螺旋锥齿轮热处理生产工艺过程设计模板

1序言

零件设计是一个工程技术人员应该含有最基础专业技能。零件分析是认识零件

过程，是确定零件表示方案前提，一个好视图表示方案离不开对零件全方面、透彻、

正确分析。零件分析也是确定零件尺寸标注和确定零件技术要求前提，所以，零件

分析是绘制零件图依据。零件工艺结构分析就是要求设计者从零件材料、铸造工艺、

机械加工工艺乃至于装配工艺等各个方面对零件进行分析，方便在零件视图选择过

程中，考虑这些工艺结构标准化等特殊要求和要求，使零件视图表示更趋完整、合

理。

课程设计能够培养学生综合利用所学知识，发觉、提出、分析和处理实际问题

能力，是锻炼实践能力关键步骤，是对学生实际工作能力具体训练和考察过程。热

处理生产工艺过程设计是金属材料工程专业课程教学一个关键步骤。经过这一步

骤，能够使我们初步掌握经典零部件生产工艺过程；掌握经典零件选材、热处理标

准和工艺制订原理；理论联络实际，综合利用基础课及专业课程多方面知识去认识

和分析零部件热处理生产过程实际问题，培养处理问题能力。

热处理工艺是整个机器零件和工模具制造一部分，热处理是经过改变钢内部组

织结构，以改善钢性能，经过合适热处理能够显著提升钢机械性能，延长机器零件

使用寿命。热处理工艺不仅能够强化金属材料、充足挖掘材料性能潜力、降低结构

重量、节省和能源，而且能够提升机械产品质量、大幅度延长机器零件使用寿命。

任何一个热处理工艺全部不是绝正确完美，所以经热处理后材料会有不一样程

度缺点，对零件缺点进行分析也也是零件设计必不可少步骤。合理选择检验设备和

正确检验方法是做好检验必需条件。

经过课程设计使我知道了理论和实际相结合是很关键，只有理论知识是远远不

够，只有把所学理论知识和实践相结合起来，从理论中得出结论，我们才能从中取

得真正知识，有了真正知识，才能提升自己实际动手能力和独立思索能力。

2零件图分析

图1零部件图

技术参数：端面模数产12,齿轮齿数Z=41,节圆直径D=192mm,压力角为20度，齿全高h=14,

螺旋角=30度，端面弧齿厚s=17mm。

技术要求：总渗碳层深度为1.8〜2.3mm,渗层表面碳浓度（c）为0.85%〜1%,渗碳淬火回火

后表面硬度为58〜62HRC,心部硬度为36HRC,有效渗碳硬化层深度测至50HRC处大于1.2mm。

2.1零件服役条件、失效形式及性能要求

（1）服役条件：螺旋锥齿轮是石油钻机中关键传动零件，是一个能够按稳定

传动比平稳、低噪音传动传动零件。有较高传动速度（空载最高线速度为30m/s,

加载线速度为25m/s）,受重载和冲击。（2）失效形式：关键失效形式为磨损、点

蚀和断裂。螺旋锥齿轮因为摩擦或使用而造成磨损；随工作时间越来越长在齿

轮表面部地域出现纵深发展腐蚀小孔，其它地域不腐蚀或腐蚀轻微，这种腐蚀

形态叫点蚀；随工作时间增加齿轮产生断裂失效。（3）性能要求：为了预防螺

旋锥齿轮失效和确保传动比稳定所用材料应含有以卜.性能要求：a、良好力学性能；

b、良好渗碳淬火性能；c、良好抗冲击性能；d、良好心部硬度；e、良好热变形性

能。

3材料选择

3.1初步选材

依据螺旋锥齿轮技术要求：总渗碳层深度为1.8〜2.3mm,渗层表面碳浓度w

（c）为0.85%〜1%,渗碳淬火回火后表面硬度为58〜62HRC,心部硬度为36HRC,

有效渗碳硬化层深度测至50HRC处大于选定材料应该含有高强度、高韧性

和良好淬透性。又依据螺旋锥齿轮性能要求：a、良好力学性能；b、良好渗碳淬火

性能；c、良好抗冲击性能；d、良好心部硬度；e、良好热变形性能。为满足以上

条件初步确定符合要求材料为渗碳轴承钢(l，o

3.2确定材料

42CrMo、12CrNi3和20Cr2Ni4A全部属于渗碳轴承钢，经过对各个材料性能进

行分析对比选出最好材料。

(1)42CrMo属于超高强度钢，含有高强度和韧性，淬透性也很好，无显著回

火脆性。调制处理后有较高疲惫极限个抗数次冲击能力，低温冲击韧性良好。适宜

制造要求一定强度和韧性大、中型塑料模具。强度、淬透性高，韧性好，淬火时变

形小，高温时有高蠕变强度和持久强度。用于制造要求较35CrMo钢强度更高和调

质截面更大锻件，如机车牵引引用大齿轮、增压器传动齿轮、压力容器齿轮、后轴、

受载荷极大地连杆及弹簧夹，也可用于m以下石油深井钻杆接头和打捞工具，而且

能够用于折弯机模具等。

(2)12CrNi3钢属于合金渗碳钢有高淬透性。该钢淬火低温回火或高温

回火后全部含有良好综协力学性能，钢低温韧性好，缺口敏感性小，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%。此钢

退火后硬度低、塑性好。为提升模具型腔耐磨性，模具成型后需要进行渗碳

处理，然后再进行淬火和低温回火，从而确保模具表面含有高硬度、高耐磨

性而心部含有很好韧性，该钢适宜制造大、中型塑料模具。

(3)20Cr2Ni4A是优质合金钢有良好力学性能，强度高有良好心部硬度，韧

性好有有良好抗冲击性能及热变形性能，淬透性好有良好渗碳淬火性能。渗碳后不

能直接淬火，以降低表层参与奥氏体。切削性及冷变形塑性通常。用于大截面渗碳

件，如大型齿轮、轴类和要求强度高、韧性好调质零部件等。此轴承钢是特大型轴

承用低碳高合金渗碳轴承钢，不管是在工艺性上还是经济性上全部是很符合我们要

求，所以综合分析20Cr2Ni4A是最好材料。

3.320Cr2Ni4A化学成份、相变点及合金元素作用

3.3.1钢化学成份

表1表Cr2Ni4A化学成份⑶

化学成份（％）

牌号

CSiMn5PCrNi

20Cr2Ni4A0.17〜0.17〜0.30〜WQ.03W0.031.25〜3.25

0.230.370.601.653.65

3.3.220Cr2Ni4A相变点

表220Cr2Ni4A相变点-

相变点AclAc3Ar1

温度/℃720780575

3.3.3化学元素作用

C元素：提升屈服点和抗拉强度，增加钢冷脆性和时效敏感性，降低塑性、冲

击性和耐大气腐蚀能力。

Si元素：提升钢回火稳定性、提升钢抗氧化性、提升钢淬透性和淬透温度。

Mn元素：提升钢淬透性，从基体组织中扩散到析出渗碳体中，形成合金渗碳

体,改善其硬度。

S元素:使钢产生热脆性，降低钢延展性和韧性，改善切削加工性。

P元素：增加钢冷脆性，使焊接性变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。

Cr元素：提升钢淬透性，固溶强化基体组织，并改善基体组织回火性和硬度。

Ni元素：提升钢淬透性，有利于改善钢韧性。

4确定加工路线

确定零件加工路线加工工艺关键包含机加工和热处理工艺。机加工足指经过加

工机械正确去除材料加工工艺。它直接改变毛坯形状、尺寸和表面质量等，使其成

为零件过程称为机械加工工艺过程。热处理工艺是将金属材料放在一定介质内加

热、保温、冷却，经过改变材料表面或内部金相组织结构，来控制其性能一个金属

热加工工艺。

4.1初步确定加工路线

依据20Cr2Ni4A材料性能和技术要求，可初步确定其加工路线为：下料一锻坯

一预备热处理一高温回火一车齿坯一粗、精铳齿一渗碳一高温回火一淬火+低温回

火一喷丸一磨端面及孔一磨齿一成品。

4.2每个步骤作用

（1）下料作用：提供原料；

（2）锻坯作用：取得原料；

（3）预备热处理作用：为随即机加或最终热处理提供一个良好机加性能或

良好组织形态；

（4）高温回火作用；（1）消除淬火时产生残留内应力，提升材料塑性和韧性

（2）取得良好综协力学性能（3）稳定工件尺寸，使钢组织在工件使用过程中不发

生改变。

（5）车齿坯和粗、精铳齿作：对材料进行机械粗加工，是以快速切除毛坯余

量。

（6）渗碳作月：使机器零件取得高表面硬度、耐磨性及高接触疲惫强度和弯

曲疲惫强度，渗碳后淬火、回火，心部保持良好韧性同时提升工件表面强度、耐磨

性和硬度。

（7）高温回火作用：因为渗碳后表层组织为马氏体和大量残余奥氏体，对这

种组织不能直接重新加热淬火，不然轻易恢复渗碳时所形成较粗大奥氏体晶粒，即

生成二次织构。所以在淬火加热之前，需优异行一次高温回火，使马氏体和残余奥

氏体分解为回火索氏体，降低基体中碳、铭含量。这么重新加热淬火时，因为奥氏

体中融入碳和格等元素含量降低，淬火后不仅残余奥氏体量降低，马氏体也细小。

（8）淬火+低温回火作用：经过淬火和不一样温度回火配合，能够大幅度

提升金属强度、韧性及疲惫强度，并可取得这些性能之间配合（综合机械性

能）以满足不一样使用要求。

(9)喷丸、磨端面及孔和磨齿作用：完成各关键表面最终加工,使零件加工精

度和加工表面质量达成图样要求要求。

5热处理工艺方法选择

5.1预备热处理工艺⑷选择

通常预备热处理有这多个：1、调质处理：一航后面要进行表面淬火处理，

其预备热处理目标是为了使工件表面淬火前得到强韧性结合优良心部性能，降

低使用过程中心部疲惫开裂。2、正火处理：通常后面进行是化学热处理(渗

碳+淬火)或调质热处理，其预备热处理目标就是细化晶粒、消除机加应力、

均匀不平衡组织等，为后面最终热处理奠定良好组织基础。3、退火处理：后

面最终热处理通常全部是调质处理，其作为预备热处理目标就是为了消除应力

和降低表面硬度。正火和退火工艺相比，其关键区分是正火冷却速度和快，

所以正火热处理生产周期短。故退火和正火一样能达成零件性能要求时，尽

可能选择正火。大部分中、低碳钢坯料通常全部采取正火热处理。通常合金

钢坯料常采取退火，若用正火，因为冷却速度较快，使其正火后硬度较高，

不利于切削加工。所以在此选择正火对钢进行预备热处理。

5.2渗碳工艺⑸选择

齿轮渗碳过程温度较低，时间较长，轻易造成较粗大和严重热处理变形等缺点。

对其改善关键从两个方面入手。一是利用催渗方法催渗以降低温变和缩短时间。二

是利用高温渗碳缩短时间。稀土渗碳方法是关键一个催渗方法，应用比较多，工艺

成熟，高温渗碳通常情况下极少采取。因为高温下晶粒长大趋势严重且对设备rr危

害，假如能够排除这两项不利原因，则它也是可行。利用高温渗碳原理改善高温渗

碳方法既含有渗速快优点，上述两项不利原囚也不显著，在生产被采取越来越多。

部分新型渗碳方法在简化热处理工艺同时也改善了齿轮质量。

5.3最终热处理⑹选择

20Cr2Ni4A钢热处理工艺复杂关键表现在数次高温回火上，渗碳后冷却时和淬

火加热时在630〜650℃均温均能达成高温回火目标。但在这方面仍需要深入研究。

进行合理渗碳工艺选择，改善渗碳质量以达成直接淬火目标是一个值得探索方向。

另外，为了消除过多残余奥氏体，深冷处理也是一个常常考虑方法。经过淬火和

不一样温度回火配合，能够大幅度提升金属强度、韧性及疲惫强度，并可取

得这些性能之间配合（综合机械性能）以满足不一样使用要求。在比我们选择

高温回火、淬火和低温回火。

6制订热处理工艺制度

6.1正火工艺制订

6.1.1正火加热温度

正火是将钢加热到Ac3以上30-50℃,保温后在空气中冷却热处理工艺，因为

该钢Acs为780℃,所以其正火温度通常在910〜930℃之间，但在实际生产中，正

火加热温度通常要高于其理论正火温度，所以设定正火加热温度在950C。

6.1.2正火加热时间

金属材料和铁制品加热所需时间包含从室温到炉温仪表指示达成所需温度升

温时间、炉料表面和心部温度均匀所需均热时间和内外达成温度后为了完成相变所

需保温时间三个部分。加热时间计算公式：

t=aXkXD

式中t-----加热时间（min或s）、a-------加热系数（min/mm或s/mm）、D------工件有

效厚度（mm）,k一一工件装炉条件修正系数，通常取LOT.5。

表3碳钢和合金钢在多种介质中加热系数（a值）⑺

每1mm有效厚度加热时间

钢材

空气电阻炉盐浴炉

碳钢0.9-1.Imin25-30s

50-60s

合金钢1.3-1.6min

15-2()s(一次预热)

高速钢—8-15s（二次预热）

由上表可选择a=l.5min,经过查手册工件在炉内不一样排布方法加热时间修正

值知K=1（单件）,工件有效厚度D=80mm,可得:t=120mino

6.1.3正火处理工艺表

表4正火处理工艺

材料加热温度(℃)加热时间(h)冷却方法

20Cr2Ni4A9502空冷

6.2高温回火工艺制订

6.2.1局温回火温度

表5多种工件回火温度及回火目标1

工件名称回火孤度/℃利火机织阿火目的工艺名稼

工兵、恸承、泠碳件江俅恃离硬度的条件使

及候氯共添件衣面淬150~250向火马氏体脆性有所降低,残留内应力有低温回火

火件所减小

作具力向屈服软度及优良的

伸大、模具等350-500回火托氏体井性的前提下使纲具有一定裁中曲网火

性和韧性

士付、半轴、曲连忏、傥织既用较高的强度又有&

500~650回火索氏体充区回火

齿轮等重安零件好的笏性和切性

切削加工网大而变

形要求严格的工件及600-760消除内应力公应力回火

淬火返修件

精潜工模共、机床纣120~160℃长期保稔定化的阿火马氏

稳定铜的组裂及匚件尺寸劭定化处同

杠、精密轴承沮体及残幽达氏体

由上表可知齿轮回火温度为500-600℃,在此设定高温回火温度为650℃o

6.2.2高温回火时间

从工件入炉后炉温深至回火温度时开始计算。可参考经验公式加以确定:

T『Kn+AnD

式中Tn一—回火时间(min)、Kn一一回火时间基数、A:1一一回火时间系数、D

工件有效厚度(mm),(和有推荐值见下表

表6辛及An推荐值⑸

3003以上300~450℃450。，以上

回火条件

箱式电炉楼搭炉箱式电炉盐浴炉箱式电炉款浴炉

K./min1201202015103

4,/(min/mm)10.410.410.4

由上表可知。450℃以上箱式电炉Kn取lOmin,值取lmin/mm。得回火加热时间为

90mino而高温回火保温时间通常为3~3.5h,则高温回火总加热时间为5h。

6.2.3高温回火处理工艺表

表7高温回火处理工艺

材料加热温度(℃)加热时间(h)冷却方法

20Cr2Ni4A6505空冷

6.3渗碳工艺制订

6.3.1渗碳温度

由式：D=0.162exp(76575/T)可知，随渗碳温度升高，碳在钢中扩散系数呈指

数上升，渗碳速度加紧，但渗碳温度过高会造成晶粒长大，工件畸变增大，设备寿

命降低等负面效应，所以渗碳温度常控制在900-950℃。选择常见气体渗碳法，加

热温度定为930℃。

6.3.2渗碳时间

渗碳时间和渗碳深度呈平方根关系，渗碳时间越短，生产效率越高，能耗越低,

但对于浅层渗碳而言，渗碳时间太短，渗层深度控制难以正确。应经过调整渗碳温

度、碳势来延长渗碳时间，方便正确地来控制渗层深度。

表8强渗时间、扩散时间及渗碳层深度“°】

要求渗层不一样温度下强渗时间强渗后渗层扩散时间扩散后渗

深度/mm(920±(930±(940±深度/mm/h层深度/mm

10)/C10)rc10)/℃

0.4-0.740min30min20min0.20-0.2510.5-0.6

0.6-0.91.5hIh30min0.35-0.401.50.7-0.8

0.8-1.22h1.5hIh0.45-0,5520.9-1.1

注：若渗碳后直接降温淬火，则扩散时间应包含降温及降温后停留时间。

经验计算按0.15-0.2mm/h来计算,因渗层深度为1.2mm,则渗碳时间T=7he

6.3.3渗碳方法

甲醉-煤油滴注式渗碳法（甲醉为稀释剂，煤油为渗碳剂），甲醇-煤油滴注剂

中煤油含量通常在15%-30%范围内，高温下甲醇裂解产物水、二氧化碳和甲烷、

碳氧化，可使炉气成份和碳势保持在一定范闱内，能够采取红外仪讲行控制。

表9常见有机液体渗碳特征［

名称分子式破当量彳碳辄比渗碳反应式用途

甲髀CH,OH—1CHjOH>CO+2H2稀择剂

GHSOHT[C]+CO+3H；

乙醉C2H5OH462渗碳剂

异内孵QH70H303CaH?UH*2(C)+CO+4H?颊*喊荆

乙解CJHJOCJHJ24.74CjHjOCjH,-3[C]+CO+5H2强渗破剂

丙酬CH3coe%293CH3COCHJ-2[C]+C0+3H2强澹碳剂

乙酸乙苗C1I,CO(X：ZW,442CHjCOOCjII,-?[C]♦7Cn*4Ht浴吸剂

85（rc以下裂解不充分，含大盘缩短

航空煤油、灯用煤油（乙用、丙烯）,容易产生炭黑和结焦。应

柒油主要成分为；G■—在900~950。（：使用，高温下理论分解式强澹嚷剂

和C”~C|7的烧烧为：0）（H；4~C17+

MJ+叼为

为了确保甲醇和煤油裂解反应充足进行，炉体应确保四个条件：①炉内静压大

于1500pa；②滴注剂必需直接滴入炉内；③加溅油板；④滴注剂经过400-700℃温

度区时间WO.07s。渗碳设备为RTJ-75-9T型井式渗碳炉。滴注式可控气氛渗碳通

常采取两种有机液体同时滴入炉内，一个液体产生气体碳势较低，作为稀释气体；

另一个液体产生气体碳势较高，作为富化气，改变两种液体滴入百分比，可使零件

表面含碳量控制在要求范围内。

采取红外仪控制碳势时，往往采取固定总滴量，调整稀释剂和渗碳剂相对滴量

措施来调整炉内碳势。

表10甲醉-煤油红外仪控制滴注式渗碳工艺'

区930下区925

碳督850

排*

4%期利整期潘碳期降温期均温期

人

时间11.20405251.50.5油

/h

港

甲<9o(rc150-180

剂150-180150-(80120-150(20150

醉

满!>9(xrc6080

鳖

|>87OT旁路电磁阀电越阀

滴煤90120旁路।

论计州开度针网开度

［油J810

旁路6080|6aso

i„12X50___■1

1给定俗1(%)5-0.3।0.30.3-0.80.8

1200-300

炉FK/Pa■20030015Q-2OO150-200

6.3.4渗碳处理工艺表

表11渗碳处理工艺

材料渗碳温度（C）渗碳时间（h）渗碳方法

20Cr2Ni4A9307甲醇-煤油滴注式渗碳法

6.4高温回火工艺制订

因为渗碳后表层组织为马氏体和大量残余奥氏体，对这种组织不能直接重新加

热淬火，不然轻易恢复渗碳时所形成较粗大奥氏体晶粒，即生成二次织构。所以在

淬火加热之前，需优异行一次高温回火，使马氏体和残余奥氏体分解为回火索氏体,

降低基体中碳、格含量。这么重新加热淬火时，因为奥氏体中融入碳和格等元素含

量降低，淬火后不仅残余奥氏体量降低，马氏体也细小。下表为高温回火处理工艺

温度、时间及冷却方法。

表12高温回火处理工艺

材料加热温度（℃）加热时间（h）冷却方法

20Cr2Ni4A6506空冷

6.5淬火工艺制订

6.5.1淬火加热温度

钢淬火是将钢加热到临界温度Ac,（亚共析钢）或A”（过共析钢）以上某一温

度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体1化，然后以大于临界冷却速度冷速快

冷到Ms以下（或Ms周围等温）进行马氏体（或贝氏体）转变热处理工艺。

由钢相变点在此设定淬火加热温度为800C。高温下钢状态处于单相奥氏体（A）

区内，故称为完仝淬火。

6.5.2淬火加热时间

淬火保温时间由设备加热方法、零件尺寸、钢成份、装炉量和设备功率

等多个原因确定。淬火加热时间应包含工件整个截面加热到预定淬火温度，并使

之在该温度下完成组织转变、碳化物溶解和奥氏体成份均匀化所需时间，所以，淬

火加热时间包含升温和保温两段时间。在实际生产中，只有大型工件或装炉量很多

情况下，才把升温时间和保温时间分别进行考虑，通常情况下把升温时间和保温时

间统称为淬火加热时间。在具体生产条件下，淬火加热时间常见经验公式计算，经

过试验最终确定，常见经验公式为：

t=aXkXD

式中,T----加热时间（min或s）、a----加热系数（min/mm或s/mm）、D----工件

有效厚度（nun）、k——工件装炉条件修正系数，通常见LOT.5

表13常见钢加热系数【

750-850C盐800-900C箱1000-1300℃

V600C箱式

工件材料工件直径/mm炉中加热或式炉或井式高温盐炉中

炉中加热

预热炉中加热加热

W500.3-0.41.0-1.2

碳钢

>500.4-0.51.2-1.5

W500.45-0.50

合金钢1.2-1.51.5-1.8

>500.50-0.55

由上表可选a为0.55,修正系数k取1,则加热时间为lh。

6.5.3淬火加热速度

对于形状复杂，要求畸变形小，或用合金钢制造大型铸锻件，必需控制

加热速度以确保降低淬火畸变及开裂倾向，通常以30-70℃/h速度升温到

600-700℃,在均温一段时间后再以50-100℃/h速度升温。形状简单中、低

碳钢，直径小于400mm中碳合金结构钢可直接到温入炉加热。

6.5.4淬火冷却方法

工件在低温盐浴或碱浴炉中淬火，盐浴或碱浴温度在Ms点周围，工件在

这一温度停留2min〜5min,然后取出空冷，这种冷却方法叫分级淬火0对于

形状复杂、畸变要求较严格高合金工具钢，能够采取数次分级淬火，分级冷

却目标，是为了使工件内外温度较为均匀，同时进行马氏体转变，能够大大

减小淬火应力，预防变形开裂。分级温度以前全部定在略高于Ms点，工件内

外温度均匀以后进入马氏体区。现在改善为在略低于Ms点温度分级。实践

表明，在Ms点以下分级效果愈加好。比如，高碳钢模具在160c碱浴中分级

淬火，既能淬硬，变形又小，所以应用很广泛。

6.5.5淬火冷却介质

要使钢中高温相一一奥氏体在冷却过程中转变成低温亚稳相一一马氏

体，冷却速度必需大于钢临界冷却速度。工件在冷淬火冷却却过程中，表面

和心部冷却速度有-定差异，假如这种差异足够大，则可能造成大于临界冷却

速度部分转变成马氏体，而小于临界冷却速度心部不能转变成马氏体情况。

为确保整个截面上全部转变为马氏体需要选择冷却能力足够强淬火介质，以

确保工件心部有足够高冷却速度。不过冷却速度大，工件内部因为热胀冷缩

不均匀造成内应力，可能使工件变形或开裂。

冷却阶段不仅为了零件取得合理组织，达成所需要性能，而且要保持零

件尺寸和形状精度，在盐浴中进行。为了确保取得优异性能，应采取油作为淬

火介质。油冷却特征对多种合金钢淬火和薄壁碳钢零件淬火是很适宜，且油

在珠光体(或贝氏体)转变温度区间有足够冷却速度。

6.5.6淬火处理工艺表

表14淬火处理工艺

材料加热温度(C)加热时间(h)冷却方法

20Cr2Ni4A8001马氏体分级淬火

6.6低温回火工艺制订

6.6.1低温回火温度

回火是将淬火后钢重新加热到Ac1以下某一温度，保温后冷却到室温热处理工

艺。依据回火温度不一样，可将回火分为低温回火、中温回火和高温回火。其中低

温回火是工件在150〜250℃进行回火。目标是保持淬火工件高硬度和耐磨性，

降低淬火残留应力和脆性，回火后得到回火马氏体，力学性能：58〜64HRC,

高硬度和耐磨性。20Cr2Ni4A钢是低碳钢，要求含有很高硬度、耐磨性，同时要

求心部含有很好塑性和韧性，所以低温回火能够满足性能要求，故选择低温回火，

T取200℃。

6.6.2低温回火时间

回火时间是从工件入炉后炉温升至回火温度时开始开始计算，可参考经验公式

加以确定：

t=K+AD

T----回火时间(min)、K----回火时间基数、A----回火时间系数、D----工件有效

厚度(mm)

表15回火保温时间参数表"”

300℃以上300-450aC450C以上

回火条件

箱式电炉盐浴炉箱式电炉盐浴炉箱式电炉盐浴炉

K/min1201202015103

A/(min/mm)10.410.410.4

低温回火(150-250℃)

有效厚度

<2525-5050-7575-100100-125125-250

/mm

保温时间

30-6060-120120-180180-240240-270270-300

/min

6.2.3低温回火工艺表

表16低温回火热处理工艺

材料加热温度(℃)加热时间(h)冷却方法

20Cr2Ni4A2006空冷

7热处理设备选择

7.1箱式电阻炉选择

热处理电阻炉是以电为能源，经过炉内电热元件将电能转化为热能而加热工件

炉子，是一个造价相对廉价炉子，以降低成本。高温回火、淬火及低温回火温度均

不超出950℃,能够选择中温箱式电阻炉。因为工件正火温度过高，箱式炉炉温不

均，中温箱式电阻炉无法满足温度要求，故选择高温电阻炉。高温箱式电阻炉最高

工作温度有1200℃和1350C两种，这类炉子特点是在此温度下关键依靠辐射传热,

所以电热元件直接部署在工作室内，，要求炉内有足够辐射面积。下表为多种电阻

炉技术参数。螺旋锥齿轮尺寸为502nlmX135mm,而且为单件生产。

表17中温箱式电阻炉产品规格及技术参数””

型号功率电用相数最高T件炉膛尺寸<&X炉温850c时的指标

.KW/V温度P宽X高)/(nim

空我耗能空炉升温最大装载

XmmXmm>

/KW时间将量&g

KX-3-15-9153801950600*300*25052.580

RX-3-30-9303803950950x450*35072.5200

KX-3-45-945380395012(X)x600*40092.5400

RX-3-60-96038039501500x750*450123700

KX-3-75-97538039501X00x900*550163.51200

表1812OOC箱式电阻炉产品规格及技术参数

型号功率电压相数最高T作炉.膛尺寸（氏X炉渔85OCIU的指标

*KW/V温度C宽＞＜高）/（mm

空载耗能空炉升温最大装载

XmmXmm）

/KW时间独M'kg

KX-3-20-122038。112(K)650x300x250W7W350

RX-3-45-124538031200950*450x350W13W3100

KX-3-65-126538。312001200x600*400W17W3200

1

RX-3-90-1290380312001500x750x450W20W4400

KX-3-115-12115380312001800x900*550W22W4600

（1）依据零件尺寸和加热温度条件，并综合考虑经济效益及生产方法，高温回火、

淬火及低温回火选择RX-3-45-9型号箱式电阻炉。

（2）依据零件尺寸和止火温度，并综合考虑经济效益及生产方法，止火工艺选择

RX-3-65T2型号箱式电阻炉。

7.3井式渗碳炉选择

对于渗碳设备选择井式渗碳炉，这类炉子实际上是在井式炉炉膛中再加一密封

炉罐，专为周期作业渗碳、渗氮、碳氮共渗等所用。

表19井式气体渗碳炉技术数据

*

在9S0｛附有美指标

工作区尺寸

城功率顿定电压

9AM（宜泾X深度）

/kW/V/t生则触空m刑i最大装我

/mm

动的kWWH/ht餐

RQ3TTZ53803950300x450W7<1550

RQH353ao3950300x6006970

RQ3-W-9603803950450x600<12<15150

RQJT5—IS3i03950450x900x；14<15220

RQ3-WT903803950600x900G6G400

J__

RQ3T05T133803950WOm1200W180500

依据零件尺寸和正火温度，并综合考虑经济效益及生产方法，渗磔工艺选择

RQ3-90-9型号井式气体渗碳炉。

7.3热处理冷却设备选择

热处理冷却设备应该能确保工件在冷却时含有对应冷却速度和冷却温度。由出

于经济考虑，我们选择油冷，通常淬火槽尺寸全部能满足淬火要求，我们选择一般

淬火槽。

图2一股间隙淬火作用淬火槽

1-溢流槽2-排出管3-供入管4-事故排出管5-淬火槽6-工件

8工装设计

8.1热处理夹具选择

热处理夹具选择标准为：①符合热处理技术条件：确保零件热处理加热冷却，

炉气成份均匀度，不致使零件在热处理过程中变形。②符合经济要求：在确保零件

热处理质量复合热处理技术要求时.，确保设备课程设计说明书含有高生产能力，夹

具应含有质量轻，吸热量少，热强度高及使用寿命长特点。③符合使用要求：确

保装卸零件方便和操作安全。

图3箱式炉装料盘

图4井式渗碳炉星形吊具a）吊具I;b）吊具II。

8.2热处理辅具

8.2.1清洗设备选择

清洗设备是指对热处理前后工件清洗设备。零件在热处理前需清除锈斑、油演、

污垢、切削冷却液和研磨剂等，以确保不阻碍加热和冷却不影响介质和气氛纯度，

以防零件出现软点、渗层不均匀、组织不均匀等影响热处理质量现象。热处理后也

常需清洗以去除零件表面残油、残渣和炭黑等附着物，以保障热处理零件清洁度、

防锈和不影响下道工序加工等要求。依据零件对清洁度要求、生产方法、生产批量

及工件外形尺寸要求选择对应清洗设备。

常见清洗设备有碱水溶液、磷酸水溶液。有机溶剂清洗槽和清洗机和配合真空、

超声波清洗装置。通常清洗机常见于清除残油和残盐，可分为间歇式和连续式两种:

前者有清洗槽、室式清洗机、强力加压喷射式清洗剂等；后者有传送带式清洗机及

各类生产线、自动线配置悬挂输送链式、链板式、推杆式和往复式等各类专用清洗

设备。室式清洗机它关键用于批量不大中小零件。输送带式清洗机，适适用于批量

较大小型零件。依据生产特点，小批量中小型零件，能够选择室内清洗机。

A-AB-B

图5室内清洗机

8.2.2矫直设备

矫直设备用于矫正零件翘曲变形。热矫又有不一样方法，一个是利用焊枪局部

加热零件，另一个是利用零件仍在热处理余热（或奥氏体组织）状态下进行矫直，

适适用于大尺寸轴类、板件或矫直时易断裂零件，和冷矫直后因为弹性作用轻易反

弹零件。所以选择热矫后种方法。适适用于中、大型零件矫直用有液压矫直机。

表20常见矫正设备及适用范围

设符类型规格主要用途

F动，丘床1~5t单件.小批小誓件矫声

压力机5~25tHM牛、小批小零件矫直

单柱液压机1O~lOOt铀类宴件矫宜及齿轮扩孔

三辘矫宜机等线或铎差很小零件矫直

双短矫立机等径小宅件连绫矫直

片用矫宜机为专rj零件设计的烧直机

拢板矫立机小铺连续砺直

库拣压力机夺件热后矫正

9检验设备及方法选择

9.1外观

正火和退火后工件表面不能有裂纹及伤痕等缺点。通常热处理工件均用肉眼或

低倍放大镜观察表面由无裂纹、烧伤、碰伤、麻点、腐蚀、锈斑等。关键工件检验

裂纹可用碰力、着色、超声波探伤等方法，对表面许可喷砂铸工件可浸油后喷砂直

接观察。

9.2硬度

正火、退火、调质零件硬度检验用布氏硬度计。渗碳包含渗层表面，防渗部位

及心部硬度，通常见洛氏硬度，淬火处理零件用洛氏硬度计。对于本件硬度检验标

准以下：最终热处理应使硬度值达成所要求58〜62HRC。假如上述硬度计无法检验

时，用超声波硬度计检验。对于要求不严格淬火件可用挫刀和标准试样进行比较。

注意硬度检验位置，应在零件关键部位，依据工艺步骤或由检验人员确定，通常为

1-3处，每处不少于三点，但必需注意，不得破坏工作面。检验硬度时应正确操作

硬度计。被检验零件表而必需平滑，不能有氧化皮或油污，检验前零件可用砂纸或

挫刀磨光，打硬度时零件应放平，使被测零件被测面垂直于压轴线。

9.3金相检验

因为20Cr2Ni4A是低碳合金钢，其正火后组织为均匀分布珠光体和铁素体，若

组织中有点状和细片状珠光体及粗片珠光体，全部是不正常组织，碳化物网要求小

于等于2级，珠光体为2-5级。

渗层碳化物形态及分布，残留奥氏体数量，有没有反常组织，心部组织是否粗

大及铁素体是否超出技术要求等，通常在显微镜下400倍观察，淬火后通常得到马

氏体组织，因为奥氏体温度不一样，马氏体形态大小不一样，通常分为8级，1级

属于奥氏体化温度偏低，淬火组织是细针状马氏体和小于5%铁素体，而8级属于

过热组织，是粗大板条状马氏体和片状马氏体，正常淬火是2-4级，其组织为细小

板条状马氏体和片状马氏体，以后用金相显微镜观察，确定所属等级。

9.4渗层深度

检验渗碳层深度有三种方法，即化学法、金相法、有效硬化层深度法。

化学法是测量渗碳层总深度最正确方法。依据试件深度增量进行剥层,逐层分

析碳含量,直到剥层含量和基体相同,此处距表面距离为渗碳层总深度。金相法是将

试样经等温退火得到平衡组织,在光学显微镜下放大倍测量,渗碳层深度相当于原

始组织至表面距离。有效硬化层深度法是测试试件从表面至硬度为58HRC处垂直距

离，该硬度测量是在10N负荷下进行。因为硬度和强度关系成正比,所以有效硬化层

深度法可直接地反应出渗碳件机械性能,是控制齿轮渗碳层最正确方法。所以采取

有效硬化层深度法进行检验。检验工件是否合格即渗碳层深度在0.8-1.2mm之间。

10热处理缺点分析

10.1正火缺点分析

（1）网状碳化物

原因：过共析钢正火冷却度不够快时，碳化物呈网状或断续王状分布在奥氏体

晶界。这种缺点多发生在截面尺寸较大工件中，消除方法是加紧冷却速度。

控制方法：采取鼓风机冷却、喷淋水冷等。

（2）粗大魏氏组织

原因;加热温度过高，奥氏体晶粒粗大，冷速又较快中碳钢中常出现粗大魏氏

体组织，其铁素体呈片状羽毛或三角形分布在原奥氏体晶粒内。

控制方法：经过完全退火或重新正火使晶粒细化完全消除。

（3）零件产生较大内应力和变形

原因：正火冷却速度较快，使零件产生较大内应力和变形，甚至开裂，可采取

退火消除。

10.2回火缺点分析

表20回火缺点产生原因和控制方法【加

序号1回火决陷产牛原因拄融憎施

1回火水足（瓦k混度低，回火时间不够）柒防同火温度长回火时间

网火制度过育1.降低回火■度

回火侵度低1.

2.律火期织中有拿马氏体1改进停火工X.程篇法火侵度

3回火*变洋火应力回火时松也引起“变加长回火或超热快

利火仍温不均、裳炉・过多炉气循环不艮炉内应有气湾据环风洞或速至联炉*

1.在国火18件区向火1.最免第一类同火魔件区回火

5回火Utt

2.回火后未快冷引起第二美同火魔性2.在第二类机火能性区回火后快冷

6回火加热速度过快,费瓜产生步向拉应力枭用较坂慢的网火加停速度

汴火后未及时回火影成必懵裂纹,在回火

7起火开亵减少滓火应力,件火后应及时回火

时会依发展至断裂,_________________________________________

8表面腐馋僧有残站的零件回火前木及时清洗同火用应及时清洗残世

10.3渗碳缺点分析

（1）渗层不均

原因：炉温不均、固体渗碳时装箱体积过大、工件表面局部有炭黑或结焦及排

气不充足等V

（2）渗层过浅

原因：工艺控制不妥。

（3）网状或堆状碳化物

原因：炉气碳势过高或预冷温度过低。

控制方法：降低渗碳剂供给量，延长扩散时间或提升预冷温度。

（4）心部铁素体量过多

原因：预冷温度过低或一次加热淬火温度远低于心部Ac】。

（5）渗层残余:奥氏体量过多

原因：炉气碳势高，工件表面碳氮浓度高，且预冷温度不够低。

控制方法：降低渗碳剂供给量，延长扩散时间、降低预冷温度，采取较低温度

进行重新加热淬火或深冷处理。

（6）黑色组织

原因：钢中合金元素Cr、Mn等发生内氧化而造成贫化，且氧化物质点又可作

为非马氏体相变关键，从而引发渗层淬透性下降。

（7）畸变

原因：热应力。

控制方法：1）采取热油淬火；2）重新加热淬火渗碳件，降低淬火加热温度等

等。

（8）渗碳开裂

原因：合金元素在渗碳时发生内氧化，是渗层淬透性下降，空冷是表层拖尸体

下面有一层发生了马氏体转变造成表层拖尸体区出现拉应力，引发开裂。

控制方法：降低缓冷速度，使渗层全部完成共析转变，不出现马氏体。或加紧

冷却速度，使深层全部转变为马氏体加残余奥氏体。

10.4淬火缺点分析

10.4.1淬火畸变

原因：1）加热温度不均匀，形成热应力引发畸变或工件在炉中放置不合理，

在高温下常因自重产生蠕变畸变；2）加热时，随加热温度升高，钢屈服强度降低,

已存在于工件内部残余应力达成高温下屈服强度时，就会引发工件不均匀塑性变形

而造成形状畸变和残余应力松弛；3）淬火冷却不一样时性形成热应力和组织应力

使工件局部塑性变形等等。

降低淬火畸变路径：1）采取合理热处理工艺；2）合理设计；3）合理铸造