2022年螺旋錐齒輪熱處理生產(chǎn)工藝過程設(shè)計

1、1 前言零件設(shè)計是一個工程技術(shù)人員應(yīng)該具備的最基本的專業(yè)技能。零件分析是認(rèn)識零件的過程，是確定零件表達方案的前提，一個好的視圖表達方案離不開對零件的全面、透徹、正確分析。零件分析也是確定零件的尺寸標(biāo)注以及確定零件的技術(shù)要求的前提，因此，零件分析是繪制零件圖的依據(jù)。零件的工藝結(jié)構(gòu)分析就是要求設(shè)計者從零件的材料、鑄造工藝、機械加工工藝乃至于裝配工藝等各個方面對零件進行分析，以便在零件的視圖選擇過程中，考慮這些工藝結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化等特殊要求和規(guī)定，使零件視圖表達更趨完整、合理。課程設(shè)計可以培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識，發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實際問題的能力，是鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié)，是對學(xué)生實際工作能力的具體

2、訓(xùn)練和考察過程。熱處理生產(chǎn)工藝過程設(shè)計是金屬材料工程專業(yè)課程教學(xué)的一個重要環(huán)節(jié)。通過這一環(huán)節(jié)，可以使我們初步掌握典型零部件生產(chǎn)工藝過程；掌握典型零件的選材、熱處理原則和工藝制定原理；理論聯(lián)系實際，綜合運用基礎(chǔ)課及專業(yè)課程多方面的知識去認(rèn)識和分析零部件熱處理生產(chǎn)過程的實際問題，培養(yǎng)解決問題的能力。熱處理工藝是整個機器零件和工模具制造的一部分，熱處理是通過改變鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，以改善鋼的性能，通過適當(dāng)?shù)臒崽幚砜梢燥@著提高鋼的機械性能，延長機器零件的使用壽命。熱處理工藝不但可以強化金屬材料、充分挖掘材料性能潛力、降低結(jié)構(gòu)重量、節(jié)省和能源，而且能夠提高機械產(chǎn)品質(zhì)量、大幅度延長機器零件的使用壽命。任何一

3、種熱處理工藝都不是絕對的完美，所以經(jīng)熱處理后的材料會有不同程度的缺陷，對零件的缺陷進行分析也也是零件設(shè)計必不可少的步驟。合理選擇檢驗設(shè)備以及正確的檢驗方法是做好檢驗的必要條件。通過課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，我們才能從中獲得真正的知識，有了真正的知識，才能提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。2 零件圖分析 圖1 零部件圖技術(shù)參數(shù)：端面模數(shù)m=12，齒輪齒數(shù)Z=41，節(jié)圓直徑D=192mm，壓力角為20度，齒全高h(yuǎn)=14，螺旋角=30度，端面弧齒厚s=17mm。技術(shù)要求：總滲碳層深度為1.82

4、.3mm，滲層表面碳濃度w（c）為0.85%1%，滲碳淬火回火后表面硬度為5862HRC，心部硬度為36HRC，有效滲碳硬化層深度測至50HRC處不小于1.2mm。2.1 零件的服役條件、失效形式及性能要求（1）服役條件：螺旋錐齒輪是石油鉆機中的主要傳動零件，是一種可以按穩(wěn)定傳動比平穩(wěn)、低噪音傳動的傳動零件。有較高的傳動速度（空載最高的線速度為30m/s，加載線速度為25m/s），受重載和沖擊。（2）失效形式：主要失效形式為磨損、點蝕和斷裂。螺旋錐齒輪因為摩擦或使用而造成磨損；隨工作時間越來越長在齒輪表面部地區(qū)出現(xiàn)縱深發(fā)展的腐蝕小孔，其余地區(qū)不腐蝕或腐蝕輕微，這種腐蝕形態(tài)叫點蝕；隨工作時間的增

5、長齒輪產(chǎn)生斷裂失效。（3）性能要求：為了防止螺旋錐齒輪失效以及保證傳動比穩(wěn)定所用材料應(yīng)具備以下性能要求：a、良好的力學(xué)性能；b、良好的滲碳淬火性能；c、良好的抗沖擊性能；d、良好的心部硬度；e、良好的熱變形性能。3 材料的選擇 3.1 初步選材根據(jù)螺旋錐齒輪的技術(shù)要求：總滲碳層深度為1.82.3mm，滲層表面碳濃度w（c）為0.85%1%，滲碳淬火回火后表面硬度為5862HRC，心部硬度為36HRC，有效滲碳硬化層深度測至50HRC處不小于1.2mm。選定的材料應(yīng)該具有高強度、高韌性以及良好的淬透性。又根據(jù)螺旋錐齒輪的性能要求：a、良好的力學(xué)性能；b、良好的滲碳淬火性能；c、良好的抗沖擊性能；

6、d、良好的心部硬度；e、良好的熱變形性能。為滿足以上條件初步確定符合要求的材料為滲碳軸承鋼【1】。3.2 確定材料42CrMo、12CrNi3和20Cr2Ni4A都屬于滲碳軸承鋼，通過對各個材料的性能進行分析對比選出最佳材料。（1）42CrMo屬于超高強度鋼，具有高強度和韌性，淬透性也較好，無明顯的回火脆性。調(diào)制處理后有較高的疲勞極限個抗多次沖擊能力，低溫沖擊韌性良好。適宜制造要求一定強度和韌性的大、中型塑料模具。強度、淬透性高，韌性好，淬火時變形小，高溫時有高的蠕變強度和持久強度。用于制造要求較35CrMo鋼強度更高和調(diào)質(zhì)截面更大的鍛件，如機車牽引引用的大齒輪、增壓器傳動齒輪、壓力容器齒輪、

7、后軸、受載荷極大地連桿及彈簧夾，也可用于2000m以下石油深井鉆桿接頭與打撈工具，并且可以用于折彎機的模具等。（2）12CrNi3鋼屬于合金滲碳鋼有高淬透性。該鋼淬火低溫回火或高溫回火后都具有良好的綜合力學(xué)性能，鋼的低溫韌性好，缺口敏感性小，切削加工性能良好，當(dāng)硬度為HB260320時，相對切削加工性為60%70%。此鋼退火后硬度低、塑性好。為提高模具型腔的耐磨性，模具成型后需要進行滲碳處理，然后再進行淬火和低溫回火，從而保證模具表面具有高硬度、高耐磨性而心部具有很好的韌性，該鋼適宜制造大、中型塑料模具。（3）20Cr2Ni4A是優(yōu)質(zhì)合金鋼有良好的力學(xué)性能，強度高有良好的心部硬度，韌性好有有良

8、好的抗沖擊性能及熱變形性能，淬透性好有良好的滲碳淬火性能。滲碳后不能直接淬火，以減少表層參與奧氏體。切削性及冷變形塑性一般。用于大截面滲碳件，如大型齒輪、軸類以及要求強度高、韌性好的調(diào)質(zhì)零部件等。此軸承鋼是特大型軸承用的低碳高合金滲碳軸承鋼，不管是在工藝性上還是經(jīng)濟性上都是很符合我們的要求，因此綜合分析20Cr2Ni4A是最佳材料。3.3 20Cr2Ni4A的化學(xué)成分、相變點及合金元素作用3.3.1 鋼的化學(xué)成分表1 20Cr2Ni4A的化學(xué)成分【2】牌號化學(xué)成分（%）CSiMnSPCrNi20Cr2Ni4A0.170.230.170.370.300.600.030.031.251.653.2

9、53.6520Cr2Ni4A的相變點表2 20Cr2Ni4A的相變點【3】相變點Ac1Ac3Ar1溫度/7207805753.3.3 化學(xué)元素作用C元素：提高屈服點和抗拉強度，增加鋼的冷脆性和時效敏感性，降低塑性、沖擊性以及耐大氣腐蝕能力。Si元素：提高鋼的回火穩(wěn)定性、提高鋼的抗氧化性、提高鋼的淬透性和淬透溫度。Mn元素：提高鋼的淬透性，從基體組織中擴散到析出的滲碳體中，形成合金滲碳體,改善其硬度。S元素:使鋼產(chǎn)生熱脆性，降低鋼的延展性和韌性，改善切削加工性。P元素：增加鋼的冷脆性，使焊接性變壞，降低塑性，使冷彎性能變壞。Cr元素: 提高鋼的淬透性,固溶強化基體組織，并改善基體組織的回火性和硬

10、度。Ni元素：提高鋼的淬透性，有助于改善鋼的韌性。4 確定加工路線確定零件加工路線加工工藝主要包括機加工和熱處理工藝。機加工是指通過加工機械精確去除材料的加工工藝。它直接改變毛坯的形狀、尺寸和表面質(zhì)量等，使其成為零件的過程稱為機械加工工藝過程。 熱處理工藝是將金屬材料放在一定的介質(zhì)內(nèi)加熱、保溫、冷卻，通過改變材料表面或內(nèi)部的金相組織結(jié)構(gòu),來控制其性能的一種金屬熱加工工藝。4.1 初步確定加工路線根據(jù)20Cr2Ni4A材料的性能以及技術(shù)要求，可初步確定其加工路線為：下料鍛坯預(yù)備熱處理高溫回火車齒坯粗、精銑齒滲碳高溫回火淬火+低溫回火噴丸磨端面及孔磨齒成品。4.2 每個步驟的作用 （1）下料的作用

11、：提供原料；（2）鍛坯的作用：獲得原料；（3）預(yù)備熱處理的作用：為隨后的機加或最終熱處理提供一個良好的機加性能或良好的組織形態(tài)；（4）高溫回火的作用：（1）消除淬火時產(chǎn)生的殘留內(nèi)應(yīng)力，提高材料的塑性和韌性（2）獲得良好的綜合力學(xué)性能（3）穩(wěn)定工件尺寸，使鋼的組織在工件使用過程中不發(fā)生變化。（5）車齒坯與粗、精銑齒的作：對材料進行機械粗加工，是以快速切除毛坯余量。（6）滲碳的作用：使機器零件獲得高的表面硬度、耐磨性及高的接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度，滲碳后淬火、回火，心部保持良好韌性的同時提高工件的表面強度、耐磨性和硬度。（7）高溫回火的作用：由于滲碳后表層組織為馬氏體和大量殘余奧氏體，對這種組織

12、不能直接重新加熱淬火，否則容易恢復(fù)滲碳時所形成的較粗大的奧氏體晶粒，即生成二次織構(gòu)。因此在淬火加熱之前，需先進行一次高溫回火，使馬氏體和殘余奧氏體分解為回火索氏體，降低基體中碳、鉻的含量。這樣重新加熱淬火時，由于奧氏體中融入的碳和鉻等元素的含量減少，淬火后不僅殘余奧氏體量減少，馬氏體也細(xì)小。（8）淬火+低溫回火的作用：通過淬火與不同溫度的 HYPERLINK /view/145442.htm t _blank 回火配合，可以大幅度提高金屬的強度、韌性及疲勞強度，并可獲得這些性能之間的配合（綜合 HYPERLINK /view/1723358.htm t _blank 機械性能）以滿足不同的使用

13、要求。（9）噴丸、磨端面及孔和磨齒的作用：完成各主要表面的最終加工,使零件的加工精度和加工表面質(zhì)量達到圖樣規(guī)定的要求。5 熱處理工藝方法選擇5.1 預(yù)備熱處理工藝【4】的選擇 一般預(yù)備熱處理有這幾種：1、調(diào)質(zhì)處理：一航后面要進行表面淬火處理，其預(yù)備熱處理的目的是為了使工件表面淬火前得到強韌性結(jié)合優(yōu)良的心部性能，降低使用過程中的心部疲勞開裂。2、正火處理：一般后面進行的是化學(xué)熱處理（滲碳+淬火）或者調(diào)質(zhì)熱處理，其預(yù)備熱處理的目的就是細(xì)化晶粒、消除機加應(yīng)力、均勻不平衡組織等，為后面的最終熱處理奠定良好的組織基礎(chǔ)。3、退火處理：后面最終熱處理一般都是調(diào)質(zhì)處理，其作為預(yù)備熱處理的目的就是為了消除應(yīng)力以

14、及降低表面硬度。正火與退火工藝相比，其主要區(qū)別是正火的冷卻速度稍快，所以正火熱處理的生產(chǎn)周期短。故退火與正火同樣能達到零件性能要求時，盡可能選用正火。大部分中、低碳鋼的坯料一般都采用正火熱處理。一般 HYPERLINK /view/136287.htm t _blank 合金鋼坯料常采用退火，若用正火，由于冷卻速度較快，使其正火后硬度較高，不利于切削加工。所以在此選用正火對鋼進行預(yù)備熱處理。5.2 滲碳工藝【5】的選擇齒輪滲碳過程溫度較低，時間較長，容易造成較粗大和嚴(yán)重?zé)崽幚碜冃蔚热毕?。對其改進主要從兩個方面入手。一是利用催滲方法催滲以降低溫變和縮短時間。二是利用高溫滲碳縮短時間。稀土滲碳方法

15、是主要的一種催滲方法，應(yīng)用的比較多，工藝成熟，高溫滲碳一般情況下很少采用。因為高溫下晶粒長大趨勢嚴(yán)重且對設(shè)備有危害，如果能夠排除這兩項不利因素，則它也是可行的。利用高溫滲碳原理改進的高溫滲碳方法既具有滲速快的優(yōu)點，上述兩項不利因素也不明顯，在生產(chǎn)被采用的越來越多。一些新型滲碳方法在簡化熱處理工藝的同時也改善了齒輪的質(zhì)量。5.3 最終熱處理【6】的選擇20Cr2Ni4A鋼的熱處理工藝的復(fù)雜主要體現(xiàn)在多次高溫回火上，滲碳后冷卻時以及淬火加熱時在630650均溫均能達到高溫回火的目的。但在這方面仍需要進一步研究。進行合理的滲碳工藝的選擇，改善滲碳質(zhì)量以達到直接淬火的目的是一個值得探索的方向。此外，為

16、了消除過多的殘余奧氏體，深冷處理也是一種經(jīng)?？紤]的方法。通過淬火與不同溫度的 HYPERLINK /view/145442.htm t _blank 回火配合，可以大幅度提高金屬的強度、韌性及疲勞強度，并可獲得這些性能之間的配合（綜合 HYPERLINK /view/1723358.htm t _blank 機械性能）以滿足不同的使用要求。在此我們選擇高溫回火、淬火與低溫回火。6 制定熱處理工藝的制度6.1 正火工藝的制定6.1.1 正火加熱溫度正火是將鋼加熱到Ac3以上30-50，保溫后在空氣中冷卻的熱處理工藝，由于該鋼Ac3為780，所以其正火溫度一般在910930之間，但在實際生產(chǎn)中，正

17、火的加熱溫度一般要高于其理論正火溫度，所以設(shè)定正火的加熱溫度在950。6.1.2 正火加熱時間金屬材料和鐵制品加熱所需時間包括從室溫到爐溫儀表指示達到所需溫度的升溫時間、爐料表面和心部溫度均勻所需的均熱時間以及內(nèi)外達到溫度后為了完成相變所需的保溫時間三個部分。加熱時間的計算公式：t=akD式中t加熱時間（min或s）、a加熱系數(shù)（min/mm或s/mm）、D工件有效厚度（mm）、k工件裝爐條件修正系數(shù)，通常取1.0-1.5。表3 碳鋼和合金鋼在各種介質(zhì)中的加熱系數(shù)（a值）【7】鋼材每1mm有效厚度的加熱時間空氣電阻爐鹽浴爐碳鋼0.9-1.1min25-30s合金鋼1.3-1.6min50-60

18、s15-20s(一次預(yù)熱)高速鋼-8-15s（二次預(yù)熱）由上表可選取a=1.5min,通過查手冊工件在爐內(nèi)不同排布方式的加熱時間修正值知K=1（單件），工件有效厚度D=80mm，可得：t=120min。6.1.3 正火處理工藝表表4 正火處理工藝材料加熱溫度（）加熱時間（h）冷卻方式20Cr2Ni4A9502空冷6.2 高溫回火工藝的制定6.2.1 高溫回火溫度表5 各種工件的回火溫度及回火目的【8】由上表可知齒輪回火溫度為500-600，在此設(shè)定高溫回火溫度為650。6.2.2 高溫回火時間從工件入爐后爐溫深至回火溫度時開始計算?？蓞⒖冀?jīng)驗公式加以確定：Tn=Kn+AnD式中Tn回火時間（m

19、in）、Kn回火時間基數(shù)、An回火時間系數(shù)、D工件有效厚度（mm）, Kn和An推薦值見下表表6 Kn及An推薦值【9】由上表可知。450以上箱式電爐的Kn取10min，An值取1min/mm。得回火加熱時間為90min。而高溫回火保溫時間一般為3-3.5h，則高溫回火總加熱時間為5h。6.2.3 高溫回火處理工藝表表7 高溫回火處理工藝材料加熱溫度（）加熱時間（h）冷卻方式20Cr2Ni4A6505空冷6.3 滲碳工藝的制定6.3.1 滲碳溫度由式：D=0.162exp(-16575/T)可知，隨滲碳溫度的升高，碳在鋼中的擴散系數(shù)呈指數(shù)上升，滲碳速度加快，但滲碳溫度過高會造成晶粒長大，工件畸

20、變增大，設(shè)備壽命降低等負(fù)面效應(yīng)，所以滲碳溫度?？刂圃?00-950。選用常用的氣體滲碳法，加熱溫度定為930。6.3.2 滲碳時間滲碳時間與滲碳深度呈平方根關(guān)系，滲碳時間越短，生產(chǎn)效率越高，能耗越低，但對于淺層滲碳而言，滲碳時間太短，滲層深度控制難以準(zhǔn)確。應(yīng)通過調(diào)整滲碳溫度、碳勢來延長滲碳時間，以便精確地來控制滲層深度。表8 強滲時間、擴散時間及滲碳層深度【10】要求的滲層深度/mm不同溫度下的強滲時間強滲后的滲層深度/mm擴散時間/h擴散后的滲層深度/mm（92010）/(93010)/(94010)/0.4-0.740min30min20min0.20-0.2510.5-0.60.6-0.

21、91.5h1h30min0.35-0.401.50.7-0.80.8-1.22h1.5h1h0.45-0,5520.9-1.1注：若滲碳后直接降溫淬火，則擴散時間應(yīng)包括降溫及降溫后停留的時間。經(jīng)驗計算按0.15-0.2mm/h來計算，因滲層深度為1.2mm，則滲碳時間 T=7h。6.3.3 滲碳方法甲醇-煤油滴注式滲碳法（甲醇為稀釋劑，煤油為滲碳劑），甲醇-煤油滴注劑中煤油的含量一般在15-30范圍內(nèi)，高溫下甲醇的裂解產(chǎn)物水、二氧化碳和甲烷、碳氧化，可使?fàn)t氣成分和碳勢保持在一定范圍內(nèi)，可以采用紅外儀進行控制。表9 常用有機液體的滲碳特性【11】為了保證甲醇與煤油裂解反應(yīng)充分進行，爐體應(yīng)保證四個

22、條件： = 1 * GB3 爐內(nèi)靜壓大于1500pa； = 2 * GB3 滴注劑必須直接滴入爐內(nèi)； = 3 * GB3 加濺油板； = 4 * GB3 滴注劑通過400-700溫度區(qū)的時間0.07s。滲碳設(shè)備為RTJ-75-9T型井式滲碳爐。滴注式可控氣氛滲碳一般采用兩種有機液體同時滴入爐內(nèi)，一種液體產(chǎn)生的氣體碳勢較低，作為稀釋氣體；另一種液體產(chǎn)生的氣體碳勢較高，作為富化氣，改變兩種液體的滴入比例，可使零件表面含碳量控制在要求的范圍內(nèi)。采用紅外儀控制碳勢時，往往采用固定總滴量，調(diào)整稀釋劑和滲碳劑相對滴量的辦法來調(diào)整爐內(nèi)碳勢。表10 甲醇-煤油紅外儀控制滴注式滲碳工藝【12】6.3.4 滲碳處

23、理工藝表表11 滲碳處理工藝材料滲碳溫度（）滲碳時間（h）滲碳方法20Cr2Ni4A9307甲醇-煤油滴注式滲碳法6.4 高溫回火工藝的制定由于滲碳后表層組織為馬氏體和大量殘余奧氏體，對這種組織不能直接重新加熱淬火，否則容易恢復(fù)滲碳時所形成的較粗大的奧氏體晶粒，即生成二次織構(gòu)。因此在淬火加熱之前，需先進行一次高溫回火，使馬氏體和殘余奧氏體分解為回火索氏體，降低基體中碳、鉻的含量。這樣重新加熱淬火時，由于奧氏體中融入的碳和鉻等元素的含量減少，淬火后不僅殘余奧氏體量減少，馬氏體也細(xì)小。下表為高溫回火處理工藝的溫度、時間及冷卻方式。表12 高溫回火處理工藝材料加熱溫度（）加熱時間（h）冷卻方式20C

24、r2Ni4A6506空冷6.5 淬火工藝的制定6.5.1 淬火加熱溫度鋼的淬火是將鋼加熱到臨界溫度Ac3（亞共析鋼）或Ac1（過共析鋼）以上某一溫度，保溫一段時間，使之全部或部分奧氏體1化，然后以大于 HYPERLINK /view/2374466.htm t _blank 臨界冷卻速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等溫）進行馬氏體（或 HYPERLINK /view/832730.htm t _blank 貝氏體）轉(zhuǎn)變的熱處理工藝。由鋼的相變點在此設(shè)定淬火加熱溫度為800。高溫下鋼的狀態(tài)處在單相奧氏體(A)區(qū)內(nèi)，故稱為完全淬火。6.5.2 淬火加熱時間淬火保溫時間由設(shè)備加熱方式、 HYPE

25、RLINK /view/158782.htm t _blank 零件尺寸、鋼的成分、裝爐量和設(shè)備功率等多種因素確定。淬火加熱時間應(yīng)包括工件整個截面加熱到預(yù)定淬火溫度，并使之在該溫度下完成組織轉(zhuǎn)變、碳化物溶解和奧氏體成分均勻化所需的時間，因此，淬火加熱時間包括升溫和保溫兩段時間。在實際生產(chǎn)中，只有大型工件或裝爐量很多情況下，才把升溫時間和保溫時間分別進行考慮，一般情況下把升溫時間和保溫時間統(tǒng)稱為淬火加熱時間。在具體生產(chǎn)條件下，淬火加熱時間常用經(jīng)驗公式計算，通過實驗最終確定，常用經(jīng)驗公式為：t=akD式中，T加熱時間（min或s）、a加熱系數(shù)（min/mm或s/mm）、D工件有效厚度（mm）、k工

26、件裝爐條件修正系數(shù)，通常用1.0-1.5表13 常用鋼的加熱系數(shù)【13】工件材料工件直徑/mm600箱式爐中加熱750-850鹽爐中加熱或預(yù)熱800-900箱式爐或井式爐中加熱1000-1300高溫鹽爐中加熱碳鋼50500.3-0.40.4-0.51.0-1.21.2-1.5合金鋼50500.45-0.500.50-0.551.2-1.51.5-1.8由上表可選a為0.55，修正系數(shù)k取1，則加熱時間為1h。6.5.3 淬火加熱速度對于形狀復(fù)雜，要求畸變形小，或用合金鋼制造的大型鑄鍛件，必須控制加熱速度以保證減少淬火畸變及開裂傾向，一般以30-70/h速度升溫到600-700，在均溫一段時間后

27、再以50-100/h速度升溫。形狀簡單的中、低碳鋼，直徑小于400mm的中碳合金結(jié)構(gòu)鋼可直接到溫入爐加熱。6.5.4 淬火冷卻方法工件在低溫 HYPERLINK /view/148308.htm t _blank 鹽浴或堿浴爐中淬火，鹽浴或堿浴的溫度在Ms點附近，工件在這一溫度停留2min5min，然后取出空冷，這種冷卻方式叫分級淬火。對于形狀復(fù)雜、畸變要求較嚴(yán)格的高合金工具鋼，可以采用多次分級淬火。分級冷卻的目的，是為了使工件內(nèi)外溫度較為均勻，同時進行馬氏體轉(zhuǎn)變，可以大大減小淬火應(yīng)力，防止變形開裂。分級溫度以前都定在略高于Ms點，工件內(nèi)外溫度均勻以后進入馬氏體區(qū)?，F(xiàn)在改進為在略低于 Ms 點

28、的溫度分級。實踐表明，在Ms 點以下分級的效果更好。例如，高碳鋼模具在160的堿浴中分級淬火，既能淬硬，變形又小，所以應(yīng)用很廣泛。6.5.5 淬火冷卻介質(zhì)要使鋼中高溫相奧氏體在冷卻過程中轉(zhuǎn)變成低溫亞穩(wěn)相馬氏體，冷卻速度必須大于鋼的 HYPERLINK /view/2374466.htm t _blank 臨界冷卻速度。工件在冷 HYPERLINK /picview/63818/63818/0/8474fbddd397d0f976c638b9.html o 查看圖片 t _blank 淬火冷卻卻過程中，表面與心部的冷卻速度有-定差異，如果這種差異足夠大，則可能造成大于臨界冷卻速度部分轉(zhuǎn)變成馬氏體

29、，而小于臨界冷卻速度的心部不能轉(zhuǎn)變成馬氏體的情況。為保證整個截面上都轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體需要選用冷卻能力足夠強的 HYPERLINK /view/1690840.htm t _blank 淬火介質(zhì)，以保證工件心部有足夠高的冷卻速度。但是冷卻速度大，工件內(nèi)部由于熱脹冷縮不均勻造成內(nèi)應(yīng)力，可能使工件變形或開裂。冷卻階段不僅為了零件獲得合理的組織，達到所需要的性能，而且要保持零件的尺寸和形狀精度，在鹽浴中進行。為了保證獲得優(yōu)異的性能，應(yīng)采用油作為淬火介質(zhì)。油的冷卻特性對各種合金鋼的淬火和薄壁碳鋼零件淬火是很合適的，且油在珠光體（或貝氏體）轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間有足夠的冷卻速度。6.5.6 淬火處理工藝表表14 淬火處

30、理工藝材料加熱溫度（）加熱時間（h）冷卻方法20Cr2Ni4A8001馬氏體分級淬火6.6 低溫回火工藝的制定6.6.1 低溫回火溫度回火是將淬火后的鋼重新加熱到Ac1以下某一溫度，保溫后冷卻到室溫的熱處理工藝。根據(jù)回火溫度的不同，可將回火分為低溫回火、中溫回火和高溫回火。其中低溫回火是工件在150250進行的回火。目的是保持淬火工件高的硬度和耐磨性，降低淬火 HYPERLINK /view/2672634.htm t _blank 殘留應(yīng)力和脆性，回火后得到 HYPERLINK /view/547123.htm t _blank 回火馬氏體，力學(xué)性能：5864HRC，高的硬度和耐磨性。20C

31、r2Ni4A鋼是低碳鋼，要求具有很高的硬度、耐磨性，同時要求心部具有較好的塑性和韌性，因此低溫回火可以滿足性能要求，故選擇低溫回火，T取200。6.6.2 低溫回火時間回火時間是從工件入爐后爐溫升至回火溫度時開始開始計算，可參考經(jīng)驗公式加以確定：t=K+AD T回火時間（min）、K回火時間基數(shù)、A回火時間系數(shù)、D工件有效厚度（mm）表15 回火保溫時間參數(shù)表【14】回火條件300以上300-450450以上箱式電爐鹽浴爐箱式電爐鹽浴爐箱式電爐鹽浴爐K/min1201202015103A/(min/mm)10.410.410.4低溫回火（150-250）有效厚度/mm2525-5050-757

32、5-100100-125125-250保溫時間/min30-6060-120120-180180-240240-270270-3006.2.3 低溫回火工藝表表16 低溫回火熱處理工藝材料加熱溫度（）加熱時間（h）冷卻方式20Cr2Ni4A2006空冷7 熱處理設(shè)備選擇7.1 箱式電阻爐的選擇熱處理電阻爐是以電為能源的，通過爐內(nèi)電熱元件將電能轉(zhuǎn)化為熱能而加熱工件的爐子，是一種造價相對便宜的爐子，以降低成本。高溫回火、淬火及低溫回火溫度均不超過950，可以選用中溫箱式電阻爐。因為工件正火溫度過高，箱式爐爐溫不均，中溫箱式電阻爐無法滿足溫度要求，故選用高溫電阻爐。高溫箱式電阻爐最高工作溫度有120

33、0和1350兩種，這類爐子的特點是在此溫度下主要依靠輻射傳熱，因此電熱元件直接布置在工作室內(nèi)，要求爐內(nèi)有足夠的輻射面積。下表為各種電阻爐的技術(shù)參數(shù)。螺旋錐齒輪的尺寸為502mm135mm，并且為單件生產(chǎn)。表17 中溫箱式電阻爐產(chǎn)品規(guī)格及技術(shù)參數(shù)【15】 表18 1200箱式電阻爐產(chǎn)品規(guī)格及技術(shù)參數(shù)【16】（1）根據(jù)零件的尺寸和加熱溫度條件，并綜合考慮經(jīng)濟效益及生產(chǎn)方式，高溫回火、淬火及低溫回火選擇RX-3-45-9型號的箱式電阻爐。（2）根據(jù)零件尺寸和正火溫度，并綜合考慮經(jīng)濟效益及生產(chǎn)方式，正火工藝選擇RX-3-65-12型號的箱式電阻爐。7.3 井式滲碳爐的選擇對于滲碳設(shè)備選用井式滲碳爐，這

34、類爐子實際上是在井式爐爐膛中再加一密封爐罐，專為周期作業(yè)的滲碳、滲氮、碳氮共滲等所用。表19 井式氣體滲碳爐的技術(shù)數(shù)據(jù)【17】根據(jù)零件尺寸和正火溫度，并綜合考慮經(jīng)濟效益及生產(chǎn)方式，滲碳工藝選擇RQ3-90-9型號的井式氣體滲碳爐。7.3 熱處理冷卻設(shè)備的選擇熱處理冷卻設(shè)備應(yīng)該能保證工件在冷卻時具有相應(yīng)的冷卻速度和冷卻溫度。由出于經(jīng)濟的考慮，我們選擇油冷，一般的淬火槽的尺寸都能滿足淬火要求，我們選用普通淬火槽。 圖2 普通間隙淬火作用淬火槽1-溢流槽 2-排出管 3-供入管 4-事故排出管 5-淬火槽 6-工件8 工裝設(shè)計8.1 熱處理夾具的選擇熱處理夾具的選擇原則為：符合熱處理技術(shù)條件：保證零

35、件熱處理加熱冷卻，爐氣成分均勻度，不致使零件在熱處理過程中變形。符合經(jīng)濟要求：在保證零件熱處理質(zhì)量復(fù)合熱處理技術(shù)要求時，確保設(shè)備課程設(shè)計說明書具有高的生產(chǎn)能力，夾具應(yīng)具有質(zhì)量輕，吸熱量少，熱強度高及使用壽命長的特點。 符合使用要求：保證裝卸零件方便和操作安全。 圖3 箱式爐裝料盤圖4 井式滲碳爐星形吊具 a）吊具；b）吊具。8.2 熱處理輔具8.2.1清洗設(shè)備的選擇清洗設(shè)備是指對熱處理前后工件清洗的設(shè)備。零件在熱處理前需清除銹斑、油演、污垢、切削冷卻液和研磨劑等，以保證不阻礙加熱和冷卻不影響介質(zhì)和氣氛的純度，以防零件出現(xiàn)軟點、滲層不均勻、組織不均勻等影響熱處理質(zhì)量的現(xiàn)象。熱處理后也常需清洗以去

36、除零件表面殘油、殘渣和炭黑等附著物，以保障熱處理零件清潔度、防銹和不影響下道工序加工等要求。根據(jù)零件對清潔度要求、生產(chǎn)方式、生產(chǎn)批量及工件外形尺寸的要求選用相應(yīng)的清洗設(shè)備。常用的清洗設(shè)備有堿水溶液、磷酸水溶液。有機溶劑的清洗槽和清洗機以及配合真空、超聲波的清洗裝置。一般清洗機常用于清除殘油和殘鹽，可分為間歇式和連續(xù)式兩種：前者有清洗槽、室式清洗機、強力加壓噴射式清洗劑等；后者有傳送帶式清洗機及各類生產(chǎn)線、自動線配置的懸掛輸送鏈?zhǔn)?、鏈板式、推桿式和往復(fù)式等各類專用清洗設(shè)備。室式清洗機它主要用于批量不大的中小零件。輸送帶式清洗機，適用于批量較大的小型零件。根據(jù)生產(chǎn)特點，小批量的中小型零件，可以選用

37、室內(nèi)清洗機。圖5 室內(nèi)清洗機8.2.2 矯直設(shè)備矯直設(shè)備用于矯正零件的翹曲變形。熱矯又有不同的方法，一種是利用焊槍局部加熱零件，另一種是利用零件仍在熱處理的余熱（或奧氏體組織）狀態(tài)下進行矯直，適用于大尺寸的軸類、板件或矯直時易斷裂的零件，以及冷矯直后由于彈性作用容易反彈的零件。所以選用熱矯的后種方法。適用于中、大型零件矯直用的有液壓矯直機。表20 常用矯正設(shè)備及適用范圍【18】 圖6 單柱式液壓矯直機9 檢驗設(shè)備及方法選擇9.1 外觀正火與退火后工件表面不能有裂紋及傷痕等缺陷。一般熱處理工件均用肉眼或低倍放大鏡觀察表面由無裂紋、燒傷、碰傷、麻點、腐蝕、銹斑等。重要工件檢查裂紋可用碰力、著色、超

38、聲波探傷等方法，對表面允許噴砂鑄工件可浸油后噴砂直接觀察。9.2 硬度正火、退火、調(diào)質(zhì)零件的硬度檢查用布氏硬度計。滲碳包括滲層表面，防滲部位及心部硬度，一般用洛氏硬度，淬火處理零件用洛氏硬度計。對于本件硬度檢查標(biāo)準(zhǔn)如下：最終熱處理應(yīng)使硬度值達到所要求的5862HRC。如果上述硬度計無法檢驗時，用超聲波硬度計檢查。對于要求不嚴(yán)格的淬火件可用挫刀與標(biāo)準(zhǔn)試樣進行比較。注意硬度檢查的位置，應(yīng)在零件的主要部位，根據(jù)工藝流程或由檢驗人員確定，一般為 1-3 處，每處不少于三點，但必須注意，不得破壞工作面。檢查硬度時應(yīng)正確操作硬度計。被檢驗零件表面必須平滑，不能有氧化皮或油污，檢驗前零件可用砂紙或挫刀磨光，

39、打硬度時零件應(yīng)放平，使被測零件的被測面垂直于壓的軸線。9.3 金相檢查由于20Cr2Ni4A是低碳合金鋼，其正火后組織為均勻分布的珠光體和鐵素體，若組織中有點狀和細(xì)片狀珠光體及粗片珠光體，都是不正常的組織，碳化物網(wǎng)要求小于等于2級，珠光體為2-5級。滲層碳化物的形態(tài)及分布，殘留奧氏體數(shù)量，有無反常組織，心部組織是否粗大及鐵素體是否超出技術(shù)要求等，一般在顯微鏡下400倍觀察，淬火后一般得到馬氏體組織，由于奧氏體溫度不同，馬氏體形態(tài)的大小不同，一般分為8級，1級屬于奧氏體化溫度偏低，淬火組織是細(xì)針狀馬氏體和不大于5的鐵素體，而8級屬于過熱組織，是粗大的板條狀馬氏體和片狀馬氏體，正常淬火是2-4級，

40、其組織為細(xì)小的板條狀馬氏體和片狀馬氏體，之后用金相顯微鏡觀察，確定所屬等級。9.4 滲層深度檢驗滲碳層深度有三種方法，即化學(xué)法、金相法、有效硬化層深度法。 化學(xué)法是測量滲碳層總深度最精確的方法。根據(jù)試件深度的增量進行剝層,逐層分析碳含量,直到剝層的含量與基體相同,此處距表面的距離為滲碳層的總深度。金相法是將試樣經(jīng)等溫退火得到平衡組織,在光學(xué)顯微鏡下放大倍測量,滲碳層深度相當(dāng)于原始組織至表面距離。有效硬化層深度法是測試試件從表面至硬度為58HRC處的垂直距離,該硬度測量是在10N負(fù)荷下進行的。因為硬度與強度的關(guān)系成正比,所以有效硬化層深度法可直接地反映出滲碳件的機械性能,是控制齒輪滲碳層最準(zhǔn)確的

41、方法。所以采用有效硬化層深度法進行檢驗。檢驗工件是否合格即滲碳層深度在0.81.2mm之間。 10 熱處理缺陷分析10.1 正火缺陷分析（1）網(wǎng)狀碳化物原因：過共析鋼正火冷卻度不夠快時，碳化物呈網(wǎng)狀或斷續(xù)王狀分布在奧氏體晶界。這種缺陷多發(fā)生在截面尺寸較大的工件中，消除的方法是加快冷卻速度?？刂拼胧翰捎霉娘L(fēng)機冷卻、噴淋水冷等。（2）粗大魏氏組織原因;加熱溫度過高，奧氏體晶粒粗大，冷速又較快的中碳鋼中常出現(xiàn)粗大魏氏體組織，其鐵素體呈片狀羽毛或三角形分布在原奧氏體晶粒內(nèi)?？刂拼胧和ㄟ^完全退火或重新正火使晶粒細(xì)化完全消除。（3）零件產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力和變形原因：正火冷卻速度較快，使零件產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)

42、力和變形，甚至開裂，可采取退火消除?；鼗鹑毕莘治霰?0 回火缺陷產(chǎn)生原因以及控制措施【19】 10.3 滲碳缺陷分析（1）滲層不均原因：爐溫不均、固體滲碳時裝箱體積過大、工件表面局部有炭黑或結(jié)焦及排氣不充分等。（2）滲層過淺原因：工藝控制不當(dāng)。 （3）網(wǎng)狀或堆狀碳化物原因：爐氣碳勢過高或預(yù)冷溫度過低?？刂拼胧簻p少滲碳劑供給量，延長擴散時間或提高預(yù)冷溫度。 （4）心部鐵素體量過多原因：預(yù)冷溫度過低或一次加熱淬火溫度遠(yuǎn)低于心部的Ac1。（5）滲層殘余奧氏體量過多原因：爐氣碳勢高，工件表面碳氮濃度高，且預(yù)冷溫度不夠低?？刂拼胧簻p少滲碳劑供給量，延長擴散時間、降低預(yù)冷溫度，采用較低的溫度進行重新加

43、熱淬火或深冷處理。（6）黑色組織原因：鋼中的合金元素Cr、Mn等發(fā)生內(nèi)氧化而導(dǎo)致貧化，且氧化物質(zhì)點又可作為非馬氏體相變的核心，從而引起滲層淬透性下降。（7）畸變原因：熱應(yīng)力?？刂拼胧?）采用熱油淬火；2）重新加熱淬火的滲碳件，降低淬火加熱溫度等等。（8）滲碳開裂原因：合金元素在滲碳時發(fā)生內(nèi)氧化，是滲層淬透性下降，空冷是表層拖尸體下面有一層發(fā)生了馬氏體轉(zhuǎn)變導(dǎo)致表層拖尸體區(qū)出現(xiàn)拉應(yīng)力，引起開裂?？刂拼胧航档途徖渌俣?，使?jié)B層全部完成共析轉(zhuǎn)變，不出現(xiàn)馬氏體?；蚣涌炖鋮s速度，使深層全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體加殘余奧氏體。10.4 淬火缺陷分析10.4.1 淬火畸變原因：1）加熱溫度不均勻，形成的熱應(yīng)力引起畸變

44、或工件在爐中放置不合理，在高溫下常因自重產(chǎn)生蠕變畸變；2）加熱時，隨加熱溫度升高，鋼的屈服強度降低，已存在于工件內(nèi)部的殘余應(yīng)力達到高溫下的屈服強度時，就會引起工件不均勻塑性變形而造成形狀畸變和殘余應(yīng)力松弛；3）淬火冷卻的不同時性形成熱應(yīng)力和組織應(yīng)力使工件局部塑性變形等等。減少淬火畸變的途徑：1）采用合理的熱處理工藝；2）合理設(shè)計；3）合理的鍛造和預(yù)先熱處理等等。10.4.2 淬火裂紋原因：1）材料管理混亂；2）冷卻不當(dāng)；3）未淬透工件心部硬度為36-45HRC時，在淬硬層與非淬硬層交界處易形成淬火裂紋；4）嚴(yán)重表面脫碳易形成網(wǎng)狀裂紋；5）淬火加熱溫度過高易開裂；6）大截面高合金鋼工件淬火加熱時

45、未經(jīng)預(yù)熱或加熱速度過快，易開裂；7）原始組織不良；8）過燒裂紋等等。防止淬火開裂的措施：1）改進工件結(jié)構(gòu)；2）合理選擇鋼材；3）原材料應(yīng)避免顯微裂紋及嚴(yán)重的非金屬夾雜物和碳化物偏析；4）正確進行預(yù)先熱處理；5）正確進行預(yù)先熱處理；6）正確選擇加熱參數(shù)；7）合理選用淬火介質(zhì)和淬火方法等等。10.4.3 硬度不足工件淬火后表面硬度低于所用鋼材應(yīng)有的淬火硬度值稱為硬度不足，其原因及控制措施如下表：表21 淬火硬度不足原因及控制措施【20】序號淬火硬度不足的原因控制措施1介質(zhì)冷卻能力差，工作表面有鐵素體、非馬氏體組織采用冷速較快的淬火介質(zhì)；適當(dāng)提高淬火加熱溫度2淬火加熱溫度低或預(yù)冷時間長，淬火冷速低，

46、出現(xiàn)非馬氏體組織確保淬火加熱溫度正常；減少預(yù)冷時間3碳鋼或合金鋼采用油水雙介質(zhì)淬火時，在水中停留時間不足或從水中提出零件后在空氣中停留時間過長嚴(yán)格控制零件在水中停留時間及操作規(guī)范4鋼的淬透性差，工件截面尺寸大，不能淬硬采用淬透性好的鋼10.4.4 軟點淬火后工件表面局部區(qū)域出現(xiàn)硬度偏低的現(xiàn)象稱為軟點。產(chǎn)生軟點的原因及控制措施見下表。表22 產(chǎn)生軟點的原因及控制措施【21】小結(jié)通過這次的課程設(shè)計實習(xí)，我有如下幾方面的感觸：通過讀螺旋錐齒輪的熱處理工藝方法的選擇以及制定，我對螺旋錐齒輪的理論知識有了更深的理解。在設(shè)計的過程中我翻閱了大量的參考書及手冊，讓我對一些參數(shù)有一個全新的更深的認(rèn)識。通過查看參考一些別人設(shè)計的作品和查閱資料文本，吸取其中的精華，去除糟粕，不僅使自己熟練的掌握了word的用法使自己對其有了更高的技術(shù)，更學(xué)會怎樣快速的運用身邊的工具有效地得到自己有