热处理工艺课程设计 - 图文

热处理工艺课程设计

高速高载齿轮的热处理工艺

姓 名：成** 学 号：*******

学 院：扬州大学机械工程学院 专 业：材料成型及控制工程 设计指导老师：黄新

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前 言

热处理工艺是金属材料工程的重要组成部分。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。本课程设计是在《材料科学基础》﹑《金属热处理工艺学》﹑《失效分析》﹑《金属力学性能》等课程学习的基础上开设的，是理论与实践相结合的重要教学环节。通过该课程设计，可使学生在综合运用所学专业基础理论和专业知识能力方面得到训练，学会独立分析问题和解决问题的方法，提高工程意识和工程设计能力。

热处理工艺是整个机械加工过程种的一个重要环节，它与工件设计及其它加工工艺之间存在密切关系。如何实现工件设计时提出的几何形状和加工精度，满足设计时所要求的多种性能指标，热处理工艺制定的合理与否，有着至关重要的作用。

现代工业的飞速发展对机械零部件﹑工模具等提出的要求愈来愈高。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。为获得理想的组织与性能，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﹑质量稳定性和便于管理﹑降低成本等因素，确定出一种最佳方案。

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目 录

前言

一．热处理工艺课程设计的目的????????????????????4 1.热处理零件结构形状设计 ????????????????????4 2. 热处理零件的选材原则?????????????????????5 3 热处理工艺设计 ????????????????????????6 三．热处理工艺课程设计的任务????????????????????7 1. 零件的服役条件和可能的失效形式????????????????7 2. 材料的选择??????????????????????????8 3. 相变点的确定?????????????????????????9 4. 热处理设备的选择 ??????????????????????10 5. 夹具的设计或选用 ??????????????????????13 四．零件的技术要求及选材??????????????????????15 1. 技术要求 ??????????????????????????15 2. 零件图 ???????????????????????????15 3. 化学成分及合金元素的作用 ??????????????????15 4. 所选材料的相变临界点 ????????????????????16 五．热处理工艺 ??????????????????????????17 1. 所选工艺的目的 ???????????????????????17 2. 热处理工艺 ?????????????????????????18 ⑴ 正火 ??????????????????????????18 ⑵ 渗碳 ??????????????????????????18 ⑶ 淬火 ??????????????????????????25 ⑷ 回火 ??????????????????????????28 ⑸ 喷丸处理 ????????????????????????30

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六．热处理工艺过程中缺陷分析 ???????????????????30 1. 常见的渗碳缺陷 ???????????????????????30 2. 常见的淬火缺陷 ???????????????????????31 3. 常见的回火缺陷 ???????????????????????32

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一．热处理工艺课程设计的目的

热处理工艺课程设计是高等工业学校金属材料工程专业一次专业课设计练习，是热处理原理与工艺课程的最后一个教学环节。其目的是：

（1）培养学生综合运用所学的热处理课程的知识去解决工程问题的能力，并使其所学知识得到巩固和发展。

（2）学习热处理工艺设计的一般方法、零件热处理的工艺流程、热处理设备选用、装夹具设计、资料手册的查用、规范标准等，还有工艺设计中的细节问题。

（3）进行热处理设计的基本技能训练，如计算、工艺图绘制和学习使用设计资料、手册、标准和规范。

二．课程设计的要点、原则

1.热处理零件结构形状设计

需要热处理的工件，在设计时，除了应考虑服役条件、承受载荷的大小和机械加工工艺外，还要要考虑热处理的变形、开裂所造成的产品报废。因此，对热处理件结构形状有一定的设计要求。 1.1结构形状设计应避免应力集中

截面急剧变化的工件，淬火时易引起过量变形或开裂，一般应采用平滑过渡或圆弧过渡；外形的尖锐棱边，尖角和凹腔角处会产生应力集中，因此，也常用圆弧代替尖角，为防止工件上的孔或模具型腔成为裂纹的策源地，孔与孔之间应有一定的距离，冲模型腔与模边之间的距离也应足够大。 1.2结构形状设计应尽量简单、均衡、规则、对称

结构件的形状应尽量使工件各部位的质量均匀分布，以减少淬火时可能引起的过量变形和开裂。 1.3设计中实际措施

机械构件中工作的轮廓、形状和尺寸是各式各样的，往往不能遵循上述设计原则，对此可根据实际情况采取措施加以补救。

为减少损失，避免事故，充分估计各种因素的影响，可采用设计、热加工和热处理几方面共同商讨，协同设计，避免因设计不当造成加工、热处理和使用上的问题。

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2. 热处理零件的选材原则 2.1 使用性原则

使用性原则是零件在使用中应该具有的性能，这是保证零件完成规定功能的必要条件。在选材之前必须了解零件承受的负载类型及大小，所处工作环境和介质温度等服役条件。服役条件不同，性能要求也不一样。如：螺栓、拉杆等承受拉伸载荷的工件要求有较高的屈服强度和抗拉强度；承受交变载荷的半轴、曲轴等除了应具备良好的综合机械性能外，还应有高的疲劳强度；而冲模、齿轮、铣刀等则要求有高的表面硬度。 2.2工艺性原则

零件毛坯主要有铸件、锻件、焊接件和型材四种，熟悉材料的

加工工艺过程和材料的工艺性能，使所选材料比较容易加工成工件，在选材时必须考虑材料的加工工艺性能。从原材料到成品件，不同的工作经过了不同的冷、热加工工艺，从工艺性出发，选材可按下列技术路线进行：

初选材料 2.3 经济性原则

选材要讲经济效益，即应计算所得与所费、投入与产出、有用效果与、劳动消耗，要对它们进行评价和比较，从中选择最合适的不一定是最好的或单价最贵的材料，以最好的消耗量得到最大的效益，这就是经济性原则。 2.4 选材时应注意的几个问题

零件选材原则的实质是所选材料要耐用，易加工且费用低。同时，应注意以下几点：

⑴ 在大多数情况下优先考虑使用性能，工艺性能和经济性原则次之;

重选或修改 不合格 合格 确定材料 制造加工工艺路线 提出对材料工艺性能的要求 综合比较初选材料 5

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⑵ 有些力学性能指标（如 ζb、ζ

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、ζ-1、K1c）可直接用于设计计算; δ、

Ψ、Ak等不能直接用于计算，而是用于提高零件的抗过载能力，以保证零件工作安全性;

⑶ 在对零件的力学性能要求转化为材料力学性能指标时，要注意手册上给出的组织状态。如果零件的最终状态与手册上给出的相同，可直接使用，否则，还得查阅其它手册、文献资料或进行针对性的力学性能试验； ⑷ 手册或标准给出的力学性能数据是在试验室条件下对小试样的试验结果，引用这些数据时要注意尺寸效应；

⑸ 由于材料成分是一个范围，试样毛坯的供应状态可以有多种，因此，即使是同一牌号的材料，性能也不完全相同。国际标准或原冶金部标准给出的热轧或退火状态的力学性能范围或最低值，其数据可靠；而技术资料、论文中给出的数据一般是特定条件下的平均值，使用时要加以注意； ⑹ 同一材料的不同供应状态对数据影响很大； ⑺ 选材时要注意同时考虑所选材料的成型加工方法。 3 热处理工艺设计

热处理工艺设计包括热处理工艺在整个工件加工制造过程中的位置，热处理工艺选择和热处理工艺规程拟定。 3.1 热处理在加工工艺路线中的位置

材料的加工工艺路线是比较复杂的，根据对工件性能要求的不同，热处理在加工工艺路线中的位置通常有以下三种情况：

⑴ 毛坯→正火（退火）→机械加工→工件成品（一般工件）

⑵ 毛坯→预先热处理（正火、退火或调质）→粗加工→最终热处理（淬火、回火、化学热处理等）→精加工（要求较高的工件）

⑶ 毛坯→预先热处理→粗加工→淬火、回火或化学热处理→半精加工→稳定化处理或化学热处理→精加工→稳定化处理→工件成品（精密工件） 3.2 热处理工艺选择时应重点考虑的因素

⑴ 工件设计中热处理技术条件 如材料（包括规格、钢种、晶粒度等）、金相组织、硬化层及渗层厚度、强度、冲击韧性及硬度要求；

⑵ 热处理的工艺性 确定热处理工艺时，应根据每种工件的技术,尽量

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做到工艺上的先进性，技术上的可靠性和经济上的合理性;

⑶ 工厂生产条件及批量 确定热处理工艺时还应考虑工厂的现场特点、现有设备、生产批量等因素。在保证技术要求和质量稳定的前提下，可选用周期作业炉、连续作业炉或设计新标准设备。 3.3 热处理工艺规程的拟定

⑴ 分析所有可能的热处理工艺方案，比较后选择其中保证工件高质量而有最经济的方案；

⑵ 需要热处理的工件应按材料、形状、尺寸、重量和性能要求等选择合适的热处理工艺；

⑶ 根据现场加热和冷却设备选择工件的加热和冷却方法；

⑷ 热处理工艺过程各工序顺序应力求优化，避免在工艺传递过程中的重复。

三．热处理工艺课程设计的任务

根据题目中零件的技术要求，分析零件服役条件和可能的失效形式，根据失效形式，确定零件的性能特点，根据性能特点，选择材料，相变点的确定，分析含碳量及合金元素的作用，确定该零件的加工工艺路线以及热处理在加工工艺路线中的位置，选定能实现技术要求的热处理方法，热处理工艺参数的制定，热处理设备的选择，画出各热处理工艺后的金相组织示意图，分析显微组织特点，说明相组成物、组织组成物的名称，夹具的设计或选用，工艺卡片的填写。 1. 零件的服役条件和可能的失效形式

服役条件

齿轮是机械工业中应用最广泛的重要零件之一。其主要作用是传递动力，改变运动速度和方向。是主要零件。其服役条件如下：

⑴ 齿轮工作时，通过齿面的接触来传递动力。两齿轮在相对运动过程中，既有滚动，又有滑动。因此，齿轮表面受到很大的接触疲劳应力和摩擦力的作用。在齿根部位受到很大的弯曲应力作用；

⑵ 高速齿轮在运转过程中的过载产生振动，承受一定的冲击力或过载； ⑶ 在一些特殊环境下，受介质环境的影响而承受其它特殊的力的作用。

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失效形式

根据其服役条件，常见的失效形式为以下四点： ⑴ 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。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；

⑵ 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。

⑶ 磨损失效

汽车、拖拉机上的主载荷齿轮，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

⑷ 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。 2. 材料的选择

⑴零件的用途

高速齿轮是机械工业的重要基础件，广泛地应用在动力、冶金、石油化工、航空航天以及舰船工业等重要领域，常常被用于重型载货汽车上。适用于工作条件较为繁重、恶劣的汽车、拖拉机的变速箱和后桥中的齿轮。还被用于内燃机机车、坦克、飞机上的变速齿轮，这对材料的性能要求更高。

⑵工作条件

齿轮工作时，通过齿面的接触来传递动力。两齿轮在相对运动过程中，既有滚动，又有滑动，表面受到很大的接触疲劳应力和摩擦力的作用。在齿根部位受到很大的弯曲应力作用；高速齿轮在运转过程中的过载产生振动，承受一定的冲击力或过载；在一些特殊环境下，受介质环境的影响而承受其它特殊的力的作用。

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⑶性能要求

齿轮的表面有高的硬度和耐磨性，高接触疲劳强度，有较高的齿根抗弯强度，高的心部抗冲击能力。

⑷选材

高速、高载、承受较大冲击载荷的齿轮，一般采用低碳合金渗碳钢或碳氮共渗钢，工作时表面承受很大的接触疲劳应力和摩擦力的作用，高速转动承受一定的冲击力或过载。选用20CrMnTi钢，由于钢中含有Cr能够提高淬透性，Cr还是碳化物形成元素，提高回火稳定性；Mn能增加钢的强度和硬度，还有脱硫的功效，也能提高钢的淬透性；Ti是强碳化物形成元素，在钢中生成MC型碳化物，对提高钢的耐磨性和细化晶粒有一定的好处。20CrMnTi钢采用渗碳+淬火+低温回火，齿轮表面可以获得55~63HRC的高硬度，因淬透性较高，齿心部具有较高的强度和韧性。因而选用20CrMnTi钢。

20CrMnTi的含碳量为0.20％属于低碳钢,渗碳时保证了碳元素的正常渗入。淬火热处理后心部获得低碳马氏体, 以保证心部具有足够的塑性和韧性,抵抗冲击载荷。钢中合金元素为Cr<1.5％、Mn<1.5％、Ti<1.5％。Cr、Mn合金元素能提高钢铁索体的强度,同时提高钢的淬透性。Ti元素能阻止钢的奥氏体晶粒的长大, 提高钢的回火稳定性。20CrMnTi齿轮根据使用性能要求表面耐磨,心部又要求有良好的强韧性,所以要对20CrMnTi钢进行表面渗碳处理,渗碳淬火后表面得到高碳马氏体, 具有较高的硬度和耐磨性。

3. 相变点的确定 牌 号 临界温度/℃ Ac1 Ar1 715 625

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锻造加工温度/℃ 加热 始锻 终锻 1160~ 1200 1240 >850 温度 /℃ 950~ 970 正 火 冷却 /℃ 空冷 硬度 HBW 156~ 207 Ac3 Ar3 843 795 Ms Mf 360 1200~ 20CrMnTi

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淬 火 温度 淬火/℃ 860 硬度 回 火 不同温度回火后的硬度值HRC 介质 HRC 150℃ 200℃ 300℃ 400℃ 500℃ 550℃ 600℃ 650℃ 油 42~46 43 41 40 39 35 30 25 17

4. 热处理设备的选择

⑴ 电阻炉是热处理过程中占有较大比重的热处理加热设备，因此其应用十分广泛，根据作业的工作方式，分为周期性作业炉和连续性作业炉两种，电阻炉是用电阻发热体供热的一类设备，靠电热元件（作成螺旋状）的热辐射或对流等来加热零件，电阻炉是以电为热源，通过炉内布置的电热元件将电能转化为热能来进行零件的加热的，国产电阻炉的编号采用汉语拼音+阿拉伯数字来表示，编号的一般格式为前有三个汉语拼音字母，后面为两组数字。第一个字母R代表电阻炉，第二个字母表示设备的特点（J—加热，Y—盐浴，Q—气体渗或保护气等），第三个字母表示炉膛的形式（X—箱式，J—井式，D—电极式，M—埋入式等），第一组数代表设备的功率，第二组数代表使用的温度。例如RJJ-75-6、RYD-100-13、RJX-75-9等，通过设备的型号可以看出类型、加热特点、炉膛大小以及使用温度等，便于正确选用设备。

电阻炉又分为周期性作业炉和连续性作业炉，前者为零件整批入炉后，在炉内完成零件的加热、保温等工序，待出炉后另一批零件送入炉内，进行循环周期性的作业要求炉子的升温速度快，蓄热量小，通常有箱式炉、井式炉、台车炉等；而后者为需加热的零件连续不断地进入炉膛内，并不断地向前移动，完成零件的加热、保温后出炉，该炉子具有生产效率高、自动化和机械化程度高、适用于大批量生产作业，其炉膛内分为加热、保温、冷却三个区域段，设计的功率不同，常用的连续性作业炉有输送带式炉、网带式炉、推杆式炉、振底式炉、转底式炉和滚筒式炉等。

箱式电阻炉按温度的高低分为低温箱式炉、中温箱式炉、高温箱式炉，是目前应用最广泛的设备，通用性强，适用于大批量的热处理作业，中温箱式炉的应用十分广泛，是通用性很强的设备，使用温度在700~900℃，最大加热温度950℃，用于碳钢、低合金钢的退火、正火、调质处理、渗碳、淬火、回火以及时效等。

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炉膛由耐火砖砌成，自里向外依次为硅藻土砖和隔热材料或保温材料，炉底用耐热钢板制成炉板，下方为耐火砖墙支撑，砖墙之间有电热元件，炉壳是由钢板和角铁焊成，一般炉门为铸铁外壳，内砌耐火砖等。炉内的两侧分别安放镍铬合金或铁铬铝合金制成的电热元件（电阻丝）。

我设计的高速高载齿轮，它的直径大约是200mm，内圈直径约为100mm，厚度约是50mm，齿轮正面的圆形面积S约为628mm2，体积V约为31400mm3.材料是低碳合金钢20CrMnTi。它的正火温度在950℃左右。考虑到中温炉在中温测量时比较准确，因而选用中温箱式炉。结构图如下

中温箱式炉结构图

1—炉壳；2—炉衬；3—热电偶；4—炉膛；5—炉门；

6—炉门升降结构；7—电热元件；8—炉底板；

标准系列中温箱式电阻炉技术数据 功率 电压 /kw /v 15 30 380 380 最高工作温度/℃ 950 950 炉温850℃时的指标 炉膛尺寸空炉空炉最大（长×宽损耗升温装载×高）/mm 功率时间量 /kw /h /kg 600×3005 2.5 80 ×250 950×4507 2.5 200 ×350 型 号 相数 1 3 RX (RX3-□-9Q) RX3-15-9 RX3-30-9 根据我设计的齿轮大小，正火选用的电阻炉为RX3-15-9。

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低温箱式炉的最高工作温度为650℃，用于钢铁零件淬火后的回火和时效处理，也可以作铝合金的淬火加热用。其零件的加热是靠对流和辐射完成的，在炉顶或炉的后墙上安装风扇以及导风装置，强迫炉内气体的循环，来提高炉膛的温度均匀性和传热效果。

低温箱式电阻炉技术数据

型号 RX3—15—6 RX3—75—6 功率/kW 15 75 工作温度/℃ 650 650 炉膛尺寸（长×宽×高）/mm 600×300×250 1800×900×550 最大装载量 /kg 80 1200 700 2100 KH95—03 70 650 1276×1060×1100 KH86—17 60 350 1800×950×550 根据我设计的齿轮大小，回火选用的电阻炉为RX3-15-6。

⑵ 渗碳炉是新型节能周期作业式热处理电炉，主要供钢制零件进行气体渗碳。由于选用超轻质节能炉衬材料和先进的一体化水冷炉用密封风机，渗碳炉炉温均匀、升温快、保温好 ，工件渗碳速度加快，碳势气氛均匀，渗层均匀，在炉压提高时，亦无任何泄漏，提高了生产效率和渗碳质量。RQ系列井式气体渗碳炉系周期作业式电炉，主要供碳钢机件的气体渗碳等用。与电炉控制柜配合使用可自动控制及自动记录电炉的温度其结构主要由炉体、加热元件和温控系统组成。炉体外壳由型钢及钢板焊接而成，内用超轻质高铝泡沫砖砌筑成炉膛.保温层采用硅酸铝耐火纤维、硅藻土（或蛭石粉）散料结构，以提高炉体保温性能。加热元件安放在搁丝砖上，并有电阻丝小钩使其定位。炉膛内有一耐热板焊接成炉罐及料筐，被处理工件安放在料筐内。为使被处理工件均匀的与渗碳气体接触，在炉壳上装有通风机，用来强制气流循环，以使炉内温度和气体均匀。在风机轴套上有一防止漏气的密封装置，并采用冷却水冷却。炉盖的升降均有液压升降机构来完成。当需将炉盖升起时，只要开动液压装置，炉盖即徐徐上升；如需炉盖下降，只要旋松液压装置中内螺纹截止阀，炉盖即缓缓下降。在升降轴处，有两限位开关，当升降轴上升时，下面一个限位开关自动切断电动风机电源，以免操作发生危险；当炉盖升足时，上面一个限位自动切断液压装置的电源，以防升降轴顶出油缸发生意外。

RQ系列电炉的液体滴入系统备有可进行三种液体同时滴入的滴量器，并

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可通过流量计及针形阀控制其流量。在炉盖上方设有水冷却的试样管、取气孔、排气孔，如与红外线CO2分析仪配合及改装，则可进行碳势自动控制的工艺操作。

常用RQ系列渗碳井式炉的型号

额定功率/kW 25 35 60 75 90 105 额定电压/V 380 380 380 380 380 380 额定相温度数 /℃ 3 3 3 3 3 3 950 950 950 950 950 950 在950℃时有关指标 工作空间尺寸（直径×深度）空炉损耗空炉损最大装耗升温/mm 功率/kW 载量/kW 时间/h Φ300×450 ≤7 ≤2.5 50 Φ300×600 ≤9 ≤2.5 70 Φ450×600 ≤12 ≤2.5 150 Φ450×900 ≤14 ≤2.5 220 Φ600×900 ≤16 ≤3.0 400 Φ600×1200 ≤18 ≤3.0 500 型号 RQ3-25-9 RQ3-35-9 RQ3-60-9 RQ3-75-9 RQ3-90-9 RQ3-105-9

根据我设计齿轮的大小，选择型号为RQ3-25-9系列的井式渗碳炉比较合适。

5. 夹具的设计或选用

齿轮的移动 将齿轮从框中或篮中放进炉子中，要实现齿轮的短距离移动，我选择用自制的钳子夹送，钳子如下图：

用钳子夹齿轮移动齿轮时，可以用钳子的部分1来托运齿轮，这样就能实现齿轮短程运送时，轻拿轻放。部位3是钳子的把手，当然表面肯定是增加摩擦的粗糙表面。

如果齿轮不方便用钳子的部位1来实现托运，也可以用钳子的部位2来实现，

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先将钳子部位2的两只脚合拢，穿过齿轮的中心的空，再撑开钳子的两脚，就可以把齿轮卡在钳子上，此时就可以实现齿轮的运送。

齿轮在箱式炉中的热处理 为了让齿轮在箱式炉中受热均匀，可以用耐火材料制成料架放进箱式炉中，然后将齿轮放在架子上，进行加热。如图

粗加工前，正火选用的炉子是中温箱式炉，型号为RX3-15-9，炉膛尺寸（长×宽×高/mm）为600×300×250，图中的盛放齿轮的架子为3层，每层可以放两个齿轮，可以用钳子将齿轮送进去。

井式渗碳炉中齿轮的摆放 我选用的渗碳炉型号是RQ3-25-9，炉膛尺寸（直径×深度/mm）为Φ300×450。为了达到每炉中所有的齿轮能够均匀渗碳，我将每个齿轮隔开，用耐火材料制成网状的托盘，每个托盘上面放一个齿轮，然后依次向炉中放入托盘，如右图，是井式渗碳炉的剖面图，图中的托盘没有放齿轮。最下面的托盘形状制成与炉底形状相似。每个托盘的边壁上有空洞，能够让行车或者吊车的钩子是想吊运，最好同时使用3个钩子吊运，托盘最平稳。

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四．零件的技术要求及选材 1. 技术要求

20CrMnTi钢制成的高速高载齿轮技术要求如下：

齿表硬度：50～56 HRC 渗碳层深度为： 1.0～1.2 mm 2. 零件图

3. 化学成分及合金元素的作用

20CrMnTi钢的化学成分 C 0.17～0.23 S ≤0.035 化学元素作用

⑴ C：保证形成碳化物所需要的碳和保证淬火马氏体能够获得的硬度， ⑵ Si：硅能阻止碳化物形核长大，使“C”曲线右移，提高钢的淬透性，还能提高钢的抗回火性，提高对钢的综合机械性能。

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Si 0.17～0.37 P ≤0.035 Mn 0.80～1.10 Ni ≤0.30 Cr 1.00～1.30 Cu ≤0.30 Ti 0.04～0.10 机械学院 材料0801

⑶ Mn：主要作用是提高钢的淬透性，增加钢的强度和硬度，有脱氧及脱硫的功效（形成MnS），防止热脆。还可以改善渗碳层，有利于渗碳层增厚，增加奥氏体冷却时的过冷度，细化珠光体组织以改善机械性能。

⑷ Cr：能够提高钢的淬透性并有二次硬化作用，还是碳化物形成元素，提高回火稳定性，增加钢的耐磨性。

⑸ Ti：是强碳化物形成元素，在钢中生成MC型碳化物，对提高钢的耐磨性和细化晶粒有一定的好处。

⑹ S：S是钢中的杂质元素，能明显降低钢的热塑性，但是S能改善钢的可切削性能。

⑺ P：P是钢中的有害杂质元素，能降低钢的强度和韧性。

⑻ Ni：降低相变驱动力，使“C”曲线右移，Cr-Ni符合效果更好，提高钢的淬透性。

⑼ Cu：铜元素比较稳定，不易被氧化，所以含有的铜元素能起到耐腐蚀作用。

4. 所选材料的相变临界点 20CrMnTi钢的淬透性曲线如下图

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20CrMnTi 钢热处理的临界转变温度如下表格

钢号 20CrMnTi 临界温度（近似值）（℃） Ac1 715 Ac2 843 Ar1 625

五．热处理工艺

1. 所选工艺的目的 ⑴ 正火

正火：将钢加热到一定的温度930±10℃，在空气中冷却或者进行风冷，喷雾冷却的热处理工艺。正火工艺的加热温度要求足够高，一般要求得到均匀的单相组织。

正火的目的：降低硬度，改善加工性能，细化晶粒，改善力学性能，获得比较均匀的组织。 ⑵ 渗碳

渗碳：将低碳钢工件放在富碳气氛的介质中进行加热（温度一般为880~950℃），保温，使活性碳原子渗入工件表面，从而提高表层碳浓度的过程，工件的表面被碳所饱和而获得高碳的渗层组织。

渗碳的目的：改变了材料的表面特性，使钢的表面具有高的耐磨性、疲劳强度和抗弯强度，心部具有足够的强度和韧性。 ⑶ 淬火

淬火：将工件加热到860℃左右的温度，保温一定时间，使之全部或部分奥氏体化后以适当的方式冷却，获得马氏体或和贝氏体组织的热处理工艺。淬火是强化钢材，充分发挥钢材性能潜力的重要手段，通常需与回火配合使用，才能获得各类零件或工具的使用性能要求。

淬火的目的：使过冷奥氏体进行马氏体转变，得到马氏体组织。提高钢的力学性能，如强韧性、耐磨性。改善钢的物理、化学性能。 ⑷ 回火

回火：将钢加热带180℃的温度，保温一定时间然后冷却到室温，是不稳定的组织（淬火马氏体+残余奥氏体）转变为稳定组织（回火马氏体）的热处理

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工艺。

回火的目的：减少或消除齿轮的淬火应力，消除脆性，改善韧性、塑性，满足其力学性能要求。稳定组织和尺寸，使亚稳定的淬火马氏体和残余奥氏体进一步转变为稳定的回火组织。

2. 热处理工艺 ⑴ 正火

将材料为20CrMnTi钢的齿轮放进中温箱式炉加热到930±10℃，保温3个小时，使钢中达到完全奥氏体化，然后取出齿轮，在空气中冷却到室温。冷却后的组织是片状珠光体+铁素体。其目的是在于使齿轮的硬度降低，消除毛坯的锻造应力，均匀组织，改善切削加工性能，同时还为以后的热处理做好金相组织上的准备。钢中的S是杂质元素，能明显降低钢的热塑性，但是S能改善钢的可切削性能。正火还使钢中晶粒细化和碳化物分布均匀化。经正火后，齿轮的表面硬度为156～207HBW。 ⑵ 渗碳

渗碳淬火工艺过程中，要防止齿轮变形，要严格控制渗碳齿轮的表面碳浓度和渗层深度。因它们会对渗层组织的膨胀系数产生影响，渗碳后若表面形成不良碳化物分布，将增加齿形、齿向的变形,因此必须控制渗碳时的碳势，以防止表面碳浓度过高和碳量不均匀。渗碳层深度越厚,也将使畸变加大。表面含碳量影响渗碳淬火齿轮的淬透性，而材料的淬透性对组织、性能、畸变有直接的影响。因此应使渗碳层深度及其表面含碳量控制在合理适宜的范围内。齿轮渗碳的方法较多，常用气体渗碳,目前应用电解质气相离子(ECA)催渗技术控制渗碳变形也取得较好效果。现以可控井式炉中气体渗碳为例优化工艺，滴入煤油、苯、甲醇等渗碳剂，加热温度从一般采用的930℃。这些介质在高温下分解，产生活性碳原子，主要化学分解式如下：

2CO→[C]+CO2 CH4→2H2+[C]

活性碳原子溶入钢表面奥氏体中，并向内部扩散,最后形成一定深度的渗碳层。 一般渗碳层深度取决于保温时间，可按每小时渗入0.2mm～0.25mm的速度估算。

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渗碳时要控制渗碳的时间、活性碳的浓度,使表面的含碳量控制在0.80 %～1.0 %范围内，并从表面到心部逐渐减小，心部仍保持原来低碳钢的含碳量。渗碳的温度越高，时间越长，奥氏体晶粒越大，齿轮的畸变越大，把加热温度控制930℃左右，目的是控制奥氏体晶粒长大，获得细小的奥氏体晶粒，淬火后获得细小的马氏体组织。由于渗碳只改变工件表面的含碳量，要使渗碳齿轮表面具有高的硬度、高的耐磨性和心部良好韧性渗碳后必须进行热处理。 ① 渗碳剂的选择

滴注式气体渗碳的渗碳剂一般为甲醇（形成载气），煤油、丙酮、醋酸乙酯（形成富化气）等，作为渗碳剂的有机溶剂，要求其单位液体加热分解后能产生的气体体积大，碳氧比大，碳当量（产生1mol活性碳所需的有机液体的质量）小，气氛中的CO和H2的含量稳定，价格低廉、货源充足、安全性好。下表列出了几种常用作渗碳剂的几种有机溶剂的碳当量、碳氧比。

常用的有机液体的渗碳特性

名称 甲醇 以纯 丙酮 乙酸乙酯 分子式 CH3OH C2H5OH CH3COCH3 CH3COOC2H5 航空煤油、灯用煤油主要成分：C9～C14和C11～C17的烷烃 碳当量/g — 46 29 44 碳氧比 1 2 3 2 用途 稀释剂 渗碳剂 强渗碳剂 渗碳剂 煤油 — 强渗碳剂

煤油是传统的渗碳滴注剂，如图显示了煤油热分解气成分与稳定的关系。煤油价格低廉，渗碳能力强，但单独使用煤油渗碳会在高温裂解后产生大量CH4和[C]，炉内积碳严重，炉内气氛的成分和碳势不稳定，不易控制。现在，采用甲醇—煤油混合液作为渗碳滴注剂，其中甲醇是稀释剂，煤油是渗碳剂，可以明显的减少炭黑。为了保证甲醇和煤油裂解反应充分进行，应保证四个条件： 一是炉气静压＞1500Pa；二是滴注剂必须直接滴入炉内；三是加溅油板；四是滴注剂通过400～700℃温度区的时间≤0.07s。

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煤油热分解气成分与温度的关系

② 准备

a. 按照井式气体渗碳炉的操作规程检查设备， 确保设备正常运转。新炉或更换炉衬的炉子，工件渗碳前应对炉罐和挂具进行预先渗碳。预先渗碳时间一般为：新炉罐8~12h，旧炉罐4h左右，挂具4h。

b. 清除工件表面油污、锈斑、毛刺和水迹（常用10%的Na2CO3水溶液、汽油或四氯化碳等作清洗介质，以除去油污及其他污染；对有锈的工件，可用砂纸打磨或进行喷砂，或用10%的硫酸水溶液（40~80℃）浸洗，酸洗后应有碱中和并清洗干净），确保工件表面无碰伤或裂纹。

c. 对工件的非渗碳部位进行涂防渗涂料，其厚度一般应>0.3mm。此外还可以采取预留加工量，或对不需要渗碳部位用紧密固定的钢套及轴环等宝华方法。

d. 试样的准备 试样的材质应与工件相同。试样有两种：一种是Φ10mm×100mm的炉前试棒，用于确定出炉时间；另一种是与工件形状相似的随炉试块，与工件一起处理，用于检查渗碳层深度及金相组织。 e. 检查渗剂的数量是否充足。

f. 应定期清理炉内炭黑，以免引起碳层不均。

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③ 工件装炉

a. 将工件装入料框或挂在吊具上，我的方法是放在我个人设计的托盘上，然后独个的用吊车吊放在井式炉中，装吊方式要有利于减少工件的变形。 b. 若每层放入的工件不止一个，工件相互间或工件与料框间的间隙应大于5mm，层与层之间也可用丝网隔开，以保证渗碳气氛的流通，使渗碳层均匀。

c. 在每筐有代表性的位置处方一块试块。

d. 装炉重量及装料总高度硬小于设备规定的最大装载量和炉膛有效尺寸。

e. 材质相同、渗碳层技术要求相同、渗碳后热处理方式相同的工件，放在同一路生产。

④ 操作过程

a. 升温装炉。将空炉升温至600℃，启动风扇，在800℃开始滴入渗剂，到渗碳温度930℃即可装炉（严禁在<750℃时向炉内滴入任何有机液体，以防止低温下其滴入炉内造成爆炸）。

b. 工件装炉后，肯定会导致炉温下降，此时应控制炉子的升温速度，使工件各部分之间不产生明显的温差。20CrMnTi钢是亚共析钢，原始组织为铁素体+珠光体，当温度超过Ac1线时，珠光体转变为奥氏体，该转变的驱动力为珠光体与奥氏体的自由焓差。当问到超过Ac3线时，会发生铁素体与奥氏体之间的相互转变。当奥氏体晶核在铁素体的相界面上形成后，就出现了奥氏体A与原始组织之间的新界面：A/P、A/F。奥氏体晶核的长大时通过渗碳体的溶解、碳原子在奥氏体中的扩散，以及奥氏体两侧的界面向铁素体和渗碳体推移来实现的。奥氏体的长大速率受碳的扩散控制。具有面心立方晶格的Ni、Mn、Cu等元素以及C会扩大奥氏体相区，Cr、Ti会缩小奥氏体相区。20CrMnTi钢是本质细晶粒钢，奥氏体晶粒比较细，热处理后强度较高，塑性、韧性也比较好。 c. 排气阶段。工件入炉后，将炉盖压紧密封。开始加热，并启动风扇。由于炉温大幅度下降，同时还有大量的空气进入炉内，因此本阶段的作用是要使

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炉温迅速恢复到规定是渗碳温度，同时，要尽快排除进入炉内的空气，防止工件产生氧化。加大甲醇或煤油的滴量可增加排气速度，使炉内较快形成还原性气氛或渗碳性气氛。若用煤油排气，滴量只能适当增加，因为此时炉温较低，煤油分解不完全，滴量过大，易产生大量的炭黑。滴量的大小应根据炉子的容积来确定。排气阶段的时间，通常是炉子达到渗碳温度后再延续30~50min，以便完全清除炉内的CO2、H2O、O2等氧化脱碳性气体。当滴入渗碳剂时，应打开排气孔进行排气，将废气点燃。待炉温达到900℃时，加大渗碳剂的滴量，加速排气，至CO2体积分数小于0.5%是排气结束（注意：仅凭火苗颜色判断排气程度的做法是不正确的）。

d. 渗碳阶段。此阶段的作用是渗入碳原子，并获得一定深度的渗层。 主要分为三个阶段：渗碳介质的分解、工件对碳原子的吸收、碳原子的扩散。 第一阶段分解阶段是指渗碳剂通过反应，形成了渗入钢表面的活性碳原子。这里是煤油在930℃时发生分解反应，分解后产生CO、CH4、CnH2n+2、CnH2n、H2、CO2、O2、N2等气体，其中CO为弱渗碳气体，CH4为强渗碳气体，在930℃是，会在工件的表面进一步分解，形成渗入能力很高的活性碳原子[C]。第二阶段吸收阶段是活性碳原子[C]被工件表面吸附、吸收的过程。在吸碳期间，需要煤油提供足够的活性碳原子，有利于工件表面对碳原子的吸收，活性碳原子少了的话会使工件表面含碳量降低，活性碳原子太多，则多余的碳原子又会结合成分子溢出，形成炭黑，影响渗碳的正常进行。吸收期也要控制好炉压，将煤油的滴量适当减少，保证渗碳所需要的碳势，形成表面碳浓度较高的碳层。第三阶段扩散阶段工件表面吸收了活性碳原子，碳浓度大大提高，沿着碳梯度的下降逐渐向内部渗入，完成工件表面的碳成分的变化。在扩散阶段，若吸收的活性碳原子数量小于扩散的数量，会造成表面碳含量达不到要求，扩散速度会减慢。因此，扩散速度直接影响到整个渗碳过程的周期。此为渗碳的过程。

在排气结束后，进入渗碳阶段，放入试棒，关好试棒孔。调整渗剂滴量，调整炉内压力为200~500Pa。排气管的废气火焰应稳定，呈浅黄色，长度在80~120mm之间，无黑烟和火星。根据火焰燃烧的状况可判断炉内的工作情况，若火焰中出现火星，说明炉内炭黑过多；若火焰过长，尖端外缘呈白亮色，说明渗碳剂供给量太多；火焰太短，外缘为透明的浅蓝色，表面渗碳剂供给量不足或

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是炉子漏气。

e. 使用RQ系列气体渗碳炉进行渗碳时，推荐采用煤油与甲醇作滴注剂，并保持清洁，使用时，根据渗碳过称各阶段的碳势需要，以两者不同的比例分别滴入。一般情况下，排气阶段不滴煤油，强渗阶段不滴甲醇，扩散阶段煤油与甲醇以2∶1（体积比）滴入。

f. 气体渗碳时，渗剂的消耗量与炉型、装炉量及滴注剂种类有关。一般情况以每100cm2的渗碳面积，滴入1.0~1.2cm3/h的渗剂为宜。在升温和保温时，不同的炉型，滴入量也不同。 下图是RQ3-25-9型井式炉中渗碳煤油的滴量

RQ3-25-9井式炉中渗碳 煤油的滴量

渗碳层深度 工件渗碳总面积/cm2 ＜10000 10000～20000 滴入量/（滴/min） 阶 段 1 80 85 2 60 65 说 明 强渗后，按第二阶段供给 0.8～1.2 我设计的齿轮齿顶圆的直径为20cm，厚度为5cm，单个齿轮的齿表面渗碳面积为＞314cm2，每炉放6个工件，总面积小于10000cm2，所以第一阶段滴入量为小于80滴/min，第二阶段滴入量为小于60滴/min.

g. 降温冷却阶段。在渗碳阶段结束前30~60min，检查炉前试棒的渗层深度，以确定降温的开始时间。检查方法有断口目测法和炉前快速分析法。断口目测法是将渗碳试棒从炉中取出，淬火后打断，观察断口，渗碳层呈白色瓷状，未渗碳部分为灰色纤维状，交界处的碳的质量分数月为0.4%，用读数放大镜测量表面至交界处的厚度。或将试棒断口在砂轮上磨平，用4%（质量分数）的硝酸酒精溶液侵蚀磨面，几秒钟后会出现黑圈。黑圈的厚度即可近似的代表渗碳层的深度，也用个读数放大镜测量。当将至规定的温度后，工件出炉。吊车一件一件的吊出托盘。然后是下一步的热处理，可以预冷，保温一段时间直接放入油中淬火，也可以在空气中散开冷却，再淬火，此时的冷却过程中，工件的表面，即齿表容易氧化脱碳，形成贫碳层，会影响其实用性能，因此可以向冷却坑中倒入一些煤油或者酒精，也可以用喷雾加速冷却，来减少表面的脱碳。

h. 渗碳过程中，为防止产生炭黑和加速扩散，可以通入少量的氨气。

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渗碳后的表层组织为细针状或隐晶马氏体+细颗粒状弥散均匀分布的碳化物+少量残余奥氏体。

⑤ 操作过程中的注意点

a. 渗碳工件表面不得有锈蚀，油污及其他污垢。

b. 渗碳炉中的应保持正压，不得漏气，可用火苗检查炉盖和风扇处有无漏气现象。

c. 滴油管不能倾斜，应保持垂直状态，以保证渗碳剂能直接滴入炉膛内。

d. 随时检查炉温，不得超过规定值930℃的±10℃的范围。 e. 随时检查渗碳剂的滴入量，以防止因为炉盖的震动而发生变化。

⑥ 渗碳过程中合金元素的作用

含碳量高的钢渗碳后的碳浓度梯度较小，渗速缓慢。在其他工艺条件相同的条件下，原始含碳量越高，则渗碳层越薄。合金元素将改变渗层表面的碳浓度和厚度。碳化物的形成元素如Cr、Mo、W等可提高工件表面的碳浓度，非碳化物形成元素如Al、Ni、Si、Mn等则降低表面的碳浓度。Mn元素可以改善渗碳层，有利于渗碳层增厚。合金元素对渗碳层厚度的作用取决于两个因素，即表面含碳量的影响和碳在奥氏体中的扩散速度的影响，一般而言合金元素对表面含碳量的影响较大，由于其可以增加表面含碳量，故增大了碳浓度梯度，加速碳原子向内部的扩散速度，渗碳层厚度增加。

⑦ 渗碳过程中的时间t

气体渗碳是目前应用比较多的渗碳方法，在社团过程中，控制的工艺参数主要有渗碳温度、渗碳时间、炉内气氛的碳势三项。渗碳时间决定于渗碳层的技术要求。一般情况下，渗碳层深度与渗碳温度、渗碳时间的关系可利用Harris公式估算：

H?660e-8287/Tt

式中: H 渗碳层深，mm；

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T 渗碳温度，K； t 渗碳时间，h。

当温度在930℃时，渗碳层深度是1～1.2mm时，渗碳时间约为2.5h。

齿轮在井式炉中的渗碳工艺曲线

渗碳层组织 齿轮渗碳冷却后，一般认为工件渗碳层表层应有细针状或隐晶马氏体+细颗粒状弥散均匀分布的碳化物+少量残余奥氏体；工件心部应为细晶粒低碳马氏体组织，不允许有大块的铁素体存在，此时工件畸变量最小；表层与心部之间的组织为高碳马氏体+残余奥氏体。

渗碳层性能 渗碳层的性能取决于表面含碳量及其分布梯度和淬火后的渗层组织，一般希望渗层碳分布梯度平缓。但由于残余奥氏体较软，塑性较高，借助微区域的塑性变形，可以弛豫局部应力，延缓裂纹的扩展，渗碳层中有25%～30%的残余奥氏体，反而有利于提高接触疲劳强度。表面粒状碳化物增多，将提高表面耐磨性及接触疲劳强度，碳化物数量过多，特别是呈粗大网状或条块状时，将使冲击韧度，疲劳强度等性能变坏，应加以限制。

⑶ 淬火

为了使工件获得表硬内韧的性能要求，工件渗碳后必须进行适当的热处理，由于齿轮的材料是20CrMnTi钢，是本质细晶粒钢，特别是钢中含有的强碳化物形成元素Ti，强烈阻止奥氏体晶粒的长大，经过长时间渗碳后奥氏体晶粒并

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不明显长大，故可以用预冷直接淬火法。

渗碳后的齿轮温度在930℃左右，此时可以将齿轮留在渗碳炉中冷却，即预冷，冷却到860℃时，保温一段时间（保温时间下面有计算），取出后立即放入油中（淬火介质下面有介绍），这样对齿轮淬火，操作比较简单，降低了成本，提高了生产效率，也可以达到齿轮需要的要求，且齿轮氧化、脱碳及淬火变形均小。一般情况下，由于渗碳时工件在高温下长时间保温，奥氏体晶粒易粗大，影响淬火后工件的性能，所以齿轮的材料一般选择过热倾向小的本质细晶粒钢制造。

钢的加热温度一般可根据Fe-Fe3C相图选择，20CrMnTi钢为亚共析钢，淬火加热温度选择Ac3以上30℃～50℃。根据渗碳后齿轮的表层含碳量的分布状况及实践经验从930℃预冷到860℃左右进行油冷可以得到好的效果。加热温度过高或保温时间过长，会引起奥氏体的晶粒粗大引起过热或晶界氧化并部分熔化的过烧现象。过热时奥氏体的晶粒粗大不仅降低齿轮力学性能，也容易引起齿轮的变形和开裂。过烧后的工件只能报废。加热温度过低、保温时间不足会引起硬度不足。故可选择930℃温度渗碳,预冷860℃左右油冷淬火。淬火冷却速度太快,奥氏体向马氏体组织转变剧烈、体积收缩，引起很大的内应力，容易造成齿轮的变形和开裂，由于20CrMnTi是合金钢，淬透性较好，故选择油冷减小冷却速度，防止淬火造成齿轮变形或开裂。同时也能获得马氏体组织，达到较高的硬度。

保温时间的确定 淬火加热时间包括升温和保温时间两段时间，升温时间包括相变重结晶时间，保温时间实际上只考虑碳化物溶解和奥氏体成分均匀化所需要的时间。

在具体的生产条件下，淬火加热时间常用经验公式计算，通过实验最终确定。常用的经验公式为：

η= a?K?D 式中 η 加热时间，min； a 加热系数，min/mm； K 装炉修正系数； D 工件有效厚度，mm。

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加热系数a表示工件单位厚度需要的加热时间，其大小与工件尺寸、加热介质和钢的化学成分有关，下表是常用钢的加热系数。

常用钢的加热系数

工件材料 工件直径 /mm ≤50 ＞50 ≤50 ＞50 750～850℃800～900℃1000～＜600℃箱盐炉中加热箱式炉或井1300℃高温式炉中加热 或预热 式炉中加热 盐炉中加热 0.30～0.40 0.3～0.4 0.4～0.5 0.45～0.50 0.50～0.55 0.30～0.35 0.30～0.35 0.65～0.85 1.0～1.2 1.2～1.5 1.2～1.5 1.5～1.8 0.17～0.2 0.16～0.18 0.16～0.18 碳钢 合金钢 高合金钢 高速钢 根据设计的20CrMnTi钢齿轮，加热系数a的大小取1.5。

装炉量修正系数K是考虑装炉的多少和方式来确定的。工件在炉内的排布方式直接影响热量传递的通道，齿轮在炉中的摆布如下图：

修正系数K的值取2.2 所以，淬火加热时间 η≒a?K?D ≒155min ≈2.5h

因为升温和保温当中有渗碳的过程，所以除去渗碳时间。齿轮的升温时间为1.5h，所以得到保温时间是1.0h。

冷却方式 由于20CrMnTi刚的淬透性较好，冷却速度越大，则淬火内应力越大，淬火变形也越大，这样工件容易变形开裂，不满足齿轮的性能要求。所以应该使用较为缓和的淬火介质，其热应力就相对较小，因此，选择使用油冷。 由于零件尺寸不是非常大，比较小，油淬可以达到淬火临界冷却速度，并且油淬经济，操作简单。淬火过程中Ms点已经进入对流阶段，低温区冷却能力远小于水，可以减少工件应力的产生，减少由于内应力产生的变形和开裂。

为了克服机械油冷却能力低，以氧化胡易老化，选用普通淬火油油淬，80℃

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的油温冷却，并向油中加入催冷剂（将石蜡基润滑油馏分精制）、抗氧化剂和表面活性剂。普通淬火油的特性温度大约在640℃左右，特性时间2.25h。 冷却过程 齿轮从860℃冷却到室温过程中，以大于临界冷却速度迅速冷却，获得要求的组织和性能。在奥氏体的区域快冷，产生热应力是表层受压，在避免其分解的同时，也能防止零件的开裂，当温度降到Ms点以下，奥氏体转变成马氏体产生的相变应力，此时冷却速度越大泽相变应力越大，零件表层的拉应力越大，因此当相变应力与热应力差值超过材料的断裂强度，就会导致淬火开裂，此时，就要尽可能在此区域内缓慢冷却，为了淬硬而不淬裂，即在“C”曲线的鼻部快冷，马氏体转变区慢冷。

当钢在油中温度低于Ac1线时，可能会出现铁素体，过冷奥氏体会发生转变，会转变为珠光体或是下贝氏体，但是不希望发生这样的转变，而是在温度降低到Ms线，奥氏体转变为马氏体。Ac1线与Ms线之间控制好冷却的速度，使冷却线不碰到“C”曲线的鼻尖，而具有面心立方晶格的Ni、Mn、Cu等元素以及C会扩大了奥氏体相区。当温度继续下降，低于Mf线后，奥氏体向马氏体转变结束，产物为马氏体和残余奥氏体，具有较高的硬度，可以达到55～60HRC左右。

钢中含有的Si能阻止碳化物形核长大，使“C”曲线右移，提高钢的淬透性，提高了钢的综合机械性能；Mn主要的作用是提高钢的淬透性，增加钢的强度和硬度，有脱氧及脱硫的功效（形成MnS），防止热脆，增加奥氏体冷却时的过冷度，细化珠光体组织以改善机械性能。Cr是碳化物形成元素，增加钢的耐磨性。Ti是强碳化物形成元素，在钢中生成MC型碳化物，对提高钢的耐磨性和细化晶粒有一定的好处。Ni能降低相变驱动力，使“C”曲线右移，Cr-Ni符合效果更好，提高钢的淬透性。 材料的组织及性能

⑴ 正常加热冷却 工件加热到860℃后，保温一段时间，使之奥氏体化后用油冷却至室温，得到马氏体和残余奥氏体，具有较高的硬度。

⑵ 加热温度不足时 出现非马氏体组织，加热后组织为奥氏体+铁素体，室温后组织为马氏体+铁素体，硬度不足，塑性大。

⑶ 加热温度过高时 会引起奥氏体晶粒粗化，加热后的组织为粗大奥氏

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体，室温后的组织为粗大马氏体，脆性太大，易断裂。

⑷ 冷却速度过高时 组织为马氏体，由于晶粒不均匀，性能较差，容易开裂和变形。

⑸ 冷却速度不足时 组织为马氏体+贝氏体，硬度和强度不高，塑性较大。 ⑷ 回火

淬火后的钢组织是马氏体及少量残余奥氏体,它们都是不稳定的组织,有向稳定组织转变的趋势,同时淬火时产生内应力。为了减小或消除淬火内应力, 稳定组织和尺寸,获得所需的力学性能,实践证明重载齿轮选择在180℃进行4小时低温回火工艺较好。

齿轮淬火后具有较高的强度和硬度，其淬火组织主要是韧性很差的孪晶马氏体，有较大的淬火内应力和一些微裂纹，所以回火应该及时点。在180℃回火能使孪晶马氏体中过饱和的固溶碳原子沉淀析出弥散分布的ε碳化物，既可以提高钢的韧性，又保持了钢的硬度、强度、耐磨性。在180℃回火时，大部分裂纹已经焊合，可大大减轻工件的脆裂倾向。低温回火得到隐晶的回火马氏体及在其上分布的均匀细小的碳化物颗粒，硬度可以达到55HRC以上。 回火的保温时间 回火时间一般为1～3小时

在空气炉中保温时间

有效厚度/mm 保温时间/min ≤20 30～45 20～40 45～60 40～60 60～90 60～80 90～120 80～100 120～150 合金钢的保温时间按上述表格中所列出的时间增加20%～30%，空气炉低温回火的保温时间不得低于120min；装炉量大时，保温时间应适当延长。所以齿轮的保温时间确定为2h。

材料的组织及性能 加热温度为180℃。加热到100℃时马氏体开始分解，共格析出ε-碳化物，回火保温足够长的时间后得到回火马氏体，硬度和耐磨性高。低温回火时马氏体中过饱和碳原子以碳化物的形式逐步析出, 马氏体晶格畸变程度减弱,内应力有所降低。此时的回火组织由马氏体和碳化物组成, 称为回火马氏体。虽然马氏体的分解使α-Fe中碳的过饱和程度降低,钢的硬度相应下降,但析出的碳化物又对基体起强化作用, 部分的残余奥氏体分解为回火马氏体,

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所以钢仍保持很高的硬度和耐磨性和一定的韧性。钢中含有的Si元素能提供钢的回火抗性，Cr元素能提高回火稳定性。

淬火、回火工艺曲线

⑸ 喷丸处理 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。 ⑹ 质量检查

齿轮精加工后，最后还要检查齿轮的外观表面、渗层深度、硬度、金相组织等是否达到设计的要求。

a.外观：表面无损伤、烧伤、严重腐蚀等缺陷；使用测量工具测量，用显微镜看表面是否有裂纹。

b.渗层深度：1.0～1.2mm；磁粉检测。

c.硬度：心部29～35HRC，齿面50～56HRC；洛氏硬度计打硬度。 d.金相组织：回火马氏体+残余铁素体。用金相显微镜看金相组织。

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五．热处理工艺过程中缺陷分析

1. 常见的渗碳缺陷 缺陷名称 产生原因 1.炉温低 表面碳质量2.渗剂滴量少 分数低 3.炉子漏气 4.工件表面不干净 1.炉气碳势过高 残留奥氏体2.渗碳温度过高 过多 3.奥氏体中碳和合金元素含量过多 渗层深度不1.保温时间不够 够 2.表面碳质量分数低 1.炉温不均匀 渗层深度不2.炉气循环不良 均匀 3.工件表面沉积炭黑 1.表面碳质量分数低 2.残留奥氏体多 表面硬度低 3.形成托氏体组织 表面有粗大的网状碳化物 心部铁素体过多 切削加工困难，硬度大于35HRC 预防措施 1.校检仪表，调整温度 2.按工艺规范调整滴量 3.检查炉子密封性 4.清理工件表面、补渗 1.按工艺规范调整渗剂滴量 2.降低渗碳温度 3.冷处理或高温回火后重新加入淬火 1.适当延长保温时间 2.按正常渗剂滴量补渗 1.正确摆放工件 2.检查风扇 3.渗剂量不要过多 1.按正常渗剂滴量渗碳 2.形成托氏体组织是表面碳浓度低，淬火时冷速不够 3.表面有托氏体可重新加入淬火 1.炉气碳势过高，渗碳剂浓度1.严格控制表面碳质量分数，或当太高或活性太大 渗碳层要求较深时，保温后期适当2.预冷温度过低 降低渗剂滴量 3.渗碳温度高或保温时间长 2.提高预冷温度，适当加快出炉的4.冷却太慢 冷却速度 3.提高淬火加热温度，延长保温时间重新淬火 4.渗碳后通过正火处理，予以消除 淬火温度低，加热保温时间不执行正常工艺重新加入淬火 足 出炉温度太高 1.渗碳后期炉气碳势太低 2.炉子漏气 3.出炉温度高，在空气中引起氧化脱碳 4.淬火加热时保护不当 1.夹具选择方式不当，因工件自重而产生变形 2.工件本身截面不均，在加热和冷却过程中因热应力和组织应力而31

按正常温度出炉 进行退火或高温回火处理 1.严格控制渗碳后期炉气碳势 2.检查炉子密封性 3.按正常温度出炉，放入冷却罐并滴入煤油 4.淬火时注意保护 1.合理装夹工件 对应变形工件采用压床淬火并在淬火时趁热矫正 2.采用热油淬火 表面脱碳 畸变

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变形 3.冷速过快

2. 常见的淬火缺陷 缺陷 产生原因 亚共析钢加热不足，有未溶铁素体 控温仪表故障 预冷时间过长 冷却速度不够 在淬火介质中停留时间不够 钢的淬透性差 氧化和脱碳导致淬火后的硬度降低 预防措施 正确选择并严格控制加热温度、保温时间和炉温的均匀性 定期检查控温仪表 正确控制预冷时间 1.合理选择淬火介质 2.控制淬火介质的温度不超过最高使用温度 3.定期检查或更换淬火介质 正确控制在淬火介质中停留的时间 更换淬透性高的钢或提高冷却速度 1.采取防氧化脱碳措施 2.采取下线加热温度 3.在600℃左右预热，然后再加热到淬火温度，缩短高温加热时间 合理选择材料，对有缺陷的钢材进行预备热处理，以消除缺陷 1.加强工件与介质的相对运动，或对介质进行搅拌 2.保持淬火介质的清洁 3.合理选择淬火介质，碳钢在盐水介质中淬火能有效防止软点的产生 硬度不够 原材料中存在带状组织或大块铁素体组织 冷却不均 1.工件在淬火介质中移动不充分 软点 2.工件上有氧化皮或污物，淬火介质中有肥皂、油污等 3.局部区域冷速过低，以致发生珠光体行转变 1.加热温度过高，或在高温下加1.正确选择淬火加热温度和保温时过热和热时间过长 间 过烧 2.仪表失控而超温 2.定期检查仪表、热电偶 3.经常观察炉膛火色 淬火过程中某一瞬间热应力和组1.合理选择钢材，正确设计结构 治应力的综合作用大于钢的屈服2.正确锻造和进行预备热处理 强度时，就会产生畸变；当两种3.采用合理的热处理工艺 应力的综合作用超过钢的抗拉强a.选择合理的加热规范 度时，则引起工件开裂 b.正确选择淬火介质和淬火方法 畸变 c.对可能产生畸变和开裂的部位采取预防性保护措施 d.合理选择工装、夹具和装炉方式，以减小自重引起的变形 e.正确选择工件淬入方向 f.采取加压淬火、预加变形和预加

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应力淬火等方式 g.工件淬火后及时回火 3. 常见的回火缺陷 缺陷 回火硬度偏高 回火硬度偏低 回火硬度不均 回火畸变 回火脆性 网状裂状 回火开裂 表面腐蚀 产生原因 1.回火温度低 2.保温时间短 1.回火温度高 2.保温时间太短 3.淬火组织中有非马氏体 1.回火温度不均 2.装炉量太大 由回火时消除内应力而引起 1.在回火脆性温度区间回火 2.高温回火引起第二类回火脆性 回火时加入速度太快，表面产生多向拉应力 淬火后因未及时回火形成显微裂纹，在回火过程中发展为开裂 工件淬火后表面附有残盐 预防措施 1.提高回火温度 2.延长保温时间 1.降低回火温度 2.按规定时间保温 3.改进淬火工艺，重新淬火 1.采用有气流循环的设备回火 2.适当减小装炉量 采用回火校正法校正 1.避开第一类回火脆性区回火 2.高温回火后快速冷却 采用较缓慢的加热速度 1.减小淬火开裂 2.淬火后及时回火 淬火后及时清洗工件上的残盐 心得体会

两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，

也培养了我如何去处理分析一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，虽然我是一个人做一个设计课题，什么都靠自己来动手查，但是我还是能和同学相互探讨，从中相互学习的。

课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，这是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．“千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础． 通过这次热处理课程设计，本人在多方面都有所提高。综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次齿轮热处理工艺设计的实际训练，从而培养和提高个人独立工作能力，巩固与扩充了齿轮热处理等课程所学的内容，掌握了热处理的一些方法和步骤，掌握齿轮设计的基本技能，懂得了怎样分析零件的工艺性，怎样确定工艺方案，提高了计算能力，绘图能力，熟悉了规范和标准，同

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时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。此次设计过程中，我发现了我以前搞不懂的东西更加清晰的呈现在我面前，让我更加了解自己只是的缺乏，使自己学习更加有目的性，更有动力，也让我知道了热处理技术是一门很有技术含量、很有发展潜力的新技术。此次的课程设计过程是一个能锻炼我自己动手能力的一个很好的机会，尤其是自己发现了问题，自己看书，上网查阅，问同学，问老师，当弄懂的那一刹那，是一个非常有意义的，非常令人兴奋的时刻。

这次课程设计反应了我个人对热处理知识掌握程度以及综合运用知识的能力，让我体会了学以致用、更感觉到收获自己劳动成果时的喜悦心情，也从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。

在此感谢我们的黄老师.，老师严谨细致、一丝不苟的作风是我们在以后的学习、工作中的榜样，老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。现在的天气很冷，天天都是零下的温度，老师天天往学校赶，为我们解决设计过程中的难题，连周末也没有间断过，这种敬业的程度在大学老师中是非常少的。同时也感谢对我帮助过的同学们，谢谢你们对我的帮助，让我感受到同学的友谊。对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次实习必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！ 由于本人的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教,我十分乐意接受你们的批评与指正，本人将万分感谢。

参考文献：

1.《材料科学基础》 王章忠主编 机械工业出版社 2008.3.第一版 2.《金属组织控制原理》 戴起勋主编 化学工业出版社 2009.1.第一版 3.《金属热处理工艺学》 夏立芳主编 哈尔滨工业大学出版社 2008.5.第四版

4.《金属材料学》 戴起勋主编 化学工业出版社 2005.8.第一版

5.《现代热处理手册》 才鸿年、马建平主编 化学工业出版社 2010.1.第一版

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6.《实用热处理技术手册》 杨满主编 机械工业出版社 2010.6.第一版 7.《典型零件热处理技术》 王忠诚、齐宝森、李杨主编 化学工业出版社 2010.7.第一版

8.《金属热处理原理与工业》 王顺兴主编 哈尔滨工业大学出版社 2009.9.第一版

9.《结构钢及其热处理》 董世柱、徐维良主编 辽宁科技技术出版社 2009.3.第一版

10.《钢套热处理基础》

王忠诚主编 化学工业出版社35

第一版 2008.1.

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6.《实用热处理技术手册》 杨满主编 机械工业出版社 2010.6.第一版 7.《典型零件热处理技术》 王忠诚、齐宝森、李杨主编 化学工业出版社 2010.7.第一版

8.《金属热处理原理与工业》 王顺兴主编 哈尔滨工业大学出版社 2009.9.第一版

9.《结构钢及其热处理》 董世柱、徐维良主编 辽宁科技技术出版社 2009.3.第一版

10.《钢套热处理基础》

王忠诚主编 化学工业出版社35

第一版 2008.1.

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