20CrNi2Mo大型锥齿轮正火-渗碳-淬火-回火热处理工艺设计

20CrNi2Mo大型锥齿轮正火-渗碳-淬火-回火热处理工艺设计辽宁工业大学工艺课程设计论文题目20CrNi2Mo大型锥齿轮正火-渗碳-淬火-回火热处理工艺设计院系材料科学与 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院专业班级材料102学号100208037学生姓名黄圣男指导教师李强起止时间2013-7-12013-7-12课程设计论文任务及评语院系材料科学与工程学院教研室材料教研室学号100208037学生姓名黄圣男专业班级材料102课程设计论文20CrNi2Mo大型锥齿轮正火-渗碳-淬火-回火热处理工艺设计题目一课设要求熟悉设计题目查阅相关文献资料概述大型锥齿轮的正火-渗碳-淬火-回火热处理工艺进行零件的服役条件与失效形式分析提出硬度耐磨性等要求完成工艺设计阐述20CrNi2Mo正火-渗碳-淬火-回火热处理工艺理论基础选课程择设备仪表和工夹具阐述大型锥齿轮热处理质量检验项目 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 及要求阐设明大型锥齿轮热处理常见缺陷的预防及补救方法给出所用参考文献计二课设任务论1大型锥齿轮材料的选择要求在满足工件使用性能的前提下兼顾经济性文和工艺性合理选择材料要2给出20CrNi2Mo的C曲线求与3给出20CrNi2Mo大型锥齿轮冷热加工工艺流程图任4制定20CrNi2Mo大型锥齿轮正火-渗碳-淬火-回火热处理工艺务三设计 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 书要求设计说明书包括三部分1概述2工艺设计3热处理工艺卡4参考文献设计说明书结构见《工艺设计模板》集中学习05天资料查阅与学习讨论15天设计7天1概述05天2服役条件与性能要求05天3失效形式材料的选择05天4结构形状工与热处理工艺性05天5冷热加工工序安排05天6工艺流程图05天7作热处理工艺设计2天8工艺的理论基础 原则 组织架构调整原则组织架构设计原则组织架构设置原则财政预算编制原则问卷调查设计原则 05天9设计工夹具05天计划10可能出现的问题分析及防止措施05天11热处理质量分析05天设计验收1天指导教师评语及成成绩学生签字指导教师签字绩年月日辽宁工业大学课程设计说明书论文目录120CrNi2Mo大型锥齿轮热处理工艺概述1220CrNi2Mo大型锥齿轮的热处理工艺设计221大型锥齿轮零件的服役条件失效形式222大型锥齿轮零件技术要求及零件示意图323大型锥齿轮零件的材料选择32420CrNi2Mo的C曲线525大型锥齿轮零件的加工工艺流程图62620CrNi2Mo大型锥齿轮的正火-渗碳-淬火-回火热处理工艺62720CrNi2Mo大型锥齿轮的正火-渗碳-淬火-回火热处理工艺理论92820CrNi2Mo大型锥齿轮热处理的设备仪表和工夹具选择1629大型锥齿轮的热处理质量检验项目内容及要求22210大型锥齿轮的热处理常见缺陷的预防及补救方法233热处理工艺卡263120CrNi2Mo大型锥齿轮正火工艺卡263220CrNi2Mo大型锥齿轮渗碳工艺卡273320CrNi2Mo大型锥齿轮淬火工艺卡283420CrNi2Mo大型锥齿轮回火工艺卡294参考文献30I辽宁工业大学课程设计说明书论文120CrNi2Mo大型锥齿轮热处理工艺概述齿轮在装载机工作过程中起着传递动力和改变速度的作用啮合齿面间既有滚动又有滑动轮齿根部还受到脉动或交变弯曲的作用锥齿轮是主要传动零件是一种可以按稳定传动比平稳低噪音传动的传动零件有较高的传动速度受重载和冲击在各种应力的作用下齿轮将发生轮齿折断齿面胶合齿面疲劳及齿面磨损等失效情况引起齿轮失效的主要应力有摩擦力接触应力和弯曲应力主要失效形式为磨损点蚀和断裂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区出现纵深发展的腐蚀小孔其余地区不腐蚀或腐蚀轻微这种腐蚀形态叫点蚀随工作时间的增长齿轮产生断裂失效所以要求零件有良好的力学性能良好的渗碳淬火性能良好的抗冲击性能良好的心部硬度良好的热变形性能目前国内重载锥齿轮用材大致有20CrNi2Mo20Cr2Ni20CrNi3等20CrNi2Mo钢是铬镍钼系合金钢其中铬钼元素均可增加钢的淬透性镍元素可强化铁素体提高钢的强度并改善钢的韧性故选该钢作为制造大型锥齿轮的材料钼在钢中既可固溶铁素体或奥氏体又可形成碳化物起固溶强化和沉淀强化作用在保持高韧性的同时提高钢的强度20CrNi2Mo钢正火后为珠光体加铁素体组织布氏硬度HB229切削性能良好20CrNi2Mo钢表层硬化效果好硬度高残余奥氏体含量少20CrNi2Mo钢不需要高温回火热处理工艺简单不仅缩短了生产周期而且节省能源降低成本20CrNi2Mo钢可以作为表面强化型的渗碳钢应用于渗碳齿轮渗碳轴承等零件上也可以经低温回火后应用于诸如挖掘机斗齿农用机械磨损件等要求耐磨损耐冲击的大型零件上通过对经典20CrNi2Mo热处理工艺的分析更加明确在执行热处理工艺过程中所需要注意的问题能够正确确定加热温度保温时间和冷却方式其目的就是通过正确的热处理工艺使金属材料的潜在能力得到充分的发挥根据大型锥齿轮的工作条件失效形式及性能要求本设计选择的大型锥齿轮材料为20CrNi2Mo在设计正火-渗碳-淬火-低温回火热处理工艺中本设计借鉴了《热处理 手册 华为质量管理手册 下载焊接手册下载团建手册下载团建手册下载ld手册下载 》《实用热处理手册》等根据工艺设计的理论基础设定了完整的热处理工艺流程使热处理的大型锥齿轮表面除具有高硬度高耐磨性外高的耐点蚀性能以及具有足够的冲击韧度和抗疲劳性能从而满足大型锥齿轮的质量要求1辽宁工业大学课程设计说明书论文220CrNi2Mo大型锥齿轮的热处理工艺设计21大型锥齿轮零件的服役条件失效形式211服役条件齿轮在装载机工作过程中起着传递动力和改变速度的作用啮合齿面间既有滚动又有滑动轮齿根部还受到脉动或交变弯曲的作用锥齿轮是主要传动零件是一种可以按[3]稳定传动比平稳低噪音传动的传动零件有较高的传动速度受重载和冲击212失效形式在各种应力的作用下齿轮将发生轮齿折断齿面胶合齿面疲劳及齿面磨损等失效情况引起齿轮失效的主要应力有摩擦力接触应力和弯曲应力主要失效形式为磨损点蚀和断裂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区出现纵深发展的腐蚀小孔其余地区不腐蚀或腐蚀轻微这种腐蚀形态叫点蚀随工作时[3]间的增长齿轮产生断裂失效1轮齿折断闭式传动中当齿轮的齿面较硬时容易出现轮齿折断另外齿轮受到突然过载时也可能发生轮齿折断现象提高轮齿抗折断能力的措施有增大齿根过渡圆角半径及消除加工刀痕增大轴及支承的刚性采用合理的热处理方法

使齿芯具有足够的韧性进行喷丸滚压等表面强化处理2齿面磨损齿面磨损是开式齿轮传动的主要失效形式之一改用闭式齿轮传动是避免齿面磨损的最有效方法3齿面点蚀齿面点蚀是闭式齿轮传动的主要失效形式特别是在软齿面上更容易产生提高齿面抗点蚀能力措施有提高齿轮材料的硬度在啮合的轮齿间加注润滑油可以减小摩擦减缓点蚀4齿面胶合对于高速重载的齿轮传动容易发生齿面胶合现象另外低速重载的重型齿轮传动也会产生齿面胶合失效即冷胶合提高齿面抗胶合能力的措施提高齿面硬度和降低齿面粗糙度值加强润滑措施如采用抗胶合能力高的润滑油在润滑油中加入添加剂等5塑性变形塑性变形一般发生在硬度低的齿面上但在重载作用下硬度高的齿轮上也会出现提高轮齿抗塑性变形能力的措施提高轮齿齿面硬度采用高粘度的[3]或加有极压添加剂的润滑油等2辽宁工业大学课程设计说明书论文22大型锥齿轮零件技术要求及零件示意图221技术要求硬度正火处理HB180229表面渗碳硬度为HRC5864心部硬度为HRC3348过渡层硬度变化应该缓慢直到基体低碳渗碳深度为1823mm有效渗碳硬化层深度测[10]至50HRC处不小于12mm含碳量为085105金相组织渗碳层的金相组织应为马氏体残余奥氏体及碳化物碳化物按本标准碳化物级别图评定常啮合齿轮16级合格换档齿轮15级合格马氏体及残余奥氏体按本标准马氏体及残余奥氏体级别图评定对马氏体针状大小残余奥氏体的多少应分级进行平定15级合格心部组织应为低碳马氏体允许有托氏体铁素体铁素体含量按本标准铁素体级别图进行评定模数小于或等于5的14级合格模数大于5的15[10]级合格尺寸模数m12齿轮齿数Z41节圆直径D492mm压力角为20齿全高h264[10]mm齿厚s175mm222大型锥齿轮零件示意图图1大型锥齿轮平面示意图23大型锥齿轮零件的材料选择目前国内重载锥齿轮用材大致有20CrNi2Mo20Cr2Ni20CrNi3等20CrNi3通过调质或淬火低温回火后有良好的综合力学性能低温冲击韧性也较好此钢有白点敏感倾向高温回火有回火脆性倾向淬火到半马氏体硬度油淬时可淬透Φ5070mm可切削加工性良好焊接性中等多用于制造高载荷条件下工作的齿轮轴3辽宁工业大学课程设计说明书论文蜗杆及螺钉双头螺栓销钉等20Cr2Ni材料为本质细晶粒钢且合金含量较高淬透性也较好随着淬火温度的降低齿表硬度变化不大但心部硬度降低幅度较为明显20Cr2Ni钢淬透性高但淬透性过高热处理后应力大变形也大热处理难度大热处理工艺相对复杂20Cr2Ni4钢在工厂正火或高温回火后的布氏硬度在HB300左右硬度大导致相同切削速度下车削深度小相同进刀量情况下切削速度慢切削性能要比20CrNi2Mo钢差20CrNi2Mo钢是铬镍钼系合金钢其中铬钼元素均可增加钢的淬透性镍元素可强化铁素体提高钢的强度并改善钢的韧性钼在钢中既可固溶铁素体或奥氏体又可形成碳化物起固溶强化和沉淀强化作用在保持高韧性的同时提高钢的强度20CrNi2Mo钢正火后为珠光体加铁素体组织布氏硬度HB229切削性能良好20CrNi2Mo钢不需要高温回火热处理工艺简单应用其制造齿轮不仅缩短了生产周期而且节省能源降低成本20CrNi2Mo钢的抗黏着磨损性能要优于20Cr2Ni4钢这是由于20CrNi2Mo钢表层硬化效果好硬度高残余奥氏体含量少等原因而造成的采用20CrNi2Mo钢生产重载齿轮可以延长工件的使用寿命所以选择20CrNi2Mo钢作为大型[9]锥齿轮材料20CrNi2Mo钢为常见的合金结构钢为亚共析低合金结构钢其主要化学成分如下表1所示[9]表120CrNi2Mo钢的化学成分wtCSiMnCrNiMo017023020035040070035065160200020030铬能增加钢的淬透性并有二次硬化作用使钢有良好的高温抗氧化性和耐氧化性介质腐蚀的作用还增加钢的热强性含铬钢的零件经研磨容易获得较高的表面加工质量铬可以提高钢的淬透性铬在渗碳钢中还可以提高材料表面的耐磨性提高钢的强度和硬度显著提高钢的脆性转变温度铬钢中易形成树枝状偏析降低钢的塑性硅能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度硅能提高钢的弹性极限屈服强度和屈服比以及疲劳强度和疲劳比等能促使铁素体晶粒粗化硅能提高钢在高温时的抗氧化性硅是良好的脱氧剂提高退火正火和淬火温度在亚共析钢中提高淬透性在渗碳钢中硅减小渗碳层厚度和碳的浓度改善钢的耐磨性能在普通低合金钢中提高强度改善局部腐蚀抗力锰是良好的脱氧剂和脱硫剂锰能消除或减弱由于硫所引起的钢的热脆性从而改善钢的热加工性能锰能提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度锰在钢中由于降低临界4辽宁工业大学课程设计说明书论文转变温度起到细化珠光体提高珠光体钢强度的作用锰强烈增加钢的淬透性锰有增加钢晶粒粗化的倾向和回火脆性敏感性钼在钢中能提高淬透性和热强性及回火稳定性作为单一合金元素存在时增加钢的回火脆性钼可以提高钢的强度对改善钢的延展性和韧性以及耐磨性起到有利作用钼使形变强化后的软化和恢复温度以及再结晶温度提高钼是提高钢的热强性的最有效的合金元素镍使钢具有高的强度高的韧性和良好的淬透性高电阻高的耐腐蚀性镍可以提高钢的淬硬性镍可降低临界点并增加奥氏体的稳定性所以其淬火温度可降低淬透性好镍不能提高铁素体的蠕变抗力相反会使珠光体M体钢热脆性增大所以珠光体马[7][9]氏体钢不加镍铬镍钢容易感受回火脆性和易形成白点2420CrNi2Mo的C曲线对于20CrNi2Mo钢NiSi使过冷奥氏体转变孕育期延长即C曲线右移CrMo不仅C曲线位置移动而且C曲线形状亦发生改变出现两个鼻子温度甚至使珠光体转使[7]变区与贝氏体转变区完全分开出现一个过冷奥氏体极端稳定的温度区间[9][12]图220CrNi2Mo钢的连续冷却转变曲奥氏体化温度810根据20CrNi2Mo的化学成分及C曲线该钢的临界温度如表25辽宁工业大学课程设计说明书论文[9]表220CrNi2Mo钢的临界温度相变点AcAcArArMs1313725810630740380温度25大型锥齿轮零件的加工工艺流程图下料锻造正火处理粗加工探伤淬火低温回火渗碳铣齿喷丸处理磨端面及孔磨齿成品[10]图3大型锥齿轮工艺流程图2620CrNi2Mo大型锥齿轮的正火-渗碳-淬火-回火热处理工

艺制造20CrNi2Mo大型锥齿轮采用的热处理工艺包括正火渗碳淬火和回火261正火工艺曲线大型锥齿轮用钢属于低合金结构钢低合金结构钢的预先热处理是正火目的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改善锻造组织和切削加性能为随后的机加或最终热处理提供一个良好的机加性能或良好的组织形态正火是指将钢件或铸铁工件加热到奥氏体化之后在空气中冷却以获得含有珠光体均匀组织的热处理工艺20CrNi2Mo钢通过正火可以消除带状组织降低硬度对齿轮的加工处理及性能都有好的影响20CrNi2Mo大型锥齿轮经正火后为珠光体加铁素体组织其经淬回火后的力学性能与原始组织相比在强度硬度相同情况下其塑韧性都[1]要高故切削性能良好且对淬火温度的敏感性也相对较小6辽宁工业大学课程设计说明书论文900920810Ac3Ac7251空冷温度T26h时间th图420CrNi2Mo大型锥齿轮正火工艺曲线262渗碳工艺曲线渗碳是将大型锥齿轮加热至奥氏体状态下于富碳介质中长时间保温使碳原子渗入表层增加钢件表层的碳含量使20CrNi2Mo钢的大型锥齿轮具有高碳钢的表面层然后通过淬火获得高硬度的马氏体组织再低温回火达到工件的表面层具有高硬度和耐磨性及[1]疲劳强度而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性92093005h8008503h7h温度T05h空冷排气强渗吸碳扩散降温100110滴分7080滴分4050滴分时间th图520CrNi2Mo大型锥齿轮渗碳工艺曲线263淬火工艺曲线设计20CrNi2Mo钢大型锥齿轮采用双介质淬火因为双介质淬火除了有消除内应力7辽宁工业大学课程设计说明书论文提高力学性能硬度和耐磨性等作用外还可减小应力减少变形开裂倾向抑制第二相析出适用于中等尺寸形状复杂的高碳钢和尺寸较大的合金钢工件从而满足大型锥齿轮的使用要求宜采用双介质淬火工艺加热之前先在Ac以下某一温度预热可以缩1[1][12]短工件在高温的停留时间降低氧化脱碳过热倾向Ac790860cm760780725Ac1600油冷Ms380温度T空冷26h26h时间th图620CrNi2Mo大型锥齿轮双介质淬火工艺曲线264回火工艺曲线由于钢中CrSi的加入提高了20CrNi2Mo钢的回火稳定性提高淬火20CrNi2Mo钢的塑性和韧性降低其脆性同时保持较高的硬度为了降低或消除淬火引起的残余内应力避免变形开裂稳定大型锥齿轮尺寸提高其塑性和韧性但还需要有较大的硬[1][12]度和耐磨性因此可采用低温回火8辽宁工业大学课程设计说明书论文Ac7251Ms380200温度T空冷37h时间th图720CrNi2Mo大型锥齿轮回火工艺曲线2720CrNi2Mo大型锥齿轮的正火-渗碳-淬火-回火热处理工艺理论271正火工艺原理正火的原理是将工件加热到Ac或Ac以上3050保温适当时间后以合适的方3cm式冷却到珠光体转变区域某一合适温度并在此温度下保温使大型锥齿轮的不同部位温度均匀化并在该温度下均匀地完成铁素体珠光体转变然后在空气中冷却的热处理工[1][11]艺1正火加热温度正火是将20CrNi2Mo是亚共析钢加热到Ac以上30503保温后在空气中冷却的热处理工艺由于该钢Ac为810所以其正火温度一般在3840860之间但在实际生产中正火的加热温度一般要高于其理论正火温度所以设[1]定正火的加热温度在9009202正火保温时间金属材料和铁制品加热所需时间包括从室温到炉温仪表指示达到所需温度的升温时间炉料表面和心部温度均匀所需的均热时间以及内外达到温度后为了完成相变所需的保温时间三个部分保温时间的计算公式ta×k×D1式中t保温时间min或sa保温时间系数minmm或smmD工件有效9辽宁工业大学课程设计说明书论文厚度mmk工件装炉条件修正系数通常取1[1]表3保温时间系数a值600气体介质800900气体介750850盐浴炉11001300直径工件材料mm炉中预热质炉中加热中加热或预热盐浴炉中加热5010120304碳素钢501215040550121504505低合金钢501518050550303501702高合金钢03504065085高速钢03035016018由上表3可选取a16min通过查手册工件在炉内不同排布方式的加热时间修正值知[1]k1工件有效厚度D975mm可得t156min3冷却方式保温156min后出炉空气冷却272渗碳工艺原理渗碳硬化是表面硬化法之一种属于化学表面硬化法渗碳是先在钢的表面产生初生态的碳而后使之渗入钢之表面层逐渐扩散入内部初生态的碳是由CO或CH等气体4分解而得CO的来源或由含有CO的气体得之或由固体渗碳剂的反应而产生在渗碳容器内或者由含有氰化物的盐浴得到初生态的碳由钢的表面扩散入内部时钢的渗碳温度必须在Ac要以上之温度以便渗碳作用得以进行再配合各种热处理法使得钢的表3面生成高碳硬化心部低碳的低硬度层使处理后具有表面硬而耐磨心部韧而耐冲击的性[1][2]质一渗碳处理的种类与特点一渗碳法的种类渗碳法按使用的渗碳剂而可分为如下三大类固体渗碳法液体渗碳法气体渗碳法二渗碳法之比较1固体渗碳法优点a设备费便宜操作简单不需高度技术b加热用热源可用电气瓦斯燃料油c大小工件均适尤其对大形或需原渗碳层者有利d适合多种少量生产10辽宁工业大学课程设计说明书论文缺点a渗碳深度及表面碳浓度不易正确调节有过剩渗碳的倾向处理件变形大b渗碳终了时不易直接淬火需再加热c作业环境不良作业人员多2液体渗碳法优点a适中小量生产设备费便宜不需高度技术b容易均热急速加热可直接淬火c适小件薄渗碳层处理件d渗碳均匀表面光辉状态缺点a不适於大形处理件的深渗碳b盐浴组成易变动管理上麻烦c有毒排气或公害问题应有对策d处理后表面附著盐类不易洗净易生锈e难以防止渗碳有喷溅危险3气体渗碳法优点a适於大量生产b表面碳浓度可以调节c瓦斯流量温度时间容易自动化容易管理缺点a设备费昂贵b处理量少时成本高[1][2]c需要专门作业知识因为20CrNi2Mo大型锥齿轮是大批量生产所以选择气体渗碳法二滴注式气体渗碳工件置于密封的加热炉中加热到900950滴入煤油甲醇丙酮等渗碳剂渗碳剂高温发生分解产生活性原子2CO[C]COCH2H[C][C]溶入钢表面奥

242氏体中并向内部扩散最后形成一定深度的渗碳层渗碳钢的碳含量一般在012025之间其所含主要合金元素一般是铬锰镍11辽宁工业大学课程设计说明书论文钼钨钛等在渗碳前零件往往需经过除去表面油污锈迹或其他脏物对需局部渗碳的零件需在不渗处涂防渗膏或镀铜加以防护零件在料盘内必须均匀放置以保证渗碳的均匀性渗碳过程中必须恰当地控制气氛碳势温度和时间以保证技术条件所规定的表面碳含量渗层深度和较平缓的碳浓度渗碳后根据炉型或采用直接淬火或采用[8][10]重新加热淬火以获得预期的性能滴注式气体渗碳工艺过程通常分为四个阶段即排气强渗扩散和降温阶段各个阶段应采用不同的渗剂量和碳势这种分阶段的安排可是整个渗碳时间比一个阶段或不分阶段的渗碳缩短2060还可使碳浓度在近表面处变化平缓从而得到理想的渗层1排气阶段齿轮装炉后炉温下将至800左右为了尽快把炉内空气排除缩短排气时间摘除废气口调节阀打开试样孔并在孔上加设长度约1m的排气筒大量滴入甲醇炉温升至930时滴入煤油7080滴分在930保温05h保温05h的目的是均温和透烧2强渗阶段排气结束去除抽气筒观察试样然后紧闭试样孔检查炉子是否漏气再装上废气口的调节阀调节炉内压力煤油滴量100110滴分滴量大提高炉内碳量使工件表面吸收加速表面达到较高的碳量浓度梯度增加试棒达到渗层深度的23时可以进入扩散期排气时间应以CO05O05时为准达不到这个要求应22延长排气时间加大煤油滴量强渗期煤油滴量不能太多太多工件表面易形成碳量的沉积反而造成沉积区域渗层浅强渗时间为7h左右强渗的目的是使工件表面具有较高的碳浓度并到达一定层深3扩散阶段齿轮经过强渗之后已经获得一定深度的渗碳层表面碳浓度比要求的碳浓度稍高过渡层狭窄碳的浓度梯度很陡因此必须有一个降低表面碳浓度扩大渗碳层深度使过渡层平缓的扩散过程这一阶段降低煤油滴量4050滴分使原来表面的高浓度碳降到所需的碳浓度同时使碳原子向内扩散使渗层增加过渡区变得缓和此阶段的保温时间一般为强渗阶段的1412估算保温1h后取出试样观察渗层深度如果层深达到或接近技术要求的下限则可转入降温阶段如果达不到要求还需延长扩散时间再转入降温阶段4降温阶段随炉降至适当温度检查试棒渗层达到要求后关闭电源降温930800850这时煤油不停风扇不停当预冷至800850时还要进行一段时间的保温一般取05h在此过程中为防止齿轮表面出现贫碳脱碳炉内的气氛仍需保持一定的碳势炉压应在510Pa绝对不允许出现负压故仍需滴入煤油滴量可略为减[1][2][8]少齿轮遇冷保温后出炉空冷1渗剂的确定控制气体渗碳质量的基本参数是渗碳温度时间和炉气碳势渗碳温度采用一般的电子电位差计仪表进行位式控制精度可达55而对于渗碳时间即使相差35min也无多大影响因此提高渗碳质量的关键在于精确控制炉气碳势但气体渗碳碳势控制技术较为复杂还需研究考虑到不同的气氛碳势碳的扩散系数和12辽宁工业大学课程设计说明书论文有效可利用碳量又考虑到工厂的实用性选用煤油甲醇CCl为渗剂通过调整不同的4比例滴量达到调整炉内COH和CH等成分的目的从而达到调节碳势的目的甲醇24为稀释剂煤油为渗碳剂在热处理过程中要严格控制甲醇与煤油的比例若煤油滴量过[1][2]大则会出现碳黑这不仅影响碳势控制精度而且有可能出现失控现象2渗碳温度的确定渗碳温度的选择由扩散系数D与温度TK的关系D0162exp-16575T2公式2可知随着渗碳温度升高碳在钢中的扩散系数呈指数上升渗碳速度加快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[1]度常控制在90095020CrNi2Mo大型锥齿轮常用的渗碳温度通常取9209303渗碳时间的确定由上述可知渗碳层厚度为1823mm渗碳温度920930查表4可得渗碳时间在812h取渗碳时间为10h10h后降温到800850由实用热[2]处理手册查得保温05h冷却方式出炉后空气冷却至室温4[2]表4渗碳厚度与渗碳时间的关系渗碳时间th渗碳温度248121620243036渗碳层深度mm875064089127155180201218246274900076107152185213239262295320925089127180221254284310348381273淬火工艺原理把钢加热到临界点Ac或Ac以上一定温度保温一定时间然后以大于临界淬火速13[1]度的速度冷却使过冷奥氏体转变为马氏体或贝氏体组织的热处理工艺称为淬火淬火方法的分类是以冷却方式的不同划分的常用的淬火工艺方法有单介质淬火双介质淬火分级淬火和等温淬火1单介质淬火将加热奥氏体化后的钢件放入单一淬火介质中连续冷却到室温的操作方法碳钢的水中淬火合金钢的油中淬火都是单介质淬火法特点操作简单易于实现自动控制但水中淬火变形与开裂倾向大油中淬火冷却速度小淬透直径小大[11]件无法淬透只适用于形状简单尺寸较小碳钢和合金钢工件2双介质淬火用两种冷却介质先浸入一种冷却能力强的介质中待冷却到接近Ms点时立即转入下一种冷却能力弱的介质中的操作方法如先水后油先水后空气等13辽宁工业大学课程设计说明书论文特点在马氏体转变区冷速减慢可减小应力减少变形开裂倾向但不好掌握[11]适用于中等尺寸形状复杂的高碳钢和尺寸较大的合金钢工件3马氏体分级淬火将加热奥氏体化的钢件先浸入温度稍高或稍低于钢的Ms点的液态介质中等温保持适当时间然后取出空冷到室温以获得马氏体组织的淬火工艺也称分级淬火淬火介质燃点较高的油盐浴和碱浴等温目的使工件表面和心部温度均匀等温过程中不发生组织转变马氏体中空冷条件下进行淬火后组织马氏体特点工件温度均匀组织转变缓慢减小应力变形开裂倾向显著降低[11]应用适用于变形要求严格且尺寸不大的工件4下贝氏体等温淬火将奥氏体化后的钢件放入稍高于Ms温度的盐浴中等温保持一定时间使奥氏体转变为下贝氏体的淬火工艺也叫等温淬火淬火介质盐浴或碱浴等温目的得到综合性能良好的下贝氏体组织等温时间由钢的TTT曲线确定一般为3060min较分级淬火时间要长等温过程中过冷A向下贝氏体组织转变淬火后组织下贝氏体特点减小淬火应力防止变形和开裂零件综合力学性能好应用主要适于形状复杂截面不大要求精度高并具有良好强韧性的零件另外还有采用复合淬火工艺的工件急冷至Ms

以下获得1020马氏体然后在下贝氏体温度区等温这种冷却方法可使截面较大的工件获得MB下组织预淬时形成的马氏体可促进贝氏体转变在等温时又使马氏体回火复合淬火多用于合金工具钢[1][9][10]工件可避免第一类回火脆性减少残余奥氏体量即变形开裂倾向因为大型锥齿轮是尺寸较大的合金钢工件所以工件选择双介质淬火1加热温度亚共析钢淬火加热温度为Ac3050共析钢过共析钢淬火加热3温度为Ac3050一般合金钢淬火加热温度为Ac或Ac305020CrNi2Mo渗碳113后表面含碳量为085105是高碳低合金钢也是过共析钢20CrNi2Mo的Ac为7251所以加热温度为755775查得《钢的热处理》查得含碳量为085105钢的Accm[13]为790860考虑有炉温损失所以把温度设定在760780通过查《热处理手册》可得加热之前先在Ac以下100左右预热可以缩短工件在高温的停留时间降低氧化1[1]脱碳过热倾向因为Ac为725所以取600预热12保温时间加热与保温时间由零件入炉到达指定工艺温度所需升温时间透热时间及组织转变所需时间组成由公式1和表3可知a16min通过查手册工件在炉14辽宁工业大学课程设计说明书论文内不同排布方式的加热时间修正值知k1工件有效厚度D975mm可得t156min3淬火冷却方式要使钢中高温相奥氏体在冷却过程中转变成低温亚稳相马氏体冷却速度必须大于钢的临界冷却速度工件在冷淬火冷却却过程中表面与心部的冷却速度有一定差异如果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的心部不能转变成马氏体的情况为保证整个截面上都转变为马氏体需要选用冷却能力足够强的淬火介质以保证工件心部有足够高的冷却速度但是冷却速度大工件内部由于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获得合理的组织达到所需要的性能而且要保持零件的尺寸和形状精度在盐浴中进行为了保证获得优异的性能应采用油作为淬火介质油的冷却特性对各种合金钢的淬火是很合适的且油在珠光体或贝氏体转变温度区间有足够[1][2][10]的冷却速度图8为20CrNi2Mo钢的淬透性曲线由图可知20CrNi2Mo钢的淬透性良好油淬[9]淬透性直径在100mm以上[9]图820CrNi2Mo钢的淬透性曲线由《热处理手册》查得大型工件适合于双介质淬火是先油冷到20CrNi2Mo钢即将发[1]生马氏体转变时即Ms点380附近再空冷至室温274回火工艺原理回火是指将淬火钢加热到临界点A以下某一温度加热保温一定时间并以适当速度1冷却的工艺过程按回火温度范围回火可分为低温回火中温回火和高温回火15辽宁工业大学课程设计说明书论文低温回火工件在150250进行的回火保持高硬度和高耐磨性产生回火马氏体组织中温回火工件在350500之间进行的回火提高σ或σσ产生回火屈氏体组esb织高温回火工件在500以上进行的回火具有良好的综合机械性能强度塑性都[1]较好产生回火索氏体组织20CrNi2Mo钢大型锥齿轮需要低温回火1回火温度由《热处理手册》查得低合金结构钢渗碳件回火温度为200左右2回火时间从工件入炉后炉温升至回火温度时开始计算回火时间一般为13h可参考经验公式加以确定tKAD3nnn式中t回火时间minK回火时间基数A回火时间系数D工件有nnn[1]效厚度mm[1]表5K及A推荐值nn300以下300450450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Kmin1201202015103n104104104Aminmmn由上表5可选取K120minA1minmm工件有效厚度D975mm通过公式3nn[1]可得t218min3回火后冷却采用空气冷却2820CrNi2Mo大型锥齿轮热处理的设备仪表和工夹具选择281设备加热炉为主要的设备按工作介质分空气炉盐浴炉保护气氛炉流动离子炉等大型锥齿轮热处理工艺中用到的加热炉有台车电阻炉强迫对流箱式电阻炉井式气体渗碳炉冷却设备有淬火槽等一正火设备台车电阻炉这类炉子的炉底为一个可移动台车的箱式电阻炉它适用于较大尺寸[2][4]的工件的正火和淬火等16辽宁工业大学课程设计说明书论文[2][4]图9台车电阻炉结构1台车驱动机构2台车3炉门4加热元件5炉门机构6炉衬7炉壳8台车接线板[4]表6台车式电阻炉产品规格及技术参数炉温在850时的指标相额定温工作空间尺寸功率电压型号空炉损空炉升温最大装kwV数度长×宽×高耗kw时间h载量t1100×550×RT2-65-9653803950142514501500×800×标RT2-105-91053803950222525600准系2100×1050×RT2-180-9180380395040455列7503000×1350×RT2-320-93203803950755129501500×750×RT-75-107538039501532600非1800×900×标RT-90-109038039502033准600型2800×900×RT-150-101503803950354545600通过工件尺寸选择型号RT2-65-9的设备二淬火设备与正火设备相同三回火设备17辽宁工业大学课程设计说明书论文强迫对流箱式电阻炉这类炉子是带有风扇或风机的箱式电阻炉用于热处理[4]回火[4]图10箱式回火炉结构1导槽升降系统2炉门3加热元件4循环风扇5炉衬6炉门升降压紧系统7滚动导轨8炉口密封[4]表7箱式回火炉技术参数项目指标1220×914×760炉子有效尺寸长×宽×高mm1000额定装炉量kg600额定生产能力kgh加热温度最高5505炉温均匀度50炉墙外表面温度保护气氛及均匀化时间h氮气装出料方式开式链条和轮动导轨75额定功率kw18辽宁工业大学课程设计说明书论文四渗碳设备井式气体渗碳炉这类炉子的结构实际上是在井式炉炉膛中再加一密封炉罐专为周期作业的渗碳渗氮碳氮共渗等所用大型井式渗碳炉常用于深层渗碳渗层超过[2][4]3mm有的甚至在8mm以上[4]图11井式气体渗碳炉结构1油缸2电动机油泵3滴管4取气管5电动机6吊环螺钉7炉盖8风叶9料筐10炉罐电热元件12炉衬13炉壳14试样管11[4]表8井式气体渗碳炉产品规格及技术参数在950时

有关指标工作区尺寸相额定温功率电压型号直径×深空炉损空炉升温最大装kwV数度度耗kw时间h载量kgRQ3-25-9253803950300×45072550RQ3-35-9353803950300×60092570RQ3-60-9603803950450×6001225150RQ3-75-9753803950450×9001425220RQ3-90-9903803950600×900163400RQ3-105-91053803950600×120018850019辽宁工业大学课程设计说明书论文通过工件尺寸选择型号RQ3-90-9的设备五冷却设备淬火槽淬火槽是盛装淬火冷却介质为工件淬火提供足够冷却能力的容器主要有淬火水槽油槽和浴槽三种其结构一般较为简单有的附有溢流装置加热装置有[2][4]的附有冷却装置搅拌装置及排烟灭火装置或淬火机械装置等282仪表热处理中温度是一个很重要的参数实现精确的测量与控制对提高热处理质量有着十分重要的意义仪表是热处理温度检测控制系统的重要组成部分温度控制系统主要有传感器温度显示调节控制仪表及执行器三大部分组成传感器主要有热电偶热电阻辐射感温器等其中以热电偶使用最为广泛常用的热电偶结构形式有普通直形直形非固定螺纹和锥形带固定螺纹等数种常用的温度与调节仪表类型有模拟量和数字量显示仪[2][4]表1温度检测仪表热电偶是应用最广泛的接触式温度传感器热电偶是将温度转换成电动势热电动势的一种感温元件配之以二次仪表通过测量热电动势二测得温度值采用镍铬镍硅镍铝热电偶温度范围-4012002数字式温度显示调节仪表数字式温度显示调节仪表通过将模拟信号转化为数字信号进行测量和控制给人以直观的显示响应速度和测控精度比模拟式仪表提高了[2][4]面板式数字温度仪表PY232测量范围01300配用热电偶WRNWREU283工夹具热处理夹具的选择原则为1符合热处理技术条件保证零件热处理加热冷却炉气成分均匀度不致使零件在热处理过程中变形2符合经济要求在保证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具有高的生产能力夹具应具有质量轻吸热量少热强度高及使用寿命长的特点[4]3符合使用要求保证装卸零件方便和操作安全20辽宁工业大学课程设计说明书论文[4]图12井式渗碳炉星形吊具[4]图13大型齿轮渗碳夹具21辽宁工业大学课程设计说明书论文29大型锥齿轮的热处理质量检验项目内容及要求1外观检查表面淬火后不能出现过烧熔化裂纹等缺陷硬度合格后应进行发黑处理处理后的颜色为棕色或棕黑色正火后工件表面不能有裂纹及伤痕等缺陷一般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重要工件检查裂纹可用碰力着色超声波探伤等方法对表面允许喷砂铸工件可浸油后喷砂直接观察2硬度检查正火零件的硬度检查用布氏硬度计渗碳包括渗层表面防渗部位及心部硬度一般用洛氏硬度淬火处理零件用洛氏硬度计对于本件硬度检查标准如下最终热处理应使硬度值达到所要求的5864HRC如果上述硬度计无法检验时用超声波硬度计检查对于要求不严格的淬火件可用挫刀与标准试样进行比较注意硬度检查的位置应在零件的主要部位根据工艺流程或由检验人员确定一般为13处每处不少于三点但必须注意不得破坏工作面检查硬度时应正确操作硬度计被检验零件表面必须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的被测面垂直于压的轴线3金相组织检查由于20CrNi2Mo是低碳合金钢其正火后组织为均匀分布的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都是不正常的组织碳化物网要求小于等于2级珠光体为25级渗层碳化物的形态及分布残留奥氏体数量有无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一般在显微镜下400倍观察淬火后一般得到马氏体组织由于奥氏体温度不同马氏体形态的大小不同一般分为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不大于5的铁素体而8级属于过热组织是粗大的板条状马氏体和片状马氏体正常淬火是24级其组织为细小的板条状马氏体和片状马氏体之后用金相显微镜观察确定所属等级低温回火后的金相组织为马氏体下贝氏体残余奥氏体碳化物组织检验应注意残余奥氏体和针状碳化物都按国家标准评定4渗层深度检查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精确的方法根据试件深度的增量进行剥层逐层分析碳含量直到剥层的含量与基体相同此处距表面的距离为渗碳层的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处的垂直距离该硬度测量是在10N负荷下进行的因为硬度与强度的关系成正比所以有效硬化层深度法可直接地反映出渗碳件的机械性能是控制齿轮渗碳层最准确的方法所以采用有效硬化[6]层深度法进行检验检验工件是否合格22辽宁工业大学课程设计说明书论文210大型锥齿轮的热处理常见缺陷的预防及补救方法2101大型锥齿轮正火的缺陷及其预防补救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陷多发生在截面尺寸较大的工件中消除的方法是加快冷却速度控制措施采用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的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措施通过完全退火或重新正火使晶粒细化完全消除3零件产生较大的内应力和变形原因正火冷却速度较快使零件产生较大的内应力和变形甚至开裂可采取退火消除[5]4过烧原因加热温度过高使晶界局部熔化报废2102大型锥齿轮渗碳的缺陷及其预防补救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分等2渗层过浅原因工艺控制不当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措施减少渗碳剂供给量延长扩散时间或提高预冷温度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的Ac15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措施减少渗碳剂供给量延长扩散时间降低预冷温度采用较低的温度进行重新加热淬火或深冷处理6黑色组织原因钢中的