氏体，硬度和耐磨性

渗碳层组织高.低温回火时马氏体中过饱和碳原子以碳化物的形式逐步析出，马氏体品格崎

表层：细针状或隐晶马氏体•细颗粒状弥散匀整分布的碳化物।少地残余奥氏

变程度减弱，内应力有所降低。此时的回火组织由马氏体和碳化物组成，称为13

体：

心部：细品粒低碳马氏体组织：火马氏体。虽然马氏体的分解使a-Fc中欧的过饱和程度降低,钢的硬度相应下降,

表层和心部之间：高碳马氏体+残余奥氏体.但析出的碳化物乂对基体起强化作用，部分的钱余奥氏体分解为回火马氏体，

渗碳层中有25%〜30%的残余奥氏体时・有利于提将接触乏累强度；表面粒状

碳化物增多,提高表面耐磨性及接触乏琳强度.但碳化物数量过多将使冲击韧度.所以钢仍保存很麻的硬度和耐磨性和确定的韧性。钢中含有的Si元素能供应钢

乏累强度等性能降低。的回火抗性.Cr元素能提高回火稳定性.

5.33回火

齿轮淬火后具有较高的强度和硬度,其淬火组织主要是韧性很差的享品马氏回火设各：低温箱式炉

低海箝式炉的最高工作温度为65OC,用于钢铁零件汴火后的回火和时效处

体，有较大的淳火内应力和一些微裂饺:，所以回火应当刚好点。在1801c回火能

理，也可以作铝合金的淬火加热用。其零件的加热是靠时流和幅射完成的，在炉

使季品马氏体中过饱和的固溶碳原子沉淀析出弥散分缶的C碳化物,既可以提高

顶或炉的后墙上安装风扇以及导风装置•强迫炉内气体的前环•来提高炉膛的温

度匀整性和传热效果.齿轮精加工后，最终还要检杳齿轮的外观表面、溶层深度、硬度、金相组织

低温箱式电阻炉技术数据等是否达到议计的要求.

加膛尺寸（长大通Jd大牯优缺

堂号切率/kW工作矗BE/C