螺旋锥齿轮热处理生产工艺过程设计.doc

1、中 北 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 1 页 共 29 页1 前言零件设计是一个工程技术人员应该具备的最基本的专业技能。零件分析是认识零件的过程，是确定零件表达方案的前提，一个好的视图表达方案离不开对零件的全面、透彻、正确分析。零件分析也是确定零件的尺寸标注以及确定零件的技术要求的前提，因此，零件分析是绘制零件图的依据。零件的工艺结构分析就是要求设计者从零件的材料、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，以便在零件的视图选择过程中，考虑这些工艺结构的标准化等特殊要求和规定，使零件视图表达更趋完整、合理。课程设计可以培养学生综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实

2、际问题的能力，是锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的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的一个重要环节。通过这一环节，可以使我们初步掌握典型零部件生产工艺过程；掌握典型零件的选材、热处理原则和工艺制定原理；理论联系实际，综合运用基础课及专业课程多方面的知识去认识和分析零部件热处理生产过程的实际问题，培养解决问题的能力。热处理工艺是整个机器零件和工模具制造的一部分，热处理是通过改变钢的内部组织结构，以改善钢的性能，通过适当的热处理可以显著提高钢的机械性能，延长机器零件的使用寿命。热处理工艺不但可以强化金属材料、充分挖掘材料性能潜力、降低结构重量、节省和能

3、源，而且能够提高机械产品质量、大幅度延长机器零件的使用寿命。任何一种热处理工艺都不是绝对的完美，所以经热处理后的材料会有不同程度的缺陷，对零件的缺陷进行分析也也是零件设计必不可少的步骤。合理选择检验设备以及正确的检验方法是做好检验的必要条件。通过课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，我们才能从中获得真正的知识，有了真正的知识，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。中 北 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 2 页 共 29 页2 零件图分析图 1 零部件图技术参数：端面模数 m=12，齿轮齿数 Z

4、=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 1.82.3mm，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 5862HRC，心部硬度为 36HRC，有效渗碳硬化层深度测至 50HRC 处不小于1.2mm。2.1 零件的服役条件、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的主要传动零件，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（空载最高的线速度为 30m/s，加载线速度为 25m/s） ，受重载和冲击。 （2）失效形式：主要失效形式为磨损

5、、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 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 。 （3）性能要求：为了防止螺旋锥齿轮失效以及保证传动比稳定所用材料应具备以下性能要求：a、良好的力学性能；b、良好的渗碳淬火性能；c、良好的抗冲击性能；d、良好的心部硬度；e、良好的热变形性能。3 材料的选择 3.1 初步选材根据螺旋锥齿轮的技术要求：总

6、渗碳层深度为 1.82.3mm，渗层表面碳浓度中 北 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 3 页 共 29 页w（c）为 0.85%1%，渗碳淬火回火后表面硬度为 5862HRC，心部硬度为36HRC，有效渗碳硬化层深度测至 50HRC 处不小于 1.2mm。选定的材料应该具有高强度、高韧性以及良好的淬透性。又根据螺旋锥齿轮的性能要求：a、良好的力学性能；b、良好的渗碳淬火性能；c、良好的抗冲击性能；d、良好的心部硬度；e、良好的热变形性能。为满足以上条件初步确定符合要求的材料为渗碳轴承钢【1】 。3.2 确定材料42CrMo、1 2CrNi3 和 20Cr2Ni4A 都属于渗碳轴承钢，通过

7、对各个材料的性能进行分析对比选出最佳材料。（1）42CrMo 属于超高强度钢，具有高强度和韧性，淬透性也较好，无明显的回火脆性。调制处理后有较高的疲劳极限个抗多次冲击能力，低温冲击韧性良好。适宜制造要求一定强度和韧性的大、中型塑料模具。强度、淬透性高，韧性好，淬火时变形小，高温时有高的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的锻件，如机车牵引引用的大齿轮、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 2000m 以下石油深井钻杆接头与打捞工具，并且可以用于折弯机的模具等。（ 2） 12CrNi3 钢 属 于 合 金 渗 碳 钢 有 高

8、淬 透 性 。 该 钢 淬 火 低 温 回 火 或 高 温回 火 后 都 具 有 良 好 的 综 合 力 学 性 能 ， 钢 的 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 高 模 具 型 腔 的 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 保 证 模 具 表 面 具 有 高 硬 度 、 高 耐 磨 性而 心 部 具

9、有 很 好 的 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的力学性能，强度高有良好的心部硬度，韧性好有有良好的抗冲击性能及热变形性能，淬透性好有良好的渗碳淬火性能。渗碳后不能直接淬火，以减少表层参与奥氏体。切削性及冷变形塑性一般。用于大截面渗碳件，如大型齿轮、轴类以及要求强度高、韧性好的调质零部件等。此轴承钢是特大型轴承用的低碳高合金渗碳轴承钢，不管是在工艺性上还是经济性上都是很符合我们的要求，因此综合分析 20Cr2Ni4A 是最佳材料。3.3 20Cr2Ni4A 的化学成分、相变点及合金元素作用中 北 大 学 课 程

10、设 计 说 明 书第 4 页 共 29 页3.3.1 钢的化学成分表 1 20Cr2Ni4A 的化学成分 【2】化学成分（%）牌号C Si Mn S P Cr Ni20Cr2Ni4A 0.170.230.170.370.300.600.03 0.03 1.251.653.253.653.3.2 20Cr2Ni4A 的相变点表 2 20Cr2Ni4A 的相变点 【3】相变点 Ac1 Ac3 Ar1温度/ 720 780 5753.3.3 化学元素作用C 元素：提高屈服点和抗拉强度，增加钢的冷脆性和时效敏感性，降低塑性、冲击性以及耐大气腐蚀能力。Si 元素：提高钢的回火稳定性、提高钢的抗氧化性、提

11、高钢的淬透性和淬透温度。Mn 元素：提高钢的淬透性，从基体组织中扩散到析出的渗碳体中，形成合金渗碳体,改善其硬度。S 元素:使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，改善切削加工性。P 元素：增加钢的冷脆性，使焊接性变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。Cr 元素: 提高钢的淬透性,固溶强化基体组织，并改善基体组织的回火性和硬度。Ni 元素：提高钢的淬透性，有助于改善钢的韧性。4 确定加工路线中 北 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 5 页 共 29 页确定零件加工路线加工工艺主要包括机加工和热处理工艺。机加工是指通过加工机械精确去除材料的加工工艺。它直接改变毛坯的形状、尺寸和表面质量等，使其成为零

12、件的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的介质内加热、保温、冷却，通过改变材料表面或内部的金相组织结构,来控制其性能的一种金属热加工工艺。4.1 初步确定加工路线根据 20Cr2Ni4A 材料的性能以及技术要求，可初步确定其加工路线为：下料锻坯预备热处理高温回火车齿坯粗、精铣齿渗碳高温回火淬火+低温回火喷丸磨端面及孔磨齿成品。4.2 每个步骤的作用 （1）下料的作用：提供原料；（2）锻坯的作用：获得原料；（3）预备热处理的作用：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 ；（4）高温回火的作用：

13、（1）消除淬火时产生的残留内应力，提高材料的塑性和韧性（2）获得良好的综合力学性能（3）稳定工件尺寸，使钢的组织在工件使用过程中不发生变化。（5）车齿坯与粗、精铣齿的作：对材料进行机械粗加工，是以快速切除毛坯余量。（6）渗碳的作用：使机器零件获得高的表面硬度、耐磨性及高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度，渗碳后淬火、回火，心部保持良好韧性的同时提高工件的表面强度、耐磨性和硬度。（7）高温回火的作用：由于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，否则容易恢复渗碳时所形成的较粗大的奥氏体晶粒，即生成二次织构。因此在淬火加热之前，需先进行一次高温回火，使马氏体和残余奥氏体分解

14、为回火索氏体，降低基体中碳、铬的含量。这样重新加热淬火时，由于奥氏体中融入的碳和铬等元素的含量减少，淬火后不仅残余奥氏体量减少，马氏体也细小。（8）淬火+低温回火的作用：通 过 淬 火 与 不 同 温 度 的 回 火 配 合 ， 可 以 大 幅中 北 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 6 页 共 29 页度 提 高 金 属 的 强 度 、 韧 性 及 疲 劳 强 度 ， 并 可 获 得 这 些 性 能 之 间 的 配 合 （ 综 合机 械 性 能 ） 以 满 足 不 同 的 使 用 要 求 。（9）喷丸、磨端面及孔和磨齿的作用：完成各主要表面的最终加工,使零件的加工精度和加工表面质量达到图

15、样规定的要求。5 热处理工艺方法选择5.1 预备热处理工艺 【4】 的选择一 般 预 备 热 处 理 有 这 几 种 ： 1、 调 质 处 理 ： 一 航 后 面 要 进 行 表 面 淬 火 处 理 ，其 预 备 热 处 理 的 目 的 是 为 了 使 工 件 表 面 淬 火 前 得 到 强 韧 性 结 合 优 良 的 心 部 性 能 ，降 低 使 用 过 程 中 的 心 部 疲 劳 开 裂 。 2、 正 火 处 理 ： 一 般 后 面 进 行 的 是 化 学 热 处理 （ 渗 碳 +淬 火 ） 或 者 调 质 热 处 理 ， 其 预 备 热 处 理 的 目 的 就 是 细 化 晶 粒 、 消

16、 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 。 3、退 火 处 理 ： 后 面 最 终 热 处 理 一 般 都 是 调 质 处 理 ， 其 作 为 预 备 热 处 理 的 目 的 就 是为 了 消 除 应 力 以 及 降 低 表 面 硬 度 。 正 火 与 退 火 工 艺 相 比 ， 其 主 要 区 别 是 正 火 的冷 却 速 度 稍 快 ， 所 以 正 火 热 处 理 的 生 产 周 期 短 。 故 退 火 与 正 火 同 样 能 达 到 零 件性 能 要 求 时 ， 尽 可 能 选 用 正 火 。 大

17、 部 分 中 、 低 碳 钢 的 坯 料 一 般 都 采 用 正 火 热 处理 。 一 般 合 金 钢 坯 料 常 采 用 退 火 ， 若 用 正 火 ， 由 于 冷 却 速 度 较 快 ， 使 其 正 火 后硬 度 较 高 ， 不 利 于 切 削 加 工 。 所以在此选用正火对钢进行预备热处理。5.2 渗碳工艺 【5】 的选择齿轮渗碳过程温度较低，时间较长，容易造成较粗大和严重热处理变形等缺陷。对其改进主要从两个方面入手。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。稀土渗碳方法是主要的一种催渗方法，应用的比较多，工艺成熟，高温渗碳一般情况下很少采用。因为高温下晶粒长大

18、趋势严重且对设备有危害，如果能够排除这两项不利因素，则它也是可行的。利用高温渗碳原理改进的高温渗碳方法既具有渗速快的优点，上述两项不利因素也不明显，在生产被采用的越来越多。一些新型渗碳方法在简化热处理工艺的同时也改善了齿轮的质量。5.3 最终热处理 【6】 的选择20Cr2Ni4A 钢的热处理工艺的复杂主要体现在多次高温回火上，渗碳后冷却时以及淬火加热时在 630650均温均能达到高温回火的目的。但在这方面仍需中 北 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 7 页 共 29 页要进一步研究。进行合理的渗碳工艺的选择，改善渗碳质量以达到直接淬火的目的是一个值得探索的方向。此外，为了消除过多的残余奥

19、氏体，深冷处理也是一种经常考虑的方法。通 过 淬 火 与 不 同 温 度 的 回 火 配 合 ， 可 以 大 幅 度 提 高 金 属 的强 度 、 韧 性 及 疲 劳 强 度 ， 并 可 获 得 这 些 性 能 之 间 的 配 合 （ 综 合 机 械 性 能 ） 以满 足 不 同 的 使 用 要 求 。 在此我们选择高温回火、淬火与低温回火。6 制定热处理工艺的制度6.1 正火工艺的制定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的热处理工艺，由于该钢 Ac3为 780，所以其正火温度一般在 910930之间，但在实际生产中，正火的加热温度一般要高于其

20、理论正火温度，所以设定正火的加热温度在950。6.1.2 正火加热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。加热时间的计算公式：t=akD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工件装炉条件修正系数，通常取 1.0-1.5。表 3 碳钢和合金钢在各种介质中的加热系数（a 值） 【7】每 1mm 有效厚度的加热时间钢材空气电阻炉 盐浴炉碳钢 0.9-1.1min 25-30s合金钢 1.3-1.6mi

21、n50-60s15-20s(一次预热)高速钢 - 8-15s（二次预热）由上表可选取 a=1.5min,通过查手册工件在炉内不同排布方式的加热时间修正中 北 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 8 页 共 29 页值知 K=1（单件） ，工件有效厚度 D=80mm，可得：t=120min。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） 冷却方式20Cr2Ni4A 950 2 空冷6.2 高温回火工艺的制定6.2.1 高温回火温度表 5 各种工件的回火温度及回火目的 【8】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。6.2.2 高

22、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：中 北 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 9 页 共 29 页Tn=Kn+AnD式中 Tn回火时间（min）、K n回火时间基数、A n回火时间系数、D工件有效厚度（mm）, K n和 An推荐值见下表表 6 Kn及 An推荐值 【9】由上表可知。450以上箱式电炉的 Kn取 10min，A n值取 1min/mm。得回火加热时间为 90min。而高温回火保温时间一般为 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） 冷却方式20C

23、r2Ni4A 650 5 空冷6.3 渗碳工艺的制定6.3.1 渗碳温度由式：D=0.162exp(-16575/T)可知，随渗碳温度的升高，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，所以渗碳温度常控制在 900-950。选用常用的气体渗碳法，加热温度定为 930。6.3.2 渗碳时间渗碳时间与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，渗层深度控制难以准确。应通过调整渗碳温度、碳势来延长渗碳时间，以便精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 【10】要求

24、的渗 不同温度下的强渗时间 强渗后的渗 扩散时间 扩散后的中 北 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 10 页 共 29 页层深度/mm （92010）/(93010)/(94010)/层深度/mm /h 渗层深度/mm0.4-0.7 40min 30min 20min 0.20-0.25 1 0.5-0.60.6-0.9 1.5h 1h 30min 0.35-0.40 1.5 0.7-0.80.8-1.2 2h 1.5h 1h 0.45-0,55 2 0.9-1.1注：若渗碳后直接降温淬火，则扩散时间应包括降温及降温后停留的时间。经验计算按 0.15-0.2mm/h 来计算，因渗层深度为

25、1.2mm，则渗碳时间 T=7h。6.3.3 渗碳方法甲醇-煤油滴注式渗碳法（甲醇为稀释剂，煤油为渗碳剂） ，甲醇-煤油滴注剂中煤油的含量一般在 15-30范围内，高温下甲醇的裂解产物水、二氧化碳和甲烷、碳氧化，可使炉气成分和碳势保持在一定范围内，可以采用红外仪进行控制。表 9 常用有机液体的渗碳特性 【11】为了保证甲醇与煤油裂解反应充分进行，炉体应保证四个条件：炉内静压大于 1500pa；滴注剂必须直接滴入炉内；加溅油板；滴注剂通过 400-700温度区的时间0.07s。渗碳设备为 RTJ-75-9T 型井式渗碳炉。滴注式可控气氛渗碳一般采用两种有机液体同时滴入炉内，一种液体产生的气体碳势

26、较低，作为稀释气体；另一种液体产生的气体碳势较高，作为富化气，改变两种液体的滴入比例，可使零件表面含碳量控制在要求的范围内。中 北 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 11 页 共 29 页采用红外仪控制碳势时，往往采用固定总滴量，调整稀释剂和渗碳剂相对滴量的办法来调整炉内碳势。表 10 甲醇-煤油红外仪控制滴注式渗碳工艺 【12】6.3.4 渗碳处理工艺表表 11 渗碳处理工艺材料 渗碳温度（） 渗碳时间（h） 渗碳方法20Cr2Ni4A 930 7 甲醇-煤油滴注式渗碳法6.4 高温回火工艺的制定由于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，否则容易恢复渗碳

27、时所形成的较粗大的奥氏体晶粒，即生成二次织构。因此在淬火加热之前，需先进行一次高温回火，使马氏体和残余奥氏体分解为回火索氏体，降低基体中碳、铬的含量。这样重新加热淬火时，由于奥氏体中融入中 北 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 12 页 共 29 页的碳和铬等元素的含量减少，淬火后不仅残余奥氏体量减少，马氏体也细小。下表为高温回火处理工艺的温度、时间及冷却方式。表 12 高温回火处理工艺材料 加热温度（） 加热时间（h） 冷却方式20Cr2Ni4A 650 6 空冷6.5 淬火工艺的制定6.5.1 淬火加热温度钢的淬火是将钢加热到临界温度 Ac3（亚共析钢）或 Ac1（过共析钢）以上某一温

28、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的冷速快冷到 Ms 以下（或 Ms 附近等温）进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理工艺。由 钢 的 相 变 点 在 此 设 定 淬 火 加 热 温 度 为 800 。 高 温 下 钢 的 状 态 处 在 单 相 奥 氏体 (A)区 内 ， 故 称 为 完 全 淬 火 。6.5.2 淬火加热时间淬 火 保 温 时 间 由 设 备 加 热 方 式 、 零 件 尺 寸 、 钢 的 成 分 、 装 炉 量 和 设 备 功 率等 多 种 因 素 确 定 。 淬火加热时间应包括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、

29、碳化物溶解和奥氏体成分均匀化所需的时间，因此，淬火加热时间包括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，一般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，淬火加热时间常用经验公式计算，通过实验最终确定，常用经验公式为：t=akD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工件装炉条件修正系数，通常用 1.0-1.5表 13 常用钢的加热系数 【13】工件材料 工件直径/mm600箱式炉中加热750-850盐炉中加热或预热800-900箱式炉或井式炉中加

30、热1000-1300高温盐炉中加热碳钢 50 0.3-0.4 1.0-1.2中 北 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 13 页 共 29 页50 0.4-0.5 1.2-1.5合金钢50500.45-0.500.50-0.551.2-1.5 1.5-1.8由 上 表 可 选 a 为 0.55， 修 正 系 数 k 取 1， 则 加 热 时 间 为 1h。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 的 大 型 铸 锻 件 ， 必 须 控 制加 热 速 度 以 保 证 减 少 淬 火 畸 变 及 开 裂 倾 向 ， 一

31、般 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 的 中 、低 碳 钢 ， 直 径 小 于 400mm 的 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 的 温 度 在 Ms 点 附 近 ， 工 件在 这 一 温 度 停 留 2min 5min， 然 后 取 出 空 冷 ， 这 种 冷 却 方 式 叫 分 级 淬 火 。 对于 形 状 复 杂 、 畸 变

32、 要 求 较 严 格 的 高 合 金 工 具 钢 ， 可 以 采 用 多 次 分 级 淬 火 。 分级 冷 却 的 目 的 ， 是 为 了 使 工 件 内 外 温 度 较 为 均 匀 ， 同 时 进 行 马 氏 体 转 变 ， 可 以大 大 减 小 淬 火 应 力 ， 防 止 变 形 开 裂 。 分 级 温 度 以 前 都 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 进 为 在 略 低 于 Ms 点 的 温 度 分 级 。实 践 表 明 ， 在 Ms 点 以 下 分 级 的 效 果 更 好 。 例 如 ， 高 碳 钢 模 具

33、在 160 的 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 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 -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

34、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

35、 优 异 的 性 能 ， 应 采 用 油中 北 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 14 页 共 29 页作 为 淬 火 介 质 。 油 的 冷 却 特 性 对 各 种 合 金 钢 的 淬 火 和 薄 壁 碳 钢 零 件 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 的 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（） 加热时间（h） 冷却方法20Cr2Ni4A 800 1 马氏体分级淬火6.6 低温回火工艺的制定6.6.1 低温回火温度回火是将淬火后的钢重新加热到 Ac1以下

36、某一温度，保温后冷却到室温的热处理工艺。根据回火温度的不同，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 的 回 火 。 目 的 是 保 持 淬 火 工 件 高 的 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 的 硬 度 和 耐 磨 性 。 20Cr2Ni4A 钢是低碳钢，要求具有很高的硬度、耐磨性，同时要求心部具有较好的塑性和韧性，因此低温回火可以满足性能要求，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

37、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 【14】300以上 300-450 450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/min 120 120 20 15 10 3A/(min/mm) 1 0.4 1 0.4 1 0.4低温回火（150-250）有效厚度 25 25-50 50-75 75-100 100-125 125-250中 北 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 15 页 共 29 页/mm保温时间/min30-

38、60 60-120 120-180 180-240 240-270 270-3006.2.3 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） 冷却方式20Cr2Ni4A 200 6 空冷7 热处理设备选择7.1 箱式电阻炉的选择热处理电阻炉是以电为能源的，通过炉内电热元件将电能转化为热能而加热工件的炉子，是一种造价相对便宜的炉子，以降低成本。高温回火、淬火及低温回火温度均不超过 950，可以选用中温箱式电阻炉。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，故选用高温电阻炉。高温箱式电阻炉最高工作温度有 1200和 1350两种，这类炉子的特

39、点是在此温度下主要依靠辐射传热，因此电热元件直接布置在工作室内， ，要求炉内有足够的辐射面积。下表为各种电阻炉的技术参数。螺旋锥齿轮的尺寸为 502mm135mm，并且为单件生产。表 17 中温箱式电阻炉产品规格及技术参数 【15】表 18 1200箱式电阻炉产品规格及技术参数 【16】中 北 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 16 页 共 29 页（1）根据零件的尺寸和加热温度条件，并综合考虑经济效益及生产方式，高温回火、淬火及低温回火选择 RX-3-45-9 型号的箱式电阻炉。（2）根据零件尺寸和正火温度，并综合考虑经济效益及生产方式，正火工艺选择RX-3-65-12 型号的箱式电阻炉

40、。7.3 井式渗碳炉的选择对于渗碳设备选用井式渗碳炉，这类炉子实际上是在井式炉炉膛中再加一密封炉罐，专为周期作业的渗碳、渗氮、碳氮共渗等所用。表 19 井式气体渗碳炉的技术数据 【17】根据零件尺寸和正火温度，并综合考虑经济效益及生产方式，渗碳工艺选择 RQ3-90-9 型号的井式气体渗碳炉。中 北 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 17 页 共 29 页7.3 热处理冷却设备的选择热处理冷却设备应该能保证工件在冷却时具有相应的冷却速度和冷却温度。由出于经济的考虑，我们选择油冷，一般的淬火槽的尺寸都能满足淬火要求，我们选用普通淬火槽。图 2 普通间隙淬火作用淬火槽1-溢流槽 2-排出管 3

41、-供入管 4-事故排出管 5-淬火槽 6-工件8 工装设计8.1 热处理夹具的选择热处理夹具的选择原则为：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。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。 符合使用要求：保证装卸零件方便和操作安全。图 3 箱式炉装料盘中 北 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 18 页 共 29 页图 4 井式渗碳炉星形吊具 a）吊具；b）吊具。8.2 热处理辅具8.2.1 清洗设备的选择清洗设备是指对热处理前后工件

42、清洗的设备。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，以保证不阻碍加热和冷却不影响介质和气氛的纯度，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的现象。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，以保障热中 北 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 19 页 共 29 页处理零件清洁度、防锈和不影响下道工序加工等要求。根据零件对清洁度要求、生产方式、生产批量及工件外形尺寸的要求选用相应的清洗设备。常用的清洗设备有碱水溶液、磷酸水溶液。有机溶剂的清洗槽和清洗机以及配合真空、超声波的清洗装置。一般清洗机常用于清除残油和残盐，可分为间歇式和连续式两种：前者

43、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、自动线配置的悬挂输送链式、链板式、推杆式和往复式等各类专用清洗设备。室式清洗机它主要用于批量不大的中小零件。输送带式清洗机，适用于批量较大的小型零件。根据生产特点，小批量的中小型零件，可以选用室内清洗机。图 5 室内清洗机8.2.2 矫直设备矫直设备用于矫正零件的翘曲变形。热矫又有不同的方法，一种是利用焊枪局部加热零件，另一种是利用零件仍在热处理的余热（或奥氏体组织）状态下进行矫直，适用于大尺寸的轴类、板件或矫直时易断裂的零件，以及冷矫直后由于弹性作用容易反弹的零件。所以选用热矫的后种方法。适用于中、大型零件矫直用

44、的有液压矫直机。中 北 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 20 页 共 29 页表 20 常用矫正设备及适用范围 【18】图 6 单柱式液压矫直机9 检验设备及方法选择中 北 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 21 页 共 29 页9.1 外观正火与退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。9.2 硬度正火、退火、调质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

45、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 5862HRC。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 1-3 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。9.3 金相检查由于 20Cr2Ni4A 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

46、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 2-5 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 2-4 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。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。

47、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,逐中 北 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 22 页 共 29 页层分析碳含量,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。所以采用有效硬化层深度法进行检验。检验工件是否合格即渗碳层深度在 0.81.

48、2mm 之间。 10 热处理缺陷分析10.1 正火缺陷分析（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。10.2 回火缺陷分析表 20 回火缺陷产

49、生原因以及控制措施 【19】中 北 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 23 页 共 29 页10.3 渗碳缺陷分析（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 Ac1。（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：钢中的合金元素 Cr、Mn 等发生内氧化而导致贫化，且氧化物质点又可作为非马氏体相变的核心，从而引起渗层淬透性下降。（7）畸变原因：热应力。控制措施：1）采用热油淬火；2）重新加热淬火的渗碳件，降低淬火加热温度等等。中 北 大 学 课 程 设 计 说 明 书第 24 页 共 29