20CrMnTi解放牌载重汽车变速箱变速齿轮热处理工艺设计.docx
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1、目录1. 绪论-31.1引言-31.2 20CrMnTi钢的基本性质-41.2. 1钢的化学成分和力学性能-41.2.2 合金元素的作用-51.2.3淬透性-51.3解放牌汽车变速箱变速齿轮的热处理工艺设计-51.3.1服役条件-61.3.2失效形式-61.3.3性能要求-72. 20CrMnTi钢变速齿轮生产工艺路线及分析-92.120CrMnTi钢变速齿轮生产工艺路线-92.2各种加工工艺路线的分析-92.2.1等温正火-92.2.2渗碳+淬火+回火-92.2.3 喷丸112.2.4 检验113. 各种热处理后的金相组织分析123.1 20CrMnTi等温正火后金相组织123.2 20Cr
2、MnTi淬火、回火处理金相组织134. 热处理工艺过程中的质量检验项目154.1渗碳淬火后齿轮的检验项目、内容和要求154.2渗碳齿轮的常见缺陷及防止措施165. 质量控制与检验方法195.1随炉试样检验195.2齿轮热处理质量检验-22总结-24致谢-25参考文献-261.绪论1.1引言热处理工艺是金属材料工程的重要组成部分。现代工业的飞速 发展对机械零部件的要求愈来愈高,因此通过热处理可以改变材料 的加工工艺性能,充分发挥材料的潜力,提高工件的使用寿命。热 处理不仅对锻造机械加工的顺利进行和保证加工效果起着重要作 用,而且在改善或消除加工后缺陷,提高工件的使用寿命等方面起 着重要作用。为获
3、得理想组织性能,保证零件在生产过程中的质量 稳定性和使用寿命,就必须从工件的特点、要求和技术条件,认真 分析产品在使用过程中的受力状况和可能的失效形式,正确选择材 料;再根据生产规模、现场条件、热处理设备提出几种可行的热处 理方案,最后根据其经济性、方便性、质量稳定和便于管理、降低 成本等因素,确定出一种最佳方案。本设计便是对20CrMnTi解放牌载重汽车变速箱变速齿轮热处理 工艺进行详细的说明,从选材下料到热处理工艺路线,以及最后的质 量检验、可能产生的缺陷及预防措施等,都进行逐一分析和讲解,尽 可能的将整个过程详尽的展现出来,从而对大家有所帮助。1.2 20CrMnTi钢的基本性质20Cr
4、MnTi齿轮钢是为含碳量为0.17%-0.24%的低碳钢。汽车上 多用其制造传动齿轮,是中淬透性渗碳钢中CrMnTi钢,其淬透性较高,在保证淬透情况下,具有较高的强度和韧性,特别是具有较高 的低温冲击韧性,其焊接性中等,正火后可切削性良好。用于制造 截面V 30 mm的承受高速、中等或重载荷、冲击及摩擦的重要零件, 如齿轮、齿圈、齿轮轴十字等。20CrMnTi表面渗碳硬化处理用钢。 良好的加工性,特加工变形微小,抗疲劳性能相好。1.2.1钢的化学成分和力学性能表1-1钢的化学成份碳 C: 0.17 0.23硅 Si : 0.17 0.37锰 Mn: 0.80 1.10硫S:允许残留含量W 0.
5、035磷P:允许残留含量W 0.035铭 Cr:1.00 1.30镍Ni:允许残留含量W 0.035铜Cu:允许残留含量W 0.035钛 Ti:0.04 0.10表1-2钢的力学性能抗拉强度a b (MPa)1080(110)屈服强度o (MPa)835(85)伸长率5 5(%)N10断面收缩率W (%)N45冲击功Akv (J)N55冲击韧性值a (J/cm2)kvN69(7)硬度W217HB1.2.2含碳量及合金元素的作用20CrMnTi齿轮钢是为含碳量为0.17%-0.24%的低碳钢。根据该 齿轮的工作特点,结合其使用要求,应选用低合金渗碳钢,一是含有 较多的合金元素,确保了渗碳后淬透性
6、,减少齿轮的变形量。二是齿 轮基体的强度和韧性得到了保障,能够满足齿轮的工作需要。含碳量 低可使齿轮心部具有良好的韧性。合金元素铭和锰的存在提高了淬透性,心部得到低碳马氏体组织, 增强了钢的强度;而铭元素还有促进渗碳、提高渗碳速度的作用;锰 具有减弱渗碳时表面含碳量过高的作用;而钛阻止晶粒的长大,提高 轴承钢的强度和韧性。1.2.3淬透性淬透性的波动范围直接影响到齿轮的产品质量。淬透性过低,则 制成的齿轮渗碳淬火后,心部硬度低于技术条件规定的数值,疲劳试 验时,齿轮的疲劳寿命降低;若淬透性过高,则齿轮渗碳淬火后,内 孔收缩量过大而影响齿轮装配。在20CrMnTi钢中,碳、锰元素显著增强其淬透性
7、,铭元素则影响 不大,钛元素对淬透性的影响有两个方面:当TiV0.07%时,提高淬 透性;TiV0.07%时,则降低钢的淬透性。1.3解放牌汽车变速箱变速齿轮的热处理工艺设计齿轮是机械设备及汽车中的重要零件,变速箱齿轮为汽车、拖拉 机等发动机的重要部件,用于改变发动机曲轴和传动轴的速度比。故 齿面在较高的载荷(冲击载荷和交变载荷等)下工作,因此磨损快。在 工作过程中,通过齿面的接触传递动力,两齿面在相对运动过程中, 既有滚动也有滑动,存在较大的压应力和摩擦力,经常换挡使齿端部 受到冲击。要求变速箱齿轮具有高的抗弯强度、接触疲劳强度和良好 的耐磨性,心部有足够的强度和冲击韧性。齿轮在传递力及改变
8、速度 的运动过程中啮合齿面之间既有滚动,又有滑动而且齿面还受到脉动 或交变弯曲应力的作用。1.3.1服役条件A汽车齿轮的工作条件比机床要繁重得多,它们经常在较高的载 荷下工作,磨损亦较大。B在汽车运行中由于齿根受着突然变载的冲击载荷以及周期变动 的弯曲载荷,会造成轮齿的脆性断裂或弯曲疲劳破坏。C轮齿的工作面承受着较大的压应力及摩擦力,会造成麻点、接 触疲劳破坏及深层剥落,由于经常换档,齿的端部经常受到冲击,也 会造成轮齿的端部破坏。因此在耐磨性、疲劳强度、心部强度和冲击韧性等方面的要求均 比机床齿轮高。1.3.2失效形式(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
9、。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,就造成断裂失效;(2)表面损伤a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;b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;(3)磨损失效a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,摩擦产生热量较大,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b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。另外,齿轮除上述失效形
10、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。1.3.3性能要求根据变速齿轮服役条件及失效形式,对齿轮的性能作如下要求:(1)有较高的弯曲疲劳强度;(2)表面有高的硬度和耐磨性;(3)具有高接触疲劳抗力;(4)足够的塑性和韧性;(5)高的淬透性。由于传递扭矩,齿根要承受较大的弯曲应力和交变应力,由于传递 扭矩,齿根要承受较大的弯曲应力和交变应力,因此要求表面高硬度、高耐磨性:齿面硬度58-64HRC,心部硬度30-45HRC。由于变速箱齿轮转速变化范围广,齿轮表面承受较大的接触应力, 并在高速下承受强烈的磨擦力,轮齿在交变应
11、力的作用下,长时间工 作可能发生疲劳断裂,齿面在强磨擦作用下可能发生磨损和点蚀现象, 因此要求齿面有高的接触疲劳强度。由于工作时不断换档,轮齿之间经常要承受换档造成的冲击与碰 撞,齿轮心部韧性过低时,在冲击作用下可能发生断裂,齿根高的弯曲 强度(a1000Mpa;因此要求齿轮心部较高强度、高韧性(a 60J/cm)。yk2. 20CrMnTi钢变速齿轮加工工艺路线及分析2.1变速箱齿轮常用的加工工艺路线下料一锻造一等温正火一机械加工一渗碳+淬火+回火一喷丸一 磨削一检验。2.2各种工艺路线的分析 2.2.1等温正火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。设备:
12、RJX-75-9930950Ct/h图2-1正火工艺曲线2.2.2渗碳+淬火+回火a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:920950C,保温时间按渗碳层深度确定,取t = 6h,渗碳层深度:1.81.9mm20CrMnTi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量,将渗入过程分两个过程进行,即渗入 阶段和扩散阶段。b淬火:20CrMnTi经渗碳后直接进行淬火。齿轮渗碳后可预冷到870880C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
13、氏体量减少,预冷温度不应过低, 以免心部游离铁素体增多,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D W40mm油淬后可减少渗碳层中残余奥氏体,提高耐磨性和接触疲 O劳强度而心部有较高强度和韧性,淬火表面硬度HRC5863,心部HRC3345。设备:RQ3-75-9T。其渗碳后淬火工艺路线如下:930+10/扩散840+10事1T炉压g115-2010-1551。甲傅摘量/(rt/min)1%003040煤】由橘量滴/mm)35耳5时间/h15|3.52.5201。45mm图2-3渗碳淬火工
14、艺曲线c回火:淬火后,工件内存在淬火应力,为消除残余应力,选择低温 回火。低温回火温度为180200C,渗碳件选择下限,回火后需经磨 削或喷丸处理,故选择180C,保温2h出炉空冷,其硬度HRC5663。 显微组织为回火马氏体+残余奥氏体。设备:RJ2-75-6。其回火工艺路 线如下:2.2.3喷丸处理喷丸处理不仅是一个清洁工序,而且对齿轮的使用性能也有较大 影响,但只有当喷丸时间足够长的情况下,喷丸对齿面抗麻点剥落性 能才会得到有利的影响,如喷丸时间较短,则由于齿面光洁度差反而 使寿命降低,喷丸对齿轮弯曲疲劳性能是有利的,但应注意使丸粒直 射齿根。2.2.4检验:a. 外观:表面无损伤、烧伤
15、、严重腐蚀等缺陷;b. 渗层深度:1.81.9mm;c. 硬度:心部3345HRC,齿面5862HRC;d. 金相组织:马氏体+残余奥氏体3各种热处理工艺后的金相组织分析3.1 20CrMnTi等温正火后金相组织如下所示:20CrMnTi(锻造后等温正火处理)的金相图如下所示:图 3T(100X)图 3-2 (500X)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 晶粒、改善组织分布,为正常渗碳作好组织准备。3.2 20CrMnTi (930C渗碳后淬火、回火处理)金相组织如下图所示:20CrMnTi
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