汽車變速箱齒輪課程設(shè)計(jì)

1、J I A N G S U U N I V E R S I T Y金屬材料綜合課程設(shè)計(jì) -汽車變速箱齒輪熱處理工藝設(shè)計(jì)1. 零件圖圖1 變速箱齒輪示意圖2. 零件的服役條件、性能要求及技術(shù)指標(biāo)齒輪是機(jī)械工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的重要零件之一。其主要作用是傳遞動(dòng)力，改變運(yùn)動(dòng)速度和方向。是主要零件。其服役條件如下：  齒輪工作時(shí)，通過齒面的接觸來傳遞動(dòng)力。兩齒輪在相對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中，既有滾動(dòng)，又有滑動(dòng)。因此，齒輪表面受到很大的接觸疲勞應(yīng)力和摩擦力的作用。在齒根部位受到很大的彎曲應(yīng)力作用；高速齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的過載產(chǎn)生振動(dòng)，承受一定的沖擊力或過載；在一些特殊環(huán)境下，受介質(zhì)環(huán)境的影響而承受其它

2、特殊的力的作用。因此，齒輪的表面有高的硬度和耐磨性，高接觸疲勞強(qiáng)度，有較高的齒根抗彎強(qiáng)度，高的心部抗沖擊能力。高速高載齒輪技術(shù)要求如下： 齒表硬度：5056 HRC      滲碳層深度為： 1.01.2 mm3. 材料選擇高速、高載、承受較大沖擊載荷的齒輪，一般采用低碳合金滲碳鋼或碳氮共滲鋼，工作時(shí)表面承受很大的接觸疲勞應(yīng)力和摩擦力的作用，高速轉(zhuǎn)動(dòng)承受一定的沖擊力或過載。3.1材料比較及選擇齒輪常用材料有20CrMnTi,20CrMo,20Cr,40Cr1) 20CrMnTi是性能良好的滲碳鋼

3、，淬透性較高，經(jīng)滲碳淬火后具有硬而耐磨的表面與堅(jiān)韌的心部，具有較高的低溫沖擊韌性，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。是18CrMnTi的代用鋼，廣泛用作滲碳零件，在汽車.拖拉機(jī)工業(yè)用于截面在30mm以下，承受高速.中或重負(fù)荷以及受沖擊.摩擦的重要滲碳零件，如齒輪.軸.齒圈.齒輪軸.滑動(dòng)軸承的主軸.十字頭.爪形離合器.蝸桿等。2) 20CrMo淬透性較高，無回火脆性，焊接性相當(dāng)好，形成冷裂的傾向很小，可切削性及冷應(yīng)變塑性良好。一般在調(diào)質(zhì)或滲碳淬火狀態(tài)下使用，用于制造在非腐蝕性介質(zhì)及工作溫度低于

4、 250、含有氮?dú)浠旌衔锏慕橘|(zhì)中工作的高壓管及各種緊固件、較高級(jí)的滲碳零件，如齒輪、軸等。3) 20Cr有較高的強(qiáng)度及淬透性，在油中臨界淬透直徑達(dá)4 22mm，在水中臨界淬透直徑達(dá)1140mm，但韌性較差，此鋼滲碳時(shí)仍有晶粒長(zhǎng)大傾向，降溫直接淬火對(duì)沖擊韌性影響較大，所以滲碳后需二次淬火以提高零件心部韌性，無回火脆性；鋼的冷應(yīng)變塑性高，可在冷狀態(tài)下拉絲；可切削性在高溫正火或調(diào)質(zhì)狀態(tài)下良好，但退火后較差；20Cr為珠光體，焊接性較好，焊后一般不需熱處理，但厚度大于15mm的零件在焊前需預(yù)熱到100150，焊后也可不進(jìn)行回火熱處理。4) 40Cr 中碳調(diào)質(zhì)鋼，冷鐓模具鋼。該鋼價(jià)格適中，加工容易，經(jīng)適

5、當(dāng)?shù)臒崽幚硪院罂色@得一定的韌性、塑性和耐磨性。正火可促進(jìn)組織球化，改進(jìn)硬度小于160HBS毛坯的切削性能。在溫度550570進(jìn)行回火，該鋼具有最佳的綜合力學(xué)性能。這種鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)后用于制造承受中等負(fù)荷及中等速度工作的機(jī)械零件；經(jīng)淬火及中溫回火后用于制造承受高負(fù)荷、沖擊及中等速度工作的零件；經(jīng)淬火及低溫回火后用于制造承受重負(fù)荷、低沖擊及具有耐磨性、截面上實(shí)體厚度在25mm以下的零件；經(jīng)調(diào)質(zhì)并高頻表面淬火后用于制造具有高的表面硬度及耐磨性而無很大沖擊的零件。此外，這種鋼又適于制造進(jìn)行碳氮共滲處理的各種傳動(dòng)零件。通過使用性能，工藝性能及經(jīng)濟(jì)性的比較選用20CrMnTi鋼，由于鋼中含有Cr能夠提高淬透性，

6、Cr還是碳化物形成元素，提高回火穩(wěn)定性；Mn能增加鋼的強(qiáng)度和硬度，還有脫硫的功效，也能提高鋼的淬透性；Ti是強(qiáng)碳化物形成元素，在鋼中生成MC型碳化物，對(duì)提高鋼的耐磨性和細(xì)化晶粒有一定的好處。20CrMnTi鋼采用滲碳+淬火+低溫回火，齒輪表面可以獲得5563HRC的高硬度，因淬透性較高，齒心部具有較高的強(qiáng)度和韌性。因而選用20CrMnTi鋼。20CrMnTi的含碳量為0.20屬于低碳鋼,滲碳時(shí)保證了碳元素的正常滲入。淬火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

7、素能提高鋼鐵索體的強(qiáng)度,同時(shí)提高鋼的淬透性。Ti元素能阻止鋼的奧氏體晶粒的長(zhǎng)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(qiáng)韌性,所以要對(duì)20CrMnTi鋼進(jìn)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磨性。3.2 材料成分及合金元素的作用20CrMnTi鋼的具體化學(xué)成分及含量參照表1。 表1 20CrMnTi鋼的化學(xué)成分及含量（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）合金元素CCrMnTiSiSPNiCu含量（wt%）0.170.231.001.300.801.100.040.100.170.370.0350.0350.300.30

8、化學(xué)元素作用 C：保證形成碳化物所需要的碳和保證淬火馬氏體能夠獲得的硬度， Cr：能夠提高鋼的淬透性并有二次硬化作用，還是碳化物形成元素，提高回火穩(wěn)定性，增加鋼的耐磨性。 Mn：主要作用是提高鋼的淬透性，增加鋼的強(qiáng)度和硬度，有脫氧及脫硫的功效（形成MnS），防止熱脆。還可以改善滲碳層，有利于滲碳層增厚，增加奧氏體冷卻時(shí)的過冷度，細(xì)化珠光體組織以改善機(jī)械性能。 Ti：是強(qiáng)碳化物形成元素，在鋼中生成MC型碳化物，對(duì)提高鋼的耐磨性和細(xì)化晶粒有一定的好處。 Si：硅能阻止碳化物形核長(zhǎng)大，使“C”曲線右移，提高鋼的淬透性，還能提高鋼的抗回火性，提高對(duì)鋼的綜合機(jī)械性能。 S：S是鋼中的雜質(zhì)元素，能明顯降低

9、鋼的熱塑性，但是S能改善鋼的可切削性能。 P：P是鋼中的有害雜質(zhì)元素，能降低鋼的強(qiáng)度和韌性。 Ni：降低相變驅(qū)動(dòng)力，使“C”曲線右移，Cr-Ni符合效果更好，提高鋼的淬透性。9 Cu：銅元素比較穩(wěn)定，不易被氧化，所以含有的銅元素能起到耐腐蝕作用。3.3 材料的相變點(diǎn)表2 20CrMnTi相變臨界點(diǎn) 牌 號(hào) 臨界溫度/鍛造加工溫度/正 火Ac1Ac3Ms加熱始鍛溫度/冷卻/硬度HBWAr1Ar3Mf終鍛20CrMnTi7158433601200124011601200950970空冷156207625795>850淬 火回 火溫度/淬火介質(zhì)硬度HRC不同溫度回火后的硬度值HRC150200

10、300400500550600650860油424643414039353025174. 加工路線及工藝工藝路線：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4.1工藝比較1） 預(yù)備熱處理通常20CrMTi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(xì)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。對(duì)于重要的齒輪用調(diào)質(zhì)來改善鋼的性能。在切削加工時(shí)，為了不致發(fā)生“粘刀”現(xiàn)象和使刀具嚴(yán)重磨損，通過改善金相組織控制鋼的硬度。實(shí)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

11、藝可采用淬火后680700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，應(yīng)力集中傾向小，硬度降低至200HB330HB，切削性能較好。調(diào)質(zhì)鋼與正火鋼相比不僅強(qiáng)度較高，而且塑性、韌性遠(yuǎn)高于后者，同時(shí)鍛造應(yīng)力得到充分的消除，滿足了機(jī)械加工要求，在生產(chǎn)中已取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。正火是將鋼加熱到Ac3以上3050，保溫足夠的時(shí)間后出爐在空氣中冷卻到室溫。對(duì)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(xì)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(xì)小的片層狀滲碳體珠光體，強(qiáng)度、硬度都較高，力學(xué)性能較好。然而正

12、火工藝是空冷，對(duì)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(shí)，過冷奧氏體在A1550溫度范圍內(nèi)分解為珠光體，在550Ms溫度范圍內(nèi)，因轉(zhuǎn)變溫度較低轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w組織，其特征是過飽和碳的鐵素體中分布粒狀或長(zhǎng)條狀的碳化物。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(duì)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(duì)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。綜上，對(duì)于汽車變速箱齒輪采用正火工藝作為預(yù)備熱處理。2） 化學(xué)熱處理滲碳工藝滲碳工藝可使齒輪具有很好的綜合力學(xué)性能，因此在汽車齒輪的生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛。目前，世界上汽車齒輪生

13、產(chǎn)所采用的滲碳工藝主要是氣體滲碳，氣體滲碳是低碳鋼生產(chǎn)所采用的最廣泛的表面硬化工藝，國外已實(shí)現(xiàn)通過計(jì)算機(jī)可控滲碳深度和表面硬度，從而得到最佳的滲碳層深度和最小的變形。碳氮共滲工藝碳氮共滲工藝具有在給定時(shí)間內(nèi)有效提高滲層深度、獲得較高硬度、保證奧氏體晶粒細(xì)小、減小零件變形、提高齒輪強(qiáng)度和耐磨性能等優(yōu)點(diǎn)而被頻繁使用。隨著對(duì)齒輪質(zhì)量要求的提高，碳氮共滲工藝由于滲層組織性能不易控制穩(wěn)定，獲得較深滲層所需的時(shí)間長(zhǎng)，該工藝使用日漸減少，只有少數(shù)小模數(shù)低負(fù)荷的汽車齒輪才允許采用。滲氮工藝滲氮工藝是傳統(tǒng)熱處理工藝之一，然而其能否成功地在汽車齒輪上應(yīng)用一直存在疑慮和爭(zhēng)論，主要是滲氮齒輪的承載能力問題，因而長(zhǎng)期以

14、來滲氮齒輪的應(yīng)用受到限制。如美國石油協(xié)會(huì)規(guī)定經(jīng)滲氮的齒輪，只能承受滲碳齒輪接觸疲勞極限的75，而對(duì)齒輪的彎曲疲勞極限也要相應(yīng)降低30。然而，滲氮工藝由于溫度低、畸變小以及加工工序少而使成本降低的優(yōu)點(diǎn)，近年來在齒輪上的應(yīng)用比較廣泛。綜上，本次采用氣體滲碳傳統(tǒng)工藝作為化學(xué)熱處理。4.2 工藝設(shè)計(jì)4.2.1 正火溫度：930時(shí)間：保溫3個(gè)小時(shí)組織：片狀珠光體+鐵素體硬度：齒輪的表面硬度為156207HBW設(shè)備：中溫箱式爐我選擇的變速箱齒輪，它的直徑大約是200mm，內(nèi)圈直徑約為100mm，厚度約是50mm，齒輪正面的圓形面積S約為628mm2，體積V約為31400mm3.材料是低碳合金鋼20CrMn

15、Ti。它的正火溫度在950左右。考慮到中溫爐在中溫測(cè)量時(shí)比較準(zhǔn)確，因而選用中溫箱式爐。結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。標(biāo)準(zhǔn)系列中溫箱式電阻爐技術(shù)數(shù)據(jù)如表3所示。圖2 中溫箱式爐結(jié)構(gòu)圖1爐殼；2爐襯；3熱電偶；4爐膛；5爐門；6爐門升降結(jié)構(gòu)；7電熱元件；8爐底板；型 號(hào)功率/kw電壓/v相數(shù)最高工作溫度/爐膛尺寸（長(zhǎng)×寬×高）/mm爐溫850時(shí)的指標(biāo)空爐損耗功率/kw空爐升溫時(shí)間/h最大裝載量/kgRX(RX3-9Q)RX3-15-9153801950600×300×25052.580RX3-30-9303803950950×450×35072.52

16、00 表3 標(biāo)準(zhǔn)系列中溫箱式電阻爐技術(shù)數(shù)據(jù) 根據(jù)我選擇的齒輪大小，正火選用的電阻爐為RX3-15-9。裝爐量：6個(gè)齒輪在箱式爐中的熱處理 為了讓齒輪在箱式爐中受熱均勻，可以用耐火材料制成料架放進(jìn)箱式爐中，然后將齒輪放在架子上，進(jìn)行加熱。如圖3所示。圖3 箱式爐內(nèi)部示意圖粗加工前，正火選用的爐子是中溫箱式爐，型號(hào)為RX3-15-9，爐膛尺寸（長(zhǎng)×寬×高/mm）為600×300×250，圖中的盛放齒輪的架子為3層，每層可以放兩個(gè)齒輪，共計(jì)6個(gè)，可以用鉗子將齒輪送進(jìn)去。正火工藝曲線如圖4所示。圖4 正火工藝曲線4.2.2 滲碳 滲碳劑的選擇：甲醇、煤油 滴注式

17、氣體滲碳的滲碳劑一般為甲醇（形成載氣），煤油、丙酮、醋酸乙酯（形成富化氣）等，作為滲碳劑的有機(jī)溶劑，要求其單位液體加熱分解后能產(chǎn)生的氣體體積大，碳氧比大，碳當(dāng)量（產(chǎn)生1mol活性碳所需的有機(jī)液體的質(zhì)量）小，氣氛中的CO和H2的含量穩(wěn)定，價(jià)格低廉、貨源充足、安全性好。表4列出了幾種常用作滲碳劑的幾種有機(jī)溶劑的碳當(dāng)量、碳氧比。 表4 常用的有機(jī)液體的滲碳特性名稱分子式碳當(dāng)量/g碳氧比用途甲醇CH3OH1稀釋劑乙醇C2H5OH462滲碳劑丙酮CH3COCH3293強(qiáng)滲碳劑乙酸乙酯CH3COOC2H5442滲碳劑煤油航空煤油、燈用煤油主要成分：C9C14和C11C17的烷烴強(qiáng)滲碳劑 煤油是傳統(tǒng)的滲碳滴

18、注劑，如圖5顯示了煤油熱分解氣成分與穩(wěn)定的關(guān)系。煤油價(jià)格低廉，滲碳能力強(qiáng)，但單獨(dú)使用煤油滲碳會(huì)在高溫裂解后產(chǎn)生大量CH4和C，爐內(nèi)積碳嚴(yán)重，爐內(nèi)氣氛的成分和碳勢(shì)不穩(wěn)定，不易控制?，F(xiàn)在，采用甲醇煤油混合液作為滲碳滴注劑，其中甲醇是稀釋劑，煤油是滲碳劑，可以明顯的減少炭黑。為了保證甲醇和煤油裂解反應(yīng)充分進(jìn)行，應(yīng)保證四個(gè)條件：一是爐氣靜壓1500Pa；二是滴注劑必須直接滴入爐內(nèi)；三是加濺油板；四是滴注劑通過400700溫度區(qū)的時(shí)間0.07s。圖5 煤油熱分解氣成分與溫度的關(guān)系 準(zhǔn)備 a. 按照井式氣體滲碳爐的操作規(guī)程檢查設(shè)備，確保設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。新爐或更換爐襯的爐子，工件滲碳前應(yīng)對(duì)爐罐和掛具進(jìn)行預(yù)先滲

19、碳。預(yù)先滲碳時(shí)間一般為：新爐罐812h，舊爐罐4h左右，掛具4h。 b. 清除工件表面油污、銹斑、毛刺和水跡（常用10%的Na2CO3水溶液、汽油或四氯化碳等作清洗介質(zhì)，以除去油污及其他污染；對(duì)有銹的工件，可用砂紙打磨或進(jìn)行噴砂，或用10%的硫酸水溶液（4080）浸洗，酸洗后應(yīng)有堿中和并清洗干凈），確保工件表面無碰傷或裂紋。 c. 對(duì)工件的非滲碳部位進(jìn)行涂防滲涂料，其厚度一般應(yīng)>0.3mm。此外還可以采取預(yù)留加工量，或?qū)Σ恍枰獫B碳部位用緊密固定的鋼套及軸環(huán)等寶華方法。 d. 試樣的準(zhǔn)備 試樣的材質(zhì)應(yīng)與工件相同。試樣有兩種：一種是10mm×100mm的爐前試棒，用于確定出爐時(shí)間；

20、另一種是與工件形狀相似的隨爐試塊，與工件一起處理，用于檢查滲碳層深度及金相組織。 e. 檢查滲劑的數(shù)量是否充足。 f. 應(yīng)定期清理爐內(nèi)炭黑，以免引起碳層不均。 工件裝爐 a. 將工件裝入料框或掛在吊具上，我的方法是放在我個(gè)人設(shè)計(jì)的托盤上，然后獨(dú)個(gè)的用吊車吊放在井式爐中，裝吊方式要有利于減少工件的變形。 b. 若每層放入的工件不止一個(gè)，工件相互間或工件與料框間的間隙應(yīng)大于5mm，層與層之間也可用絲網(wǎng)隔開，以保證滲碳?xì)夥盏牧魍?，使?jié)B碳層均勻。 c. 在每筐有代表性的位置處方一塊試塊。 d. 裝爐重量及裝料總高度硬小于設(shè)備規(guī)定的最大裝載量和爐膛有效尺寸。 e. 材質(zhì)相同、滲碳層技術(shù)要求相同、滲碳后熱

21、處理方式相同的工件，放在同一路生產(chǎn)。 操作過程 a. 升溫裝爐。將空爐升溫至600，啟動(dòng)風(fēng)扇，在800開始滴入滲劑，到滲碳溫度930即可裝爐（嚴(yán)禁在<750時(shí)向爐內(nèi)滴入任何有機(jī)液體，以防止低溫下其滴入爐內(nèi)造成爆炸）。 b. 工件裝爐后，肯定會(huì)導(dǎo)致爐溫下降，此時(shí)應(yīng)控制爐子的升溫速度，使工件各部分之間不產(chǎn)生明顯的溫差。20CrMnTi鋼是亞共析鋼，原始組織為鐵素體+珠光體，當(dāng)溫度超過Ac1線時(shí)，珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，該轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)力為珠光體與奧氏體的自由焓差。當(dāng)溫度超過Ac3線時(shí)，會(huì)發(fā)生鐵素體與奧氏體之間的相互轉(zhuǎn)變。當(dāng)奧氏體晶核在鐵素體的相界面上形成后，就出現(xiàn)了奧氏體A與原始組織之間的新界面：A

22、/P、A/F。奧氏體晶核的長(zhǎng)大時(shí)通過滲碳體的溶解、碳原子在奧氏體中的擴(kuò)散，以及奧氏體兩側(cè)的界面向鐵素體和滲碳體推移來實(shí)現(xiàn)的。奧氏體的長(zhǎng)大速率受碳的擴(kuò)散控制。具有面心立方晶格的Ni、Mn、Cu等元素以及C會(huì)擴(kuò)大奧氏體相區(qū)，Cr、Ti會(huì)縮小奧氏體相區(qū)。20CrMnTi鋼是本質(zhì)細(xì)晶粒鋼，奧氏體晶粒比較細(xì)，熱處理后強(qiáng)度較高，塑性、韌性也比較好。 c. 排氣階段。工件入爐后，將爐蓋壓緊密封。開始加熱，并啟動(dòng)風(fēng)扇。由于爐溫大幅度下降，同時(shí)還有大量的空氣進(jìn)入爐內(nèi)，因此本階段的作用是要使?fàn)t溫迅速恢復(fù)到規(guī)定是滲碳溫度，同時(shí)，要盡快排除進(jìn)入爐內(nèi)的空氣，防止工件產(chǎn)生氧化。加大甲醇或煤油的滴量可增加排氣速度，使?fàn)t內(nèi)較

23、快形成還原性氣氛或滲碳性氣氛。若用煤油排氣，滴量只能適當(dāng)增加，因?yàn)榇藭r(shí)爐溫較低，煤油分解不完全，滴量過大，易產(chǎn)生大量的炭黑。滴量的大小應(yīng)根據(jù)爐子的容積來確定。排氣階段的時(shí)間，通常是爐子達(dá)到滲碳溫度后再延續(xù)3050min，以便完全清除爐內(nèi)的CO2、H2O、O2等氧化脫碳性氣體。當(dāng)?shù)稳霛B碳劑時(shí)，應(yīng)打開排氣孔進(jìn)行排氣，將廢氣點(diǎn)燃。待爐溫達(dá)到900時(shí)，加大滲碳劑的滴量，加速排氣，至CO2體積分?jǐn)?shù)小于0.5%是排氣結(jié)束（注意：僅憑火苗顏色判斷排氣程度的做法是不正確的）。 d. 滲碳階段。此階段的作用是滲入碳原子，并獲得一定深度的滲層。主要分為三個(gè)階段：滲碳介質(zhì)的分解、工件對(duì)碳原子的吸收、碳原子的擴(kuò)散。第

24、一階段分解階段是指滲碳劑通過反應(yīng)，形成了滲入鋼表面的活性碳原子。這里是煤油在930時(shí)發(fā)生分解反應(yīng)，分解后產(chǎn)生CO、CH4、CnH2n+2、CnH2n、H2、CO2、O2、N2等氣體，其中CO為弱滲碳?xì)怏w，CH4為強(qiáng)滲碳?xì)怏w，在930是，會(huì)在工件的表面進(jìn)一步分解，形成滲入能力很高的活性碳原子C。第二階段吸收階段是活性碳原子C被工件表面吸附、吸收的過程。在吸碳期間，需要煤油提供足夠的活性碳原子，有利于工件表面對(duì)碳原子的吸收，活性碳原子少了的話會(huì)使工件表面含碳量降低，活性碳原子太多，則多余的碳原子又會(huì)結(jié)合成分子溢出，形成炭黑，影響滲碳的正常進(jìn)行。吸收期也要控制好爐壓，將煤油的滴量適當(dāng)減少，保證滲碳所

25、需要的碳勢(shì)，形成表面碳濃度較高的碳層。第三階段擴(kuò)散階段工件表面吸收了活性碳原子，碳濃度大大提高，沿著碳梯度的下降逐漸向內(nèi)部滲入，完成工件表面的碳成分的變化。在擴(kuò)散階段，若吸收的活性碳原子數(shù)量小于擴(kuò)散的數(shù)量，會(huì)造成表面碳含量達(dá)不到要求，擴(kuò)散速度會(huì)減慢。因此，擴(kuò)散速度直接影響到整個(gè)滲碳過程的周期。此為滲碳的過程。 在排氣結(jié)束后，進(jìn)入滲碳階段，放入試棒，關(guān)好試棒孔。調(diào)整滲劑滴量，調(diào)整爐內(nèi)壓力為200500Pa。排氣管的廢氣火焰應(yīng)穩(wěn)定，呈淺黃色，長(zhǎng)度在80120mm之間，無黑煙和火星。根據(jù)火焰燃燒的狀況可判斷爐內(nèi)的工作情況，若火焰中出現(xiàn)火星，說明爐內(nèi)炭黑過多；若火焰過長(zhǎng)，尖端外緣呈白亮色，說明滲碳劑供

26、給量太多；火焰太短，外緣為透明的淺藍(lán)色，表面滲碳劑供給量不足或是爐子漏氣。 e. 使用RQ系列氣體滲碳爐進(jìn)行滲碳時(shí)，推薦采用煤油與甲醇作滴注劑，并保持清潔，使用時(shí)，根據(jù)滲碳過稱各階段的碳勢(shì)需要，以兩者不同的比例分別滴入。一般情況下，排氣階段不滴煤油，強(qiáng)滲階段不滴甲醇，擴(kuò)散階段煤油與甲醇以21（體積比）滴入。 f. 氣體滲碳時(shí)，滲劑的消耗量與爐型、裝爐量及滴注劑種類有關(guān)。一般情況以每100cm2的滲碳面積，滴入1.01.2cm3/h的滲劑為宜。在升溫和保溫時(shí)，不同的爐型，滴入量也不同。表5是RQ3-25-9型井式爐中滲碳煤油的滴量表5 RQ3-25-9井式爐中滲碳 煤油的滴量滲碳層深度工件滲碳總

27、面積/cm2滴入量/（滴/min）說 明階 段120.81.2100008060強(qiáng)滲后，按第二階段供給10000200008565 我設(shè)計(jì)的齒輪齒頂圓的直徑為20cm，厚度為5cm，單個(gè)齒輪的齒表面滲碳面積為314cm2，每爐放6個(gè)工件，總面積小于10000cm2，所以第一階段滴入量為小于80滴/min，第二階段滴入量為小于60滴/min. g. 降溫冷卻階段。在滲碳階段結(jié)束前3060min，檢查爐前試棒的滲層深度，以確定降溫的開始時(shí)間。檢查方法有斷口目測(cè)法和爐前快速分析法。斷口目測(cè)法是將滲碳試棒從爐中取出，淬火后打斷，觀察斷口，滲碳層呈白色瓷狀，未滲碳部分為灰色纖維狀，交界處的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)月

28、為0.4%，用讀數(shù)放大鏡測(cè)量表面至交界處的厚度?；?qū)⒃嚢魯嗫谠谏拜喩夏テ剑?%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的硝酸酒精溶液侵蝕磨面，幾秒鐘后會(huì)出現(xiàn)黑圈。黑圈的厚度即可近似的代表滲碳層的深度，也用個(gè)讀數(shù)放大鏡測(cè)量。當(dāng)將至規(guī)定的溫度后，工件出爐。吊車一件一件的吊出托盤。然后是下一步的熱處理，可以預(yù)冷，保溫一段時(shí)間直接放入油中淬火，也可以在空氣中散開冷卻，再淬火，此時(shí)的冷卻過程中，工件的表面，即齒表容易氧化脫碳，形成貧碳層，會(huì)影響其實(shí)用性能，因此可以向冷卻坑中倒入一些煤油或者酒精，也可以用噴霧加速冷卻，來減少表面的脫碳。 h. 滲碳過程中，為防止產(chǎn)生炭黑和加速擴(kuò)散，可以通入少量的氨氣。滲碳后的表層組織為細(xì)針狀或隱晶

29、馬氏體+細(xì)顆粒狀彌散均勻分布的碳化物+少量殘余奧氏體。 滲碳過程中的時(shí)間t 氣體滲碳是目前應(yīng)用比較多的滲碳方法，在社團(tuán)過程中，控制的工藝參數(shù)主要有滲碳溫度、滲碳時(shí)間、爐內(nèi)氣氛的碳勢(shì)三項(xiàng)。滲碳時(shí)間決定于滲碳層的技術(shù)要求。一般情況下，滲碳層深度與滲碳溫度、滲碳時(shí)間的關(guān)系可利用Harris公式估算： 式中:H,滲碳層深度，mm;T,滲碳溫度，K；t，滲碳時(shí)間，h。 當(dāng)溫度在930時(shí)，滲碳層深度是11.2mm時(shí)，滲碳時(shí)間約為2.5h。 滲碳設(shè)備：RQ3-25-9井式滲碳爐 滲碳爐是新型節(jié)能周期作業(yè)式熱處理電爐，主要供鋼制零件進(jìn)行氣體滲碳。由于選用超輕質(zhì)節(jié)能爐襯材料和先進(jìn)的一體化水冷爐用密封風(fēng)機(jī)，滲碳爐

30、爐溫均勻、升溫快、保溫好 ，工件滲碳速度加快，碳勢(shì)氣氛均勻，滲層均勻，在爐壓提高時(shí)，亦無任何泄漏，提高了生產(chǎn)效率和滲碳質(zhì)量。RQ系列井式氣體滲碳爐系周期作業(yè)式電爐，主要供碳鋼機(jī)件的氣體滲碳等用。與電爐控制柜配合使用可自動(dòng)控制及自動(dòng)記錄電爐的溫度其結(jié)構(gòu)主要由爐體、加熱元件和溫控系統(tǒng)組成。爐體外殼由型鋼及鋼板焊接而成，內(nèi)用超輕質(zhì)高鋁泡沫磚砌筑成爐膛.保溫層采用硅酸鋁耐火纖維、硅藻土散料結(jié)構(gòu)，以提高爐體保溫性能。加熱元件安放在磚上，并有電阻絲小鉤使其定位。爐膛內(nèi)有一耐熱板焊接成爐罐及料筐，被處理工件安放在料筐內(nèi)。為使被處理工件均勻的與滲碳?xì)怏w接觸，在爐殼上裝有通風(fēng)機(jī)，用來強(qiáng)制氣流循環(huán)，以使?fàn)t內(nèi)溫度和

31、氣體均勻。在風(fēng)機(jī)軸套上有一防止漏氣的密封裝置，并采用冷卻水冷卻。爐蓋的升降均有液壓升降機(jī)構(gòu)來完成。當(dāng)需將爐蓋升起時(shí)，只要開動(dòng)液壓裝置，爐蓋即徐徐上升；如需爐蓋下降，只要旋松液壓裝置中內(nèi)螺紋截止閥，爐蓋即緩緩下降。在升降軸處，有兩限位開關(guān)，當(dāng)升降軸上升時(shí)，下面一個(gè)限位開關(guān)自動(dòng)切斷電動(dòng)風(fēng)機(jī)電源，以免操作發(fā)生危險(xiǎn)；當(dāng)爐蓋升足時(shí)，上面一個(gè)限位自動(dòng)切斷液壓裝置的電源，以防升降軸頂出油缸發(fā)生意外。 RQ系列電爐的液體滴入系統(tǒng)備有可進(jìn)行三種液體同時(shí)滴入的滴量器，并可通過流量計(jì)及針形閥控制其流量。在爐蓋上方設(shè)有水冷卻的試樣管、取氣孔、排氣孔，如與紅外線CO2分析儀配合及改裝，則可進(jìn)行碳勢(shì)自動(dòng)控制的工藝操作。表

32、6 常用RQ系列滲碳井式爐的型號(hào) 型號(hào)額定功率/kW額定電壓/V相數(shù)額定溫度/工作空間尺寸（直徑×深度）/mm在950時(shí)有關(guān)指標(biāo)空爐損耗功率/kW空爐損耗升溫時(shí)間/h最大裝載量/kWRQ3-25-9253803950300×45072.550RQ3-35-9353803950300×60092.570RQ3-60-9603803950450×600122.5150RQ3-75-9753803950450×900142.5220RQ3-90-9903803950600×900163.0400RQ3-105-91053803950600&

33、#215;1200183.0500根據(jù)我選擇的齒輪大小，選擇型號(hào)為RQ3-25-9系列的井式滲碳爐比較合適 滲碳工藝曲線 圖6 齒輪在井式爐中的滲碳工藝曲線滲碳層組織 齒輪滲碳冷卻后，一般認(rèn)為工件滲碳層表層應(yīng)有細(xì)針狀或隱晶馬氏體+細(xì)顆粒狀彌散均勻分布的碳化物+少量殘余奧氏體；工件心部應(yīng)為細(xì)晶粒低碳馬氏體組織，不允許有大塊的鐵素體存在，此時(shí)工件畸變量最小；表層與心部之間的組織為高碳馬氏體+殘余奧氏體。滲碳層性能 滲碳層的性能取決于表面含碳量及其分布梯度和淬火后的滲層組織，一般希望滲層碳分布梯度平緩。但由于殘余奧氏體較軟，塑性較高，借助微區(qū)域的塑性變形，可以弛豫局部應(yīng)力，延緩裂紋的擴(kuò)展，滲碳層中有

34、25%30%的殘余奧氏體，反而有利于提高接觸疲勞強(qiáng)度。表面粒狀碳化物增多，將提高表面耐磨性及接觸疲勞強(qiáng)度，碳化物數(shù)量過多，特別是呈粗大網(wǎng)狀或條塊狀時(shí)，將使沖擊韌度，疲勞強(qiáng)度等性能變壞，應(yīng)加以限制。 4.2.3 淬火為了使工件獲得表硬內(nèi)韌的性能要求，工件滲碳后必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚恚捎邶X輪的材料是20CrMnTi鋼，是本質(zhì)細(xì)晶粒鋼，特別是鋼中含有的強(qiáng)碳化物形成元素Ti，強(qiáng)烈阻止奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間滲碳后奧氏體晶粒并不明顯長(zhǎng)大，故可以用預(yù)冷直接淬火法。正常加熱冷卻情況下， 工件加熱到860后，保溫一段時(shí)間，使之奧氏體化后用油冷卻至室溫，得到馬氏體和殘余奧氏體，具有較高的硬度。溫度：860滲

35、碳后的齒輪溫度在930左右，此時(shí)可以將齒輪留在滲碳爐中冷卻，即預(yù)冷，冷卻到860時(shí)，保溫一段時(shí)間，取出后立即放入油中，這樣對(duì)齒輪淬火，操作比較簡(jiǎn)單，降低了成本，提高了生產(chǎn)效率，也可以達(dá)到齒輪需要的要求，且齒輪氧化、脫碳及淬火變形均小。淬火介質(zhì)：油冷 淬火設(shè)備: 淬火油槽鋼的加熱溫度一般可根據(jù)Fe-Fe3C相圖選擇，20CrMnTi鋼為亞共析鋼，淬火加熱溫度選擇Ac3以上3050。根據(jù)滲碳后齒輪的表層含碳量的分布狀況及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)從930預(yù)冷到860左右進(jìn)行油冷可以得到好的效果。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

36、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(shí)也能獲得馬氏體組織，達(dá)到較高的硬度。保溫時(shí)間的確定 淬火加熱時(shí)間包括升溫和保溫時(shí)間兩段時(shí)間，升溫時(shí)間包括相變重結(jié)晶時(shí)間，保溫時(shí)間實(shí)際上只考慮碳化物溶解和奧氏體成分均勻化所需要的時(shí)間。 在具體的生產(chǎn)條件下，淬火加熱時(shí)間常用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，通過實(shí)驗(yàn)最終確定。常用的經(jīng)驗(yàn)公式為： = aKD 式中：，加熱時(shí)間，min；a，加熱系數(shù)，min/mm；K，裝爐修正系數(shù)；D，工件有效厚度，mm。 加熱系數(shù)a表示工件單位厚度需要的加熱時(shí)間，其大小與工件尺寸、加熱介質(zhì)和鋼的化學(xué)成分有關(guān)，下表是常用鋼的加熱系數(shù)。表7 常用鋼的加熱系數(shù)工件材料

37、工件直徑/mm600箱式爐中加熱750850鹽爐中加熱或預(yù)熱800900箱式爐或井式爐中加熱10001300高溫鹽爐中加熱碳鋼500.30.41.01.2500.40.51.21.5合金鋼500.450.501.21.5500.500.551.51.8高合金鋼0.300.400.300.350.170.2高速鋼0.300.350.160.180.650.850.160.18 根據(jù)設(shè)計(jì)的20CrMnTi鋼齒輪，加熱系數(shù)a的大小取1.5。 裝爐量修正系數(shù)K是考慮裝爐的多少和方式來確定的。工件在爐內(nèi)的排布方式直接影響熱量傳遞的通道，齒輪在爐中的擺布如圖7： 圖7 齒輪在爐中的擺放 修正系數(shù)K的值取2

38、.2所以，淬火加熱時(shí)間 aKD 155min 2.5h因?yàn)樯郎睾捅禺?dāng)中有滲碳的過程，所以除去滲碳時(shí)間。齒輪的升溫時(shí)間為1.5h，所以得到保溫時(shí)間是1.0h。4.2.4 回火 齒輪淬火后具有較高的強(qiáng)度和硬度，其淬火組織主要是韌性很差的孿晶馬氏體，有較大的淬火內(nèi)應(yīng)力和一些微裂紋，所以回火應(yīng)該及時(shí)點(diǎn)。在180回火能使孿晶馬氏體中過飽和的固溶碳原子沉淀析出彌散分布的碳化物，既可以提高鋼的韌性，又保持了鋼的硬度、強(qiáng)度、耐磨性。在180回火時(shí)，大部分裂紋已經(jīng)焊合，可大大減輕工件的脆裂傾向。低溫回火得到隱晶的回火馬氏體及在其上分布的均勻細(xì)小的碳化物顆粒，硬度可以達(dá)到55HRC以上。 回火的保溫時(shí)間：2h

39、回火時(shí)間一般為13小時(shí)表8 在空氣爐中保溫時(shí)間有效厚度/mm2020404060608080100保溫時(shí)間/min30454560609090120120150 合金鋼的保溫時(shí)間按上述表格中所列出的時(shí)間增加20%30%，空氣爐低溫回火的保溫時(shí)間不得低于120min；裝爐量大時(shí)，保溫時(shí)間應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)。所以齒輪的保溫時(shí)間確定為2h。 材料的組織及性能 加熱溫度為180。加熱到100時(shí)馬氏體開始分解，共格析出-碳化物，回火保溫足夠長(zhǎng)的時(shí)間后得到回火馬氏體，硬度和耐磨性高。低溫回火時(shí)馬氏體中過飽和碳原子以碳化物的形式逐步析出, 馬氏體晶格畸變程度減弱,內(nèi)應(yīng)力有所降低。此時(shí)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-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(duì)基體起強(qiáng)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。鋼中含有的Si元素能提供鋼的回火抗性，Cr元素能提高回火穩(wěn)定性?；鼗鹪O(shè)備：低溫箱式爐低溫箱式爐的最高工作溫度為6