20crmnti齒輪的熱處理 畢業(yè)論文

1、<p><b>　　【摘要】</b></p><p>　　齒輪是機械設(shè)備中的關(guān)鍵零件，齒輪質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個設(shè)備的使用壽命。而齒輪質(zhì)量的好壞在很大程度上取決于齒輪材料及其熱處理工藝。因此，國內(nèi)外與齒輪制造相關(guān)的廠家都極為重視齒輪材料及其熱處理技術(shù)的研究開發(fā)，并先后開發(fā)一系列新型齒輪材料及先進的熱處理工藝。20CrMnTi鋼是制造齒輪的主要材料，于是研究一套以20CrMnTi為

2、原料的齒輪熱處理工藝便是研究任務(wù)的重中之重。</p><p>　　【關(guān)鍵詞】齒輪 齒輪鋼 發(fā)展 熱處理 特性 缺陷 </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第一章 前言7</b></p><p>　　一、齒輪的發(fā)展史7</p><

3、p>　　二、20CrMnTi簡介8</p><p>　　三、研究的目的和意義8</p><p><b>　　第二章 方案7</b></p><p>　　一、原材料的選擇8</p><p>　　二、齒輪的性能要求9</p><p>　?。ㄒ唬?、滿足齒輪材料的機械性能9</p

4、><p>　?。ǘ?、滿足齒輪材料的工藝性能9</p><p>　?。ㄈ?、滿足齒輪材料經(jīng)濟性能10</p><p>　　第三章 熱處理10</p><p>　　一、預(yù)備熱處理11</p><p><b>　　二、正火11</b></p><p><b>

5、　　三、調(diào)質(zhì)11</b></p><p>　　四、滲碳熱處理工藝12</p><p>　?。ㄒ唬?、鋼的化學(xué)成分12</p><p>　?。ǘ?、滲碳工藝12</p><p>　　五、淬火低溫回火13</p><p><b>　?。ㄒ唬?、淬火13</b></p>

6、<p>　?。ǘ⒌蜏鼗鼗?4</p><p>　　第四章 結(jié)論15</p><p><b>　　致謝15 </b></p><p><b>　　參考文獻16</b></p><p><b>　　第一章 前言</b></p><p

7、><b>　　一、齒輪的發(fā)展簡史</b></p><p>　　輪緣上有齒能連續(xù)嚙合傳遞運動和動力的機械元件。齒輪是能互相嚙合的有齒的機械零件，齒輪在傳動中的應(yīng)用很早就出現(xiàn)了。據(jù)史料記載，遠在公元400～200年得中國古代就已開始使用齒輪，19世紀(jì)末，展成切齒法的原理及利用此原理切齒的專用機床與刀具的相繼出現(xiàn)，隨著生產(chǎn)的發(fā)展，齒輪運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性受到重視。</p><p&

8、gt;　　二、20CrMnTi簡介</p><p>　　牌號：20CrMnTi</p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 3077-1988</p><p><b>　　特性及適用范圍：</b></p><p>　　20CrMnTi鋼是性能良好的滲碳鋼，淬透性較高，經(jīng)滲碳淬火后具有硬而耐磨的表面與堅韌的心部，具有較高的低溫沖擊

9、韌性，焊接性中等，正火后可切削性良好。用于制造截面＜30mm的承受高速、中等或重載荷、沖擊及摩擦的重要零件，如齒輪、齒圈、齒輪軸十字頭等。</p><p><b>　　化學(xué)成分</b></p><p><b>　　力學(xué)性能</b></p><p>　　三、研究的目的和意義</p><p>　　中國齒

10、輪工業(yè)“十五”期間得到了快速的發(fā)展：2005年齒輪行業(yè)的年產(chǎn)值由2000年得204億元增加到683億元，年復(fù)合增長率23.27%，已成為中國機械基礎(chǔ)件中規(guī)模最大的行業(yè)，就市場需求和生產(chǎn)規(guī)模而言，中國的齒輪行業(yè)也位居世界第四。就使用性能和產(chǎn)品開發(fā)性而言中國齒輪制造業(yè)與發(fā)達國家相比還存在許多不足。</p><p>　　中國制造業(yè)由于缺乏核心技術(shù)，貼牌生產(chǎn)仍然是“中國制造”普遍的生存模式。很多高端產(chǎn)品表面上市中國生產(chǎn)，

11、其實核心技術(shù)都來自國外。為此，“十二五”明確指出必須堅持發(fā)揮市場基礎(chǔ)性作用與政府引導(dǎo)推動相結(jié)合，科技創(chuàng)新與實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化相結(jié)合，深化體制改革，以企業(yè)為主體，推進產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，讓高端制造業(yè)成為國民經(jīng)濟的先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)和支柱產(chǎn)業(yè)。制造業(yè)的升級和轉(zhuǎn)型，對于齒輪行業(yè)有著深遠影響和重大意義。為此提高齒輪的性能便成了重中之重。</p><p><b>　　第二章 方案</b></p><p&g

12、t;<b>　　一、原材料的選擇</b></p><p>　　20CrMnTi滲碳鋼是一種低碳合金鋼,工藝性能優(yōu)良,廣泛用于截面小于30mm承受高速、中等或重載及受沖擊載荷和摩擦的重要滲碳零件,如汽車、拖拉機中的變速齒輪、凸輪、礦山機械使用的重載齒輪等, 但因為齒輪材料的種類繁多，因此選擇20CrMnTi作為研究對象。</p><p><b>　　二、齒輪的

13、性能要求</b></p><p>　　齒輪是現(xiàn)代機械中應(yīng)用最廣泛的一種機械傳動零件，合理地選擇和使用金屬材料尤為重要。大致上講，應(yīng)主要滿足齒輪材料所需的機械性能、工藝性能和經(jīng)濟性要求三個方面：</p><p>　?。ㄒ唬?、滿足齒輪材料的機械性能</p><p>　　材料的機械性能包括強度、硬度、塑性及韌性等，反映材料在使用過程中所表現(xiàn)出來的特性。齒輪在

14、嚙合時齒面接觸處有接觸應(yīng)力，齒根部有最大彎曲應(yīng)力，可能產(chǎn)生齒面或齒體強度失效。齒面各點都有相對滑動，會產(chǎn)生磨損。齒輪主要的失效形式有齒面點蝕、齒面膠合、齒面塑性變形和輪齒折斷等。因此要求齒輪材料有高的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度，齒面要有足夠的硬度和耐磨性，芯部要有一定的強度和韌性。</p><p>　　（二）、滿足齒輪材料的工藝性能 </p><p>　　材料的工藝性能是指材料本身能

15、夠適應(yīng)各種加工工藝要求的能力。齒輪的制造要經(jīng)過鍛造、切削加工和熱處理等幾種加工，因此選材時要對材料的工藝性能加以注意。一般來說，碳鋼的鍛造、切削加工等工藝性能較好，其機械性能可以滿足一般工作條件的要求。但強度不夠高，淬透性較差。而合金鋼淬透性好、強度高，但鍛造、切削加工性能較差。我們可以通過改變工藝規(guī)程、熱處理方法等途經(jīng)來改善材料的工藝性能。</p><p>　?。ㄈ?、滿足齒輪材料的經(jīng)濟性要求</p&g

16、t;<p>　　所謂經(jīng)濟性是指最小的耗費取得最大的經(jīng)濟效益。在滿足使用性能的前提下，選用齒輪材料還應(yīng)注意盡量降低零件的總成本。我們可以從以下幾方面考慮： </p><p>　　從材料本身價格來考慮。碳鋼和鑄鐵的價格是比較低廉的，因此在滿足零件機械性能的前提下選用碳鋼和鑄鐵，不僅具有較好的加工工藝性能，而且可降低成本。從金屬資源和供應(yīng)情況來看，應(yīng)盡可能減少材料的進口量及價格昂貴材料的使用量。</

17、p><p>　　從齒輪生產(chǎn)過程的耗費來考慮：采用不同的熱處理方法相對加工費用也不一樣；通過改進熱處理工藝也可以降低成本；所選鋼種應(yīng)盡量少而集中，以便采購和管理；我們還可以通過改進工藝來提高經(jīng)濟效益。</p><p><b>　　第三章 熱處理</b></p><p>　　20CrMnTi齒輪鋼要達到加工、使用所需性能必須進行熱處理, 目的是提高表

18、面的硬度、耐磨性和疲勞強度,心部具有足夠的強度和韌性。一般齒輪加工的工藝路線如下。鍛造→正火→齒形加工→滲碳→淬火、低溫回火→噴丸→校正花鍵孔→磨齒[1]。一般齒輪毛坯采用鍛造毛坯, 經(jīng)鍛造以后晶粒大小形狀發(fā)生了變化, 改變了鋼的組織, 增加了鍛造應(yīng)力, 提高了硬度, 在機械加工前需預(yù)備熱處理。</p><p><b>　　一、預(yù)備熱處理</b></p><p>　　

19、通常20CrMnTi選用正火或調(diào)質(zhì)處理作為預(yù)備熱處理,其目的是降低鋼的硬度,提高塑性, 以利于切削加工; 細化晶粒,均勻鋼的組織及成分,改善鋼的性能,為以后的熱處理作準(zhǔn)備;消除鍛造應(yīng)力,防止變形和開裂, 保證齒形合格。</p><p><b>　　二、 正火</b></p><p>　　正火是將鋼加熱到Ac3以上30℃～50℃,保溫足夠的時間后出爐在空氣中冷卻到室溫。

20、對于一般的齒輪采用正火,正火可以減少碳和其他合金元素的成分偏析; 使奧氏體晶粒細化和碳化物的彌散分布, 以便在隨后的熱處理中增加碳化物的溶解量。由于正火的冷卻速度較快, 獲得細小的片層狀滲碳體珠光體, 強度、硬度都較高, 力學(xué)性能較好。然而正火工藝是空冷,對于尺寸較大零件,內(nèi)外溫差大冷卻速度不穩(wěn)定,在連續(xù)冷卻時,過冷奧氏體在A1-550℃溫度范圍內(nèi)分解為珠光體,在550℃-Ms溫度范圍內(nèi), 因轉(zhuǎn)變溫度較低轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w組織(即含碳量具有一

21、定過飽和度的鐵素體和分散的滲碳體(或碳化物)的混合物),其特征是過飽和碳的鐵素體中分布粒狀或長條狀的碳化物[1]。鍛造毛坯正火產(chǎn)生的粒狀貝氏體引起硬度增高,導(dǎo)致了齒型加工困難,使刀具早期磨損。對于車輛齒輪或大批量的小型齒輪越來越多采用等溫正火工藝。對于模數(shù)、直徑較大的質(zhì)量要求高的工業(yè)齒輪通常采用調(diào)質(zhì)作為預(yù)備熱處理[5]。圖1（奧氏體晶粒）</p><p><b>　　三、調(diào)質(zhì)</b><

22、/p><p>　　對于重要的齒輪用調(diào)質(zhì)來改善鋼的性能。在切削加工時,為了不致發(fā)生“粘刀”現(xiàn)象和使刀具嚴重磨損,通過改善金相織控制鋼的硬度。實踐證明,為了防止鍛造毛坯在預(yù)備熱處理中產(chǎn)生粒狀貝氏體影響鋼的力學(xué)性能,工藝可采用淬火后680℃～700℃高溫回火(即調(diào)質(zhì))來替代原來的正火。高溫回火后得到回火索氏體組織, 即粒狀滲碳體均勻的分布在鐵素體基體上, 應(yīng)力集中傾向小,硬度降低至200HB～330HB,切削性能較好。調(diào)質(zhì)

23、鋼與正火鋼相比不僅強度較高, 而且塑性、韌性遠高于后者, 同時鍛造應(yīng)力得到充分的消除, 滿足了機械加工要求, 在生產(chǎn)中已取得了良好的經(jīng)濟效益。圖2</p><p><b>　　四、滲碳處理工藝</b></p><p>　?。ㄒ唬摰幕瘜W(xué)成分</p><p>　　20CrMnTi的含碳量為0.20％屬于低碳鋼,滲碳時保證了碳元素的正常滲入。淬火

24、熱處理后心部獲得低碳馬氏體, 以保證心部具有足夠的塑性和韌性,抵抗沖擊載荷。鋼中合金元素為Cr<1.5％、Mn<1.5％、Ti<1.5％。Cr、Mn合金元素能提高鋼鐵索體的強度,同時提高鋼的淬透性。Ti元素能阻止鋼的奧氏體晶粒的長大, 提高鋼的回火穩(wěn)定性。20CrMnTi齒輪根據(jù)使用性能要求表面耐磨,心部又要求有良好的強韌性,所以要對20CrMnTi鋼進行表面滲碳處理,滲碳淬火后表面得到高碳馬氏體, 具有較高的硬度和耐

25、磨性。</p><p><b>　?。ǘ?、 滲碳工藝</b></p><p>　　滲碳淬火工藝過程中, 要防止齒輪變形, 要嚴格控制滲碳齒輪的表面碳濃度和滲層深度。因它們會對滲層組織的膨脹系數(shù)產(chǎn)生影響, 滲碳后若表面形成不良碳化物分布, 將增加齒形、齒向及花鍵孔的變形,因此必須控制滲碳時的碳勢,以防止表面碳濃度過高和碳量不均勻。滲碳層深度越厚,也將使畸變加大。表面含

26、碳量影響滲碳淬火齒輪的淬透性, 而材料的淬透性對組織、性能、畸變有直接的影響[5]。因此應(yīng)使?jié)B碳層深度及其表面含碳量控制在合理適宜的范圍內(nèi)。齒輪滲碳的方法較多,常用氣體滲碳,目前應(yīng)用電解質(zhì)氣相離子(ECA)催滲技術(shù)控制滲碳變形也取得較好效果[6]?，F(xiàn)以可控井式爐中氣體滲碳為例優(yōu)化工藝, 滴入煤油、苯、甲醇等滲碳劑, 加熱溫度從一般采用的930℃改為900℃[3]。這些介質(zhì)在高溫下分解,產(chǎn)生活性碳原子,主要化學(xué)分解式如下：2CO→[C]+

27、CO2CH4→2H2+[C]</p><p>　　活性碳原子溶入鋼表面奧氏體中, 并向內(nèi)部擴散,最后形成一定深度的滲碳層。一般滲碳層深度取決于保溫時間, 可按每小時滲入0.2mm～0.25mm的速度估算。滲碳時要控制滲碳的時間、活性碳的濃度,使表面的含碳量控制在0.80 %～1.0 %范圍內(nèi)[4],并從表面到心部逐漸減小,心部仍保持原來低碳鋼的含碳量。滲碳的溫度越高,時間越長, 奧氏體晶粒越大, 齒輪的畸變越大,

28、把加熱溫度控制900℃左右,目的是控制奧氏體晶粒長大,獲得細小的奧氏體晶粒,淬火后獲得細小的馬氏體組織。由于滲碳只改變工件表面的含碳量, 要使?jié)B碳齒輪表面具有高的硬度、高的耐磨性和心部良好韌性滲碳后必須進行熱處理。常用的是淬火后低溫回火。</p><p>　　圖3（20CrMnTi滲碳后淬火）</p><p><b>　　五、淬火低溫回火</b></p>

29、<p><b>　?。ㄒ唬⒋慊?lt;/b></p><p>　　鋼的加熱溫度一般可根據(jù)Fe-Fe3C相圖選擇,亞共析鋼淬火加熱溫度選擇Ac3以上30℃～50℃,過共析鋼淬火加熱溫度選擇Ac1以上30℃～50℃。根據(jù)滲碳后齒輪的表層含碳量的分布狀況及實踐經(jīng)驗從900℃預(yù)冷到820℃左右進行油冷[3]可以得到好的效果。加熱溫度過高或保溫時間過長,會引起奧氏體的晶粒粗大引起過熱或晶界氧化

30、并部分熔化的過燒現(xiàn)象。過熱時奧氏體的晶粒粗大不僅降低齒輪力學(xué)性能, 也容易引起齒輪的變形和開裂。過燒后的工件只能報廢。加熱溫度過低、保溫時間不足會引起硬度不足。故可選擇900℃溫度滲碳,預(yù)冷8 2 0℃ 左右油冷淬火。淬火冷卻速度太快,奧氏體向馬氏體組織轉(zhuǎn)變劇烈、體積收縮,引起很大的內(nèi)應(yīng)力,容易造成齒輪的變形和開裂,由于20CrMnTi是合金鋼,淬透性較好,故選擇油冷減小冷卻速度,防止淬火造成齒輪變形或開裂。同時也能獲得馬氏體組織,達到

31、較高的硬度。</p><p><b>　?。ǘ?、 低溫回火</b></p><p>　　淬火后的鋼組織是馬氏體及少量殘余奧氏體,它們都是不穩(wěn)定的組織,有向穩(wěn)定組織轉(zhuǎn)變的趨勢,同時淬火時產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。為了減小或消除淬火內(nèi)應(yīng)力, 穩(wěn)定組織和尺寸,獲得所需的力學(xué)性能,實踐證明重載齒輪選擇在200℃進行4小時低溫回火[3]工藝較好。低溫回火時馬氏體中過飽和碳原子以碳化物的形式

32、逐步析出, 馬氏體晶格畸變程度減弱,內(nèi)應(yīng)力有所降低。此時的回火組織由馬氏體和碳化物組成, 稱為回火馬氏體。雖然馬氏體的分解使α-Fe中碳的過飽和程度降低,鋼的硬度相應(yīng)下降,但析出的碳化物又對基體起強化作用, 部分的殘余奧氏體分解為回火馬氏體, 所以鋼仍保持很高的硬度和耐磨性和一定的韌性。</p><p><b>　　第四章 結(jié)論</b></p><p>　　生產(chǎn)實踐

33、證明20CrMnTi滲碳鋼齒輪進行熱處理工藝優(yōu)化,可獲得良好的力學(xué)性能, 不易造成熱處理變形開裂和齒輪磨削裂紋,取得良好的經(jīng)濟效果。在今后的學(xué)習(xí)中，我將加強自己的動手能力，一實驗這種更直觀的方式去深入的研究金屬材料，使自己成為一名專業(yè)知識過硬的材料學(xué)子。</p><p>　　在經(jīng)濟全球化的今天，產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度，應(yīng)經(jīng)達到我們無法想象的地步，要想在競爭中占得先機，必須研發(fā)性能優(yōu)越的原材料，原材料的質(zhì)量是產(chǎn)品質(zhì)量的

34、基本保證?？v觀整個世界，鋼鐵材料是應(yīng)用最為廣泛的。也是與國名經(jīng)濟聯(lián)系最密切的，20CrMnTi是最重要的鋼鐵材料之一，且多用于制造汽車齒輪，所以研究與20CrMnTi鋼性能相關(guān)的熱處理工藝具有重大意義。通過熱處理工藝的改進因其的產(chǎn)品質(zhì)量的提升必將對中國乃至世界經(jīng)濟的發(fā)展做出相當(dāng)重要的貢獻。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　本文是在**老師

35、悉心指導(dǎo)下完成的。在實驗過程*老師給予作者極大地幫助和關(guān)懷，使作者具備獨立完成課題的知識和能力，在研究過程中，石老師在選題、資料檢索、方案論證等諸多方面對作者精心指導(dǎo)，使作者能夠把理論和實踐有機的結(jié)合起來，成功地完成了系統(tǒng)設(shè)計和論文撰寫。在此謹向兩位老師表示衷心的感謝和深深的敬意。</p><p>　　在課題研究的過程中，作者得到許多老師、同學(xué)和朋友的幫助。在此，對這些指導(dǎo)和支持作者的老師、同學(xué)表示真摯的感謝。&

36、lt;/p><p>　　由于作者的學(xué)識和精力有限，論文中難免有不到之處，敬請各位老師提出批評和建議，在此一并表示感謝。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 金屬材料實用手冊，彭福泉主編，機械工業(yè)出版社，1987年</p><p>　　[2]金屬學(xué)與熱處理下冊熱加工專業(yè)用，河北工學(xué)院王健安

37、主編，機械工業(yè)出版社，1980年</p><p>　　[3]熱處理手冊第2版第二卷典型零件的熱處理，中國機械工程學(xué)會熱處理專業(yè)學(xué)會《熱處理手冊》編委會編，機械工業(yè)出版社，1991年</p><p>　　[4]熱處理設(shè)備及設(shè)計，熱處理設(shè)備及設(shè)計編寫組 山東人民出版社，1977年</p><p>　　[5]金屬熱處理工藝學(xué)修訂版，夏立芳編，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2008