20CrMnTi汽車變速箱齒輪的熱處理工藝

1、20CrMnTi汽車變速箱齒輪的熱處理工藝、學(xué)習(xí)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo):熟悉感應(yīng)加熱表面淬火原理、特點(diǎn)及應(yīng)用；了解火焰表面淬火原理、特點(diǎn)及應(yīng)用；了解化學(xué)熱處理過程；掌握滲碳、滲氮和碳氮共滲原理、特點(diǎn)、常用方法及應(yīng)用。能力目標(biāo)：能根據(jù)零件的化學(xué)成分、性能要求和技術(shù)條件，合理選擇表面淬火和化學(xué)熱處理方 法。、任務(wù)引入變速箱齒輪位于汽車傳動(dòng)部分，用于傳遞扭矩與動(dòng)力、調(diào)整速度。由于傳遞扭矩，齒根要承受較大的彎曲應(yīng)力和交變應(yīng)力；由于變速箱齒輪轉(zhuǎn)速變化范圍廣，齒輪表面承受較大的接觸應(yīng)力，并在高速下承受強(qiáng)烈的磨擦力；由于工作時(shí)不斷換檔， 輪齒之間經(jīng)常要承受換檔造成的沖擊與碰撞。 這就要求齒輪表面有高硬度和高耐磨性；齒

2、面有高的接觸疲勞強(qiáng)度；心部有較高的強(qiáng)度和高韌性。圖2-25所示20CrMnTi汽車變速箱齒輪的熱處理技術(shù)要求如下：1. 滲碳層表面含碳量為 0.801.05%;2. 滲碳層深度為0.801.3mm ；3. 淬火回火后齒面硬度為 5862HRC，心部硬度為3348HRC。 102巾651一1-J2圖2-25汽車變速箱齒輪簡圖、相關(guān)知識(shí)在機(jī)械設(shè)備中，有許多零件（如齒輪、曲軸、活塞銷等）是在沖擊載荷及表面摩擦條件 下工作的，這類零件表面需具有高硬度和高耐磨性，而心部需要足夠的塑性和韌性。為滿足這類零件的性能要求， 須進(jìn)行表面熱處理。 常用的表面熱處理方法有表面淬火及化學(xué)熱處理 兩種。（一）鋼的表面淬

3、火表面淬火是通過快速加熱， 使鋼件表層奧氏體化， 然后迅速冷卻，使表層形成一定深度 的淬硬組織一一馬氏體，而心部仍保持原來塑性、韌度較好的組織的熱處理工藝。在鋼的表面淬火法中，感應(yīng)加熱淬火應(yīng)用最廣。1. 感應(yīng)加熱表面淬火感應(yīng)加熱表面淬火時(shí)，將工件放在銅管制成的感應(yīng)器內(nèi)，即圖2-26所示裝置中，感應(yīng)器中通入一定頻率的交流電，以產(chǎn)生交變磁場，于是工件內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生頻率相同、方向相反的感應(yīng)電流（渦流）。由于渦流的趨膚效應(yīng)，使渦流在工件截面上的分布是不均勻的，表面 電流密度大，心部電流密度小。感應(yīng)器中的電流頻率越高，渦流越集中于工件表面。由于工件表面渦流產(chǎn)生的熱量，使工件表面迅速加熱到淬火溫度（心部溫度

4、仍接近室溫），隨即噴水快速冷卻（合金鋼浸油冷卻），從而達(dá)到了表面淬火的目的。圖2-26 感應(yīng)加熱淬火示意圖1-感應(yīng)加熱圈；2-進(jìn)水；3-出水；4-淬火噴水套；5、7-水；6-加熱淬硬層；8-間隙（1.53mm）; 9-工件 感應(yīng)加熱淬火表面淬硬層的厚度取決于交流電的頻率，一般頻率高加熱深度淺，淬硬層深度也就淺。頻率 f與加熱深度3的關(guān)系采用下面近似經(jīng)驗(yàn)公式表示：20/."f （20 C 冷態(tài)）500/ ； f（800C 熱態(tài)）式中：f的單位是 Hz;3的單位是 mm。為了得到不同的淬硬層深度，可采用不同頻率的電流進(jìn)行加熱，電流頻率與淬硬層深度的關(guān)系見表2-3。表2-3感應(yīng)加熱淬火的頻

5、率選擇加熱方法頻率范圍淬硬層深度/ mm應(yīng) 用 舉 例高頻感應(yīng)加熱200300kHz12在摩擦條件下工作的零件，如小齒輪、小軸等中頻感應(yīng)加熱110kHz210承受扭矩、壓力載荷的零件，如曲軸、大齒輪、主軸等工頻感應(yīng)加熱50Hz1015承受扭矩、壓力載荷的大型零件，如冷軋輥等2. 火焰加熱表面淬火應(yīng)用氧-乙炔或氧-煤氣的混合氣體燃燒的火焰對零件表面進(jìn)行快速加熱并隨之快速 冷卻的工藝稱為火焰加熱表面淬火。如圖2-27所示?；鹧姹砻娲慊鸬拇阌矊由疃纫话銥?6mm。這種方法的特點(diǎn)是：加熱溫度及淬硬層深度不易控制，淬火質(zhì)量不穩(wěn)定，常造成表層過熱，甚至局部熔化。但不需要特殊設(shè)備，故適 用于單件或小批量生產(chǎn)

6、。圖2-27 火焰淬火示意圖1-噴水管；2-淬硬層；3-工件；4-燒嘴（二）鋼的化學(xué)熱處理將工件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種化學(xué)元素的原子滲入它的表層， 以改變其化學(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝，叫做化學(xué)熱處理。常用的化學(xué)熱處理有滲碳、 滲氮、碳氮共滲和滲金屬等。1. 滲碳滲碳是指將工件置于滲碳介質(zhì)中加熱保溫，使碳原子滲入表層的化學(xué)熱處理工藝。滲碳適用于承受沖擊載荷和強(qiáng)烈摩擦的低碳鋼或低碳合金鋼工件，如汽車和拖拉機(jī)的齒輪、凸輪、活塞銷等零件。其目的是在保持零件心部高韌性的條件下，得到具有高硬度的表面層，以提高零件的耐磨性和疲勞強(qiáng)度。滲碳層深度一般為 0.52.0mm，含碳量從表面

7、到心部逐漸減少， 表面wc=o.8%1.1%，心部仍保持原來低碳鋼的含碳量。滲碳后必需經(jīng)淬火和回火處理后， 才能達(dá)到表面高硬度、心部高韌性的要求。根據(jù)滲碳劑不同，滲碳可分為氣體滲碳、固體滲碳及鹽浴滲碳三種，目前常用的是前兩種，應(yīng)用最廣泛的是氣體滲碳。（1 ）氣體滲碳?xì)怏w滲碳是將工件置于密封的加熱爐（如井式滲碳爐）中,通入滲碳?xì)怏w（如煤氣、天然氣等）或滴入易于分解和氣化的液體（如煤油、丙酮、甲醇等），并加熱到滲碳溫度（900 C950 C）,使工件在高溫滲碳?xì)夥罩羞M(jìn)行滲碳的一種熱處理工藝方法，圖2-28為氣體滲碳示意圖。圖2-28氣體滲碳示意圖1-風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)；2-廢氣火焰；3-爐蓋；4-電阻絲；

8、5-耐熱罐；6-工件；7-爐體氣體滲碳過程中滲碳劑在高溫下分解，產(chǎn)生活性碳原子，其反應(yīng)式如下：2C» C+ C02CH4 t 2H2 + C CO+H 2H 2O+ C隨后活性碳原子被工件表面吸收而溶于高溫奧氏體中，并向內(nèi)部擴(kuò)散形成一定深度的 滲碳層。氣體滲碳的滲碳層質(zhì)量好，滲碳過程容易控制，生產(chǎn)率高，勞動(dòng)條件較好，易于實(shí)現(xiàn) 機(jī)械化和自動(dòng)化。但設(shè)備成本較高，維護(hù)調(diào)試要求較高，因此不適宜單件和小批量生產(chǎn)。（2 ）固體滲碳固體滲碳是將工件置于四周填滿固體滲碳劑的密封箱中，然后放入加熱爐內(nèi)，加熱到900C 950C，保溫一定時(shí)間后出爐空冷的熱處理工藝（圖2-29）。固體滲碳劑主要由供碳劑（

9、木炭）和催滲劑（碳酸鹽如碳酸鋇）組成。其活性碳原子是依靠 木炭的不完全燃燒所產(chǎn)生的一氧化碳在工件表面分解獲得的。因此，固體滲碳實(shí)際也是在氣體中進(jìn)行的，故滲碳的基本原理和過程與氣體滲碳相似。卜： - . ' 、 f遼匚n匚二）弋 Jr1 匚二:圖2-29固體滲碳裝置1-泥封；2-蓋；3-試棒；4-零件；5-滲碳劑；6-滲碳箱2. 滲氮滲氮又稱氮化，將工件置于含氮介質(zhì)中加熱至500C 560C時(shí)，介質(zhì)中分解出的活性氮原子滲入工件表層的化學(xué)熱處理工藝。 其目的是將氮原子滲入工件表面， 形成以氮化物為主 的滲氮層（滲氮層深度一般為 0.6 0.7mm ）,以提高工件表層的硬度、耐磨、耐蝕和耐疲

10、勞 強(qiáng)度等多種性能，廣泛應(yīng)用于承受沖擊、交變載荷和強(qiáng)烈摩擦的中碳合金結(jié)構(gòu)鋼重要精密零 件，如精密機(jī)床絲杠、鏜床主軸、汽輪機(jī)的閥門、閥桿等。滲氮的方法很多，目前應(yīng)用最多的滲氮方法為氣體滲氮和離子滲氮。（ 1）氣體滲氮?dú)怏w滲氮是將工件放入密閉的爐內(nèi)，加熱到500C 600C，通入氨氣（NH3）,氨氣分解出活性氮原子被工件表面吸收，與鋼中的合金元素Al 、Cr、Mo 形成氮化物，并向心部擴(kuò)散，形成一定厚度的滲層。氣體滲氮適用于含有Al、Cr、？Mo?等合金元素的鋼，最常用的滲氮用鋼如 38CrMoAl 、 35CrMo、 18CrNiW 等。滲氮的生產(chǎn)周期長，滲氮層薄而脆，不 宜承受集中的重載荷，使

11、滲氮的應(yīng)用受到一定限制。（2）離子滲氮離子滲氮是工件在密封爐內(nèi)作陰極， 密封爐抽真空后通入氨氣， 并在相對應(yīng)的陽極和陰 極之間加上 500800V 的高壓直流電，使氨氣電離產(chǎn)生氮離子，在高壓電場作用下，氮離子 轟擊陰極工件表面，在工件表面形成輝光放電并產(chǎn)生高溫。 氮離子在陰極獲得電子后， 還原 成氮原子，并向工件表層滲入擴(kuò)散，形成滲氮層。離子滲氮具有速度快、 生產(chǎn)周期短（滲氮時(shí)間僅為氣體滲氮的 1/31/4）、滲氮層質(zhì)量高、 工件變形小、對材料的適應(yīng)性強(qiáng)（適用于各種鋼、鑄鐵和鈦等金屬材料）等優(yōu)點(diǎn)，目前離子 滲氮還存在投資大、 裝爐量小、測溫困難及質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，需要進(jìn)一步改進(jìn)， 主要用于 要

12、求高的重要精密件。3. 碳氮共滲在一定溫度下，將碳、氮原子同時(shí)滲入工件表層奧氏體中， 并以滲碳為主的化學(xué)熱處理 工藝稱為碳氮共滲，其目的是提高工件的耐磨性和疲勞強(qiáng)度。 目前主要使用的是氣體碳氮共 滲。氣體碳氮共滲又稱氰化。高溫（820 C 880 C）碳氮共滲，以滲碳為主，氣氛中含有一 定氮時(shí)，碳的滲入速度比相同溫度下單獨(dú)滲碳的速度要高，厚度更深。低溫（520C 580 C）碳氮共滲，以滲氮為主，共滲后表面形成白亮層， 可大大提高工件的耐磨性和抗咬卡、 抗擦 傷的性能。碳氮共滲與滲碳相比，具有加熱溫度低，零件變形小，生產(chǎn)周期短，滲層具有較高的硬 度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于自行車、縫紉

13、機(jī)、儀表零件，齒輪、軸類等機(jī)床、 汽車的小型零件，以及模具、量具和刃具等表面處理。四、任務(wù)實(shí)施根據(jù) 20CrMnTi 變速箱齒輪的工作條件、失效形式及對變速箱齒輪的技術(shù)條件要求確定： 為消除經(jīng)過鍛造的變速箱齒輪毛坯的內(nèi)應(yīng)力、 細(xì)化晶粒、均勻組織，并改善切削加工性 能，為淬火作好組織準(zhǔn)備，可采用退火或正火作為預(yù)備熱處理。由于變速箱齒輪尺寸較小， 且厚度較均勻，在正火、退火均可使用的前提下， 為提高工作效率，宜選用正火作為預(yù)備熱 處理。因零件硬度較高，除磨削加工之外不宜進(jìn)行其他形式的切削加工， 故最終熱處理均安排 在半精加工之后，磨削加工之前。采用的最終熱處理工藝為：先滲碳，使表面碳含量增加， 心

14、部仍維持低的含碳量，保持心部較高的強(qiáng)度和沖擊韌性；滲碳之后進(jìn)行淬火和低溫回火， 使輪齒表面硬度達(dá)到高硬度要求，心部仍維持較低的硬度。變速箱齒輪的加工工藝路線為：下料 t 鍛造 t 正火 t粗、半精切削加工 t 滲碳 t淬 火、低溫回火 t 噴丸處理 T 加工花鍵 T 磨端面 T 磨齒 T 最終檢驗(yàn)五、能力訓(xùn)練C616車床主軸的熱處理工藝主軸在機(jī)床上是傳遞動(dòng)力的零件，常承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、疲勞、沖擊載荷，同時(shí)在滑動(dòng) 與轉(zhuǎn)動(dòng)部位受摩擦作用，因此主軸性能要求具有高強(qiáng)度、硬度、足夠的韌性及疲勞強(qiáng)度、 變形要小。如圖2-30所示的C616車床主軸采用45鋼制造。K35丹293-L -J1UhL圖2-30C6

15、16車床主軸簡圖熱處理工藝路線為：粗加工t正火t機(jī)加工t高頻淬火t回火t磨削1.正火：840C860C, 11.5h后空冷，工藝曲線如圖2-31所示。860880v220 250X：時(shí)間(h)圖2-31機(jī)床主軸正火工藝曲線圖 2-32機(jī)床主軸高頻感應(yīng)淬火回火工藝曲線2.高頻感應(yīng)淬火: 工藝如圖2-32所示。860 C 880 C水冷,220C 250 C、1.5h 回火，硬度為 4550HRC ,六、經(jīng)驗(yàn)交流常見熱處理缺陷及對策1.過熱與過燒工件在熱處理時(shí)， 若加熱溫度過高或保溫時(shí)間過長， 使奧氏體晶粒顯著長大的現(xiàn)象稱為 過熱， 過熱一般可以用正火來消除。 若加熱溫度接近開始熔化的溫度， 使晶界處產(chǎn)生熔化或 氧化的現(xiàn)象稱為過燒，過燒無法挽回，只能報(bào)廢。2.氧化與脫碳氧化是指工件被加熱介質(zhì)中的 O2、CO2、H 2O 等氧化后，使其表面形成氧化皮的現(xiàn)象。脫碳是指工件表面的碳被加熱介質(zhì)中的O2、CO2、H 2O 等燒損，使其表面含碳量下降的現(xiàn)