齿轮热处理工艺设计的方法拔芯

目录

1绪论...............................................................................3

1.1热处理工艺课程设计的意义.....................................................3

1.2课程设计任务及规定...........................................................3

1.3热处理工艺设计的措施.........................................................3

2材料的选择和规定..................................................................5

2.1课题工件简图..................................................................5

2.2技术规定......................................................................5

2.3钢材的简介....................................................................6

3拔叉齿轮热处理工艺设计............................................................7

3.1拔叉齿轮加工工艺路线.........................................................7

3.2预备热处理一等温退火.........................................................7

等温退火目的及工艺.........................................................7

等温退火工艺曲线...........................................................7

装具叫选择.................................................................8

热处理炉的选择.............................................................H

检查：检查金相组织和硬度,措施见表3.3...........................................................................9

3.3淬火工艺......................................................................9

淬火的目的以及工艺参数.....................................................9

冷却措施..................................................................10

热处理炉的选择............................................................11

淬火工艺曲线..............................................................12

3.4高温回火.....................................................错误!未定义书签。

冷却方式..................................................................13

热处理炉的选择............................................................13

高温回火工艺曲线..........................................................13

得到的组织................................................................14

检查......................................................................14

3.5渗氮.........................................................................14

渗氮的特点................................................................................................................................14

选择渗氮的目的........................................................................................................................15

渗氮前的热处理........................................................................................................................15

渗氮工艺参数............................................................................................................................15

渗氮炉中的气氛........................................................................................................................17

渗氮工艺曲线............................................................................................................................17

渗氮后的组织............................................................................................................................18

检查.............................................................................................................................................18

3.6总的热处理工艺曲线...........................................................19

4热处理工序中材料的I组织、性能分析.................................................19

4.1淬火工艺中的组织转变.........................................................19

4.2回火工艺中的组织转变.........................................................20

4.3渗氮工艺中的组织转变.........................................................21

5热处理缺陷及措施.................................................................21

5.1淬火缺陷及其产生的原因及防止措施............................................21

5.2回火缺陷及其产生的原因及防止措施............................................22

5.3退火缺陷及其产生的J原因及防止措施............................................23

5.4气体渗氮的缺陷及其产生原因及防止措施........................................24

6参照文献.........................................................................25

7心得体会..........................................................................26

40CrNiMoA拔叉齿轮热处理工艺设计

1绪论

1.1热处理工艺课程设计的意义

热处理工艺课程设计是高等工业院校金属材料工程专业一次专业课程设计练习，

是热处理原理与工艺课程的最终一种教学环节。其目H勺是：

①培养学生综合运用所学的热处理课程口勺知识去处理工程问题的能力，并使其

所学知识得到巩固和发展。

②学习和热处理工艺设计的一般措施、热处理设备选用和装夹具设计等。

③进行热处理设计日勺基本技能训练，如计算、工艺图绘制和学习使用资料、手

册、原则和规范。

1.2课程设计任务及规定

进行零件H勺加工路线中有美热处理工序和热处理辅助工序的设计。根据零件的I技

术规定，选定能实现技术规定的热处理措施,制定工艺参数，画出热处理工艺曲线图，

选择热处理设备，设计或选定夹具，填写热处理工艺卡。最终，写出设计阐明书，阐

明书中规定对各热处理工序H勺工艺参数的选择和各热处理后H勺显微组织，作出阐明。

1.3热处理工艺设计的措施

热处理工艺的最佳方案是在可以保证到达根据零件使用和产品设计者提出的热

处理技术规定的基础匕设计的一种高质量，低成本，低能耗，清洁，高效，精确日勺

热处理工艺措施。根据零件使用性能及技术规定，提出所也许实行的几种热处理工艺

措施，通过综合经济分析，确定最佳热处理方案。确定热处理方案后，首先应根据零

件的材料及技术规定，选择热处理设备，加热温度，保温时间与冷却方式。在此基础

上，制定编制热处理工艺规范，设计零件在有关热处理工序使用时装夹具及校直装置

等。最终重要编写热处理工序的操作守则。

波及新材料，新技术等特殊的热处理工艺，可遵照试验室、小批量生产试验、生

产验证程序进行确定。

2材料日勺选择和规定

2.1课题工件简图

课题工件简图如图2.1所示

图2.1拔叉齿轮的示意图"

2.2技术规定

齿轮齿部及30H11槽部渗氮

调质:250-280HBS

渗氮层深度:0.35-0.55mm

表面硬度：850-950HV

生产批量为：5件

2.3钢材日勺简介

合金构造钢简称合结钢，40CrNiMoA是合结钢Rj其中一种，也称合金钢，它是

在优质碳素构造钢的基础上，合适地加入一种或数种合金元素(总含量不超过5%)

而制成H勺钢种040CrNiMoA化学成分见表2.1«

表2.140CrNiMoA钢的化学成分⑶(%)

CMnSiCrNiMo

0.37-0.440.50〜0.800.20-0.400.60-0.901.25-1.750.15-0.25

合金元素的作用如下：重要加入日勺元素是Cr、Mo,Ni,加Cr的重要目的是为

了提高淬透性，并有二次硬化作用增长高碳钢的耐磨性，还可以提高钢的耐回火性和

抗氧化性，提高钢的热强性。M。日勺重要作用是提高钢的淬透性，提高热强性和蠕变

温度。并热硬性，原因是在淬火后日勺回火过程中，析出了这些元素的碳化物，使钢产

生二次硬化。加Mn重要是减少钢的下临界点，增长奥氏体冷却时的过冷度，细化珠

光体组织以及改善其力学性能。而Si是常用的脱氧剂，有固溶强化作用，提高钢的

淬透性，抗回火性，对改善综合力学性能有利。

2.440CrNiMoA钢热处理临界温度

40CrNiMoA钢热处理临界温度及硬度范围见表2.2

表2.240CrNiMoA完全退火与正火加热温度及硬度范围⑴

相变临界点/℃退火正火

AclAc3Ari加热温度/C硬度HB加热温度/“C硬度HB

760810・840~880-269890〜920220~270

3拔叉齿轮热处理工艺设计

3.1拔叉齿轮加工工艺路线

铸造毛坯一预备热处理一粗机械加工一去应力退火一精机械加工一调质处理（淬火-

高温回火）一气体渗氮处理一检查

3.2预备热处理一等温退火

3.2.1等温退火目的J及工艺

等温退火的加热温度与完全退火时大体相似，冷却时则在A,一下日勺某一温

度等温，使之发生珠光体转变，然后出炉空冷到室温。由IT图可知，等温退火可以

缩短退火时间，所得珠光体组织，也愈加均匀。详细工艺参数见表3.1

表3.140CrNiMoA等温退火工艺参数

冷却方式

奥氏体化温

随炉冷却控制冷却等温退火

度/℃

（r/r1）由℃到℃冷速/.C/T温度/℃时间/I

83028704-66686498

3.2.2等温退火工艺曲线

y/ISh

<-----空冷

n

时间/t

图3.1等温退火加工工艺曲线

3.2.3装具的选择

相数为三，每次装炉三件，每件之间有一定距离，使工件充足加热,

提高效率，装具如图3.2

装料口

图3.2装具

3.2.4热处理炉的选择

根据工件H勺尺寸和重量，选择高温井式电阻炉，设备H勺技术参数见表3.2

表3.2RJ2-40-9型中温井式电阻炉参数⑵

型号RJ2-80-12

额定功率/KW80

额定电压/V380

额定温度/℃1200

相数3

工作空间尺寸（直径x深）/mmxmm0800x1000

空路升温时间/h至3

空路损耗功率/KW±17

最大装载量/kg800

3.2.5检查：检查金相组织和硬度，措施见表3.3

表3.3检查措施⑷

项目技术规定检查措施

用金相显微镜检查，亚共析钢等温退火后的组织是铁

金相

均匀珠光体素体+珠光体，共析钢是珠光体，过共析钢是珠光体一

组织

渗碳体

在模具试样零件侧面选用某点用布式硬度机测量其

硬度硬度W223HBs

硬度值与否达标

脱碳

零件单面脱碳层深不不小检查措施见GB/T224-1987《钢的脱碳层深度测定法》

检查

于加工余量度打勺1/3规定进行

变形变形量应不影响其后的机

工艺规定对拔叉进行测量

检查械加工和使用性能

3.3淬火工艺

3.3.1淬火的目的以及工艺参数

是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到马氏体或贝氏体组织，然后配合

以不一样温度欧J回火，以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等,

从而满足多种机械零件和工具的不一样使用规定。

淬火温度：850±10℃

根据:AC3+(30〜50)℃o

加热措施：采用当炉温加热到85()℃时，将工件装进热处理炉进行加热。原因是

加热速度快，节省时间，便于批量生产。

保温时间：4.5h

选定根据：加热时间可按下列公式进行计算：

t=axKxD141

t为加热时间(min或h)。

。为加热系数1引，合金钢空气电阻炉取1.3〜1.6min/mm,这里取

1.5min/mmo

D为零件有效厚度：其中D为160mm。

K为装炉条件修正系数叫一般取1~1.5,这里取1。

由公式可知，t=axKxD=1.5x1.0x160=240min,取4h。

3.3.2冷却措施

由于工件淬火温度较高，淬火介质选用油质淬火剂，不会由于工件与油的接触导

热提高油温而减少冷却能力。使工件能淬成马氏体，又不致引起太大口勺淬火应力。将

加热保温后日勺工件，直接淬火机油中，80℃热油电90()〜1()()0℃(碳化物析出最敏感

区)工件同有较快的冷却速度°

淬火后得到细小晶粒的马氏体组织。

冷却介质为20号机械油。

选择根据：油日勺闪点是指油表面的蒸汽与空气自然混合时，与火接触而出现火苗

的温度，它的温度日勺高下，对淬火零件日勺安全性有一定日勺影响。油的序号越高，则黏

度越大，闪点越高。一般在150-30()℃。常见矿物油的闪点见表3.4

表3.4常见矿物油的闪点

油号闪点/℃

10165

20170

30180

40190

3.3.3热处理炉的选择

根据工件的尺寸和重量，选择高温井式电阻炉，设备的技术参数见表3.5

表3.5RJ2-80-12型高温井式电阻炉参数⑶

型号RJ2-80-12

额定功率/KW80

额定电压/V380

额定温度/℃1200

相数3

工作空间尺寸(直径义深)/mmxmm0800x1000

空路升温时间/h至3

空路损耗功率/KWW17

最大装载量/kg800

3.3.4淬火工艺曲线

通过高温回火获得具有一定的强度、硬度和良好的韧性、塑性相配合的综

合机械性能。高温回火，即调制处理，得到回火索氏体。具有较低的硬度、强度和较

高H勺塑性和韧性。

回火温度：600±10℃,取600℃。

保温时间：4-5h

根据：在空气炉中回火，见表3.6

表3.6回火时间参照表⑷（单位：min）

零件的有效厚度/mm<2525〜5050〜7575〜100100~125125〜150

高温回火盐炉10〜3030〜4545〜7575〜9090〜120120〜150

450〜650℃空气炉40〜7070〜100100〜140140〜180180~210210〜240

注：合金钢日勺保温时间按上述表所列时间增长20-30%

3.3.5冷却方式

具有第二类回火脆性的合金钢，经450-65CTC回火后在油或水中进行快

冷，以免出现回火脆性，

3.3.6热处理炉的选择

根据工件的尺寸和重量，选择低温井式电阻炉，设备日勺技术参数见表3.7

表3.7RJ2-55-6型低温井式电阻炉参数⑵

型号RJ2-55-6

额定功率/KW55

额定电压/V380

额定温度/℃650

相数3

工作空间尺寸（直径X深）/mmxmm①700x900

空路升温时间/hW1.2

空路损耗功率/KW£7.0

最大装载量/kg750

3.3.7高温回火工艺曲线

0

时间t

3.3.8得到的组织

得到回火索氏体，具有较低的硬度、强度和较高H勺塑性和韧性。

3.3.9检查

需要检查金相组织、表面和心部硬度、工件的抗压强度，见表3.8

表3.8检查措施⑷

项目技术规定检查措施

金相组织细小、均匀的1回火索氏体组织用金相显微镜检查

通过加载洛钢球压头压入被检测的金属零件表面，根据

单位压痕面枳上所受的负荷大小米确定硬度值。

硬度检查250-280HBSHB=P/F=P/DtnF：凹陷压痕的面积t：压痕凹陷时深

度检测面应是光滑平面。

抗压强度有一定的抗压强度，试验在一股万能材料试验机进行，当对工件施加到

检查%215()MPa150Mpa压力时，仍未开裂的话，阐明它到达技术规定

3.4渗氮

3.4.1渗氮的特点

①40CrNiMoA系中碳合金钢渗碳后，表面硬度很高，1000-1100HV,

相称于65-72(1IRC),具有良好的耐磨性，这种性能可保持在600℃

左右不下降。尤其是铝元素H勺加入，渗氮后表面硬度很高，耐磨性

很好；

②具有高的疲劳强度和抗腐蚀性

③氮化处理温度较低（450-600C）,零件日勺变形极小，氮化后渗层直

接获得高硬度，防止了淬火引起的变形。

3.4.2选择渗氮的目的

提高工件齿部高的耐磨性及一定得强度，同步心部要有一定的塑韧性。

此件采用两段渗氮工艺，就是为了缩短渗氮周期，加紧渗氮速度，减少渗层脆性。

3.4.3渗氮前的热处理

渗氮本质上是一种时效强化，是在氮化过程中完毕的，因此渗氮后不需

要再进行热处理，而氮化零件的心部性能是由氮化前FJ热处理决定的。

氮化前日勺热处理一般都是调质处理。在确定调质工艺时的淬火温度由钢

的Ac3决定，淬火介质由钢H勺淬透性决定，回火温度日勺选择不仅要根据心部

硬度规定，并且还必须考虑其对氮化成果的影响。一般来说，回火温度低，

不仅心部硬度高且氮化层硬度也较高，因而有效深层深度也会有所提高（详

细见以上淬火、回火工艺）。

3.4.4渗氮工艺参数

渗氮温度：第一段520±10℃,第二段545±10℃o

选择根据：480-570C。常用510-560C,渗氮温度越高，扩散速度越快,

渗层越深。当需要去应力处理时，最高去应力处理温度应低于

调质回火温度20-30C,最高渗氮温度应低于去应力处理温度

20-30℃

渗氮时间：第一段15-20h,取18h。第二段10-15h,取15h。

选择根据：见下表3.1()气体渗氮工艺确实定原则。

表3.9渗氮时间

时间氨分解率

阶段温度/七深层深度/mm

/h(%)

1520±102025-35

2545+1010-1535-50

氨分解率：第一段25-30%,第二段40-50%。

选择根据：渗氮温度一定期，氨流量增大，分解率减小；氨流量减小,

分解率增大。不一样温度下氨分解率的合理范围见下表3.9

表3.1()气体渗氮工艺确实定原则

渗氮温度/℃500520540550560

氨分解率％25-3030-3535-4040-4545-50

3.4.5渗氮炉中的气氛

合水＜0.2%的液氨，用氨直接渗氮，使用以便。

选用RN-75-6井式气体渗氮炉，井式气体渗氮炉构造见图34设备日勺技术参数

见表3.11

表3.11RN-75-6井式气体渗氮炉参数⑶

型号RN-75-6

额定功率/KW75

额定电压/V380

额定温度/℃650

相数3

工作空间尺寸（直径X深）/mmxmm（1）800x1300

空路升温时间/h皂2

3.4.6渗氮工艺曲线

图3.5渗碳工艺曲线图

3.4.7渗氮后的组织

表层为氮化索氏体+细小网状氮化物，心部为索氏体。

渗氮层表面是氮化物，在100x金相显微镜下观测到亮白色H勺就是一般所

检查项目检查内容与措施

渗氮层深度金相法：在垂直表面口勺方向上做一金相磨面，腐蚀后，既可在放大镜下，也

的测定可在显微镜卜.做渗层日勺测定，测定为O.35Q55mm,符合规定

说日勺白亮层，为化合物层，为£相；次层是基体上弥散分布的丫'相，扩散层,

黑色；与中心索氏体有明显交界的是（X+T组织。

3.4.8检查

检查，如表3.11所示。

表3.II渗氮后的检查措施⑷

渗氮层硬度

用维式硬度计或表面化洛氏硬度计测定，为850-950HV

的测定

渗氮层脆性根据维式硬度压痕口勺形状来确定渗氮层H勺桅性，一般定义一边或一角有径裂

的测定为2级，测定为2级，合格

原始组织渗氮前原始组织为问火索氏体

图3.6总的热处理工艺曲线

4热处理工序中材料日勺组织、性能分析

4.1淬火工艺中日勺组织转变

①正常加热冷却：工件加热到940℃后珠光体转变成奥氏体，保温时

组织不变，晶粒细化，出炉油冷至室温时，得到马氏体+残存奥氏体

+碳化物（少许），具有很高日勺耐磨性和硬度。

②加热温度局限性时，即不能完全奥氏体化，会明显减少工件的硬度。

③加热温度过高时，表面粗大马氏体+过多H勺残存奥氏体，心部粗大马

氏体+铁素体+索氏体，残存奥氏体过多，零件尺寸不确定，硬度及

耐磨性减少，磨削时易于开裂。

④冷却速度过大时，大量的过冷残存奥氏体冷却到室温易发生分解，

工件易开裂。

⑤冷却速度过小时，也许出现贝氏体转变，表面硬度会减少，韧性增

大。

4.2回火工艺中日勺组织转变

①正常加热冷却：工件加热到650。（:后组织为马氏体+碳化物，保温时

组织发生分解，析出碳化物。室温时组织为回火索氏体。硬度高，

塑性有所提高，但仍然较低。

②加热温度局限性时，回火马氏体+大量欧I残存奥氏体+碳化物，体现

出明显日勺脆性。加热温度过高时，回火索氏体或回火屈氏体，强度、

硬度减少，韧性明显提高，也许出现二次回火脆性。

③冷却速度过大欧I，大量日勺残存奥氏体来不及分解，强度、硬度减少；

冷却速度过小时，残存奥氏体的含量减少，回火马氏体H勺量增长，

工件易开裂。

4.3渗氮工艺中的）组织转变

正常加热冷却：表层Fe4N相高度弥散分布在回火索氏体心部,调质回火索氏体

组织。

化合物层是由铁和氮H勺金属化合物构成的薄层°重要有八户£、£、a"+Fe?C、

"Fe3c和"Y+FC3O4等几种形式。/相是面心立方晶格的金属间化合物Fe4N,具有足

够日勺耐磨性和良好日勺韧性。E相是六方晶格的金属间化合物Fe2-3N,具有良好日勺耐磨

性、抗蚀性和一定口勺韧性。一般认为，单相的化合物层不仅具有高硬度，并且具有很

好日勺韧性，其中Y'相的韧性又胜过£相，但若出现混合相伊£的化合物层则是脆性的I。

在化合物层以内，伴随氮日勺扩散而形成扩散层。扩散层基本由氮aN"+Fe3c

构成。

5热处理缺陷及措施

5.1淬火缺陷及其产生的）原因及防止措施

①硬度局限性

产生原因：亚共析钢加热局限性，有未溶铁素体；冷却速度不够；在淬火介质中停留

时间不够；氧化和脱碳导致淬火后的硬度减少。

防止措施：对口勺选择并严格控制加热温度，保留时间和炉温的均匀性；合理选择淬火

介质；控制淬火介质的温度不超过最高使用温度；定期检查或更换淬火介

质。对H勺控制在淬火介质中H勺停留时间。采用防氧化脱碳措施；采用下线

加热温度；在6000。左右预热，然后再加热到淬火温度，缩短高温加热时

间。

②软点

产生原因：原材料中存在带状组织或大块铁素体组织；冷却不均。

防止措施：合理选材，对有缺陷的钢材进行预备热处理，以消除缺陷；加热工件与介

质的J相对运动或对介质进行搅拌；保持淬火介质H勺清洁；合理选择淬火介

质。

③畸变和开裂

产生原因：淬火过程中某一瞬间热应力和组织应力日勺综合作用不小于钢日勺屈服强度时,

就会产生畸变；当两种应力H勺综合作用超过钢的抗拉强度时，则引起开裂。

防止措施：合理选择钢材与对口勺设计构造；对的铸造和进行预备热处理；采用去应力

退火；合理的热处理规范。

5.2回火缺陷及其产生的）原因及防止措施

①回火硬度偏高或偏低

产生原因：回火温度或低或高；保温时间短；淬火组织中有非马氏体组织（偏低）。

防止措施：提高或减少回火温度；按规定期间保温；改善淬火工艺，重新淬火。

②硬度不均匀

产生原因：回火温度不均匀；装炉量大。

防止措施：采用有气流循环的设备回火；合适减小装炉量。

③回火畸变

产生原因：