毕业设计（论文）

作   者：    王慧         学  号：  ********  

系   部：            模具技术系               

专   业： 材料成型与控制技术（热处理）       

题   目： 20CrMnTi减速机齿轮的渗碳淬火      

毕业设计（论文）中文摘要

热处理工艺是金属材料工程的重要组成部分。现代工业的飞速发展对机械零部件的要求愈来愈高，因此通过热处理可以改变材料的加工艺性能，充分发挥材料的潜力，提高工件的使用寿命。为获得理想组织性能，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，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，最后确定出一种最佳方案。

20CrMnTi钢具有晶粒细、渗碳淬火性能良好、工艺性能成熟可靠且成本低廉等优点，目前生产量大致占渗碳齿轮钢的70% ，齿轮在使用过程中，担负着传递动力的任务，在冲击、交变应力等作用下以齿根断裂和齿面接触疲劳为主要失效形式，因此齿轮钢应有良好的强韧性、耐磨性以承受冲击、弯曲和接触应力；此外，还要求变形小、精度高，噪声低。

本设计便是对20CrMnTi减速机齿轮热处理工艺进行详细的说明，从选材下料到热处理工艺路线，以及最后的质量检验、可能产生的缺陷及预防措施等，都进行逐一分析，尽可能的将整个过程详尽的展现出来，从而对大家有所帮助。

关键词：20CrMnTi； 减速机齿轮；  渗碳淬火；  缺陷

毕业设计（论文）外文摘要

Title:  20CrMnTi Reducer Gear Carburizing and Quenching                         

Abstract：

Heat treatment technology of metallic materials is an important part of the project. The rapid development of modern industry of machinery parts and components of the increasingly high demand, so the heat treatment can change the material and process performance, give full play to the potential, improve the service life of the workpiece. In order to obtain the ideal organizational performance, guarantee the components in the production process quality, stability and service life, must from the characteristics of the workpiece, requirements and technical conditions, proper selection of materials; then according to the scale of production, site conditions, heat treatment equipment and puts forward several feasible heat treatment scheme, finally determine a kind of optimum scheme.

20CrMnTi steel has fine grain size, good performance, carburizing and quenching process is mature and reliable performance and low cost, the current production capacity accounted for roughly70% of carburized gear steel, gear during use, charged with the transmission of dynamic task, in shock, alternating stress under the action of taking root fracture and tooth surface contact fatigue as the main the failure forms of gear steel, therefore, should have good strength and toughness, abrasion resistance to withstand impact, bending and contact stress; in addition, also called little deformation, high precision, low noise.

This is designed for20CrMnTi reducer gear heat treatment process in detail, from material selection under the expected heat treatment technology route, as well as the final quality inspection, the possible defects and preventive measures and so on, are analyzed and explained, as far as possible the whole process detailed show hill, thus all of you to help.

Keywords：20CrMnTi; Reducer gear; carburizing and quenching; defect

第一章 绪论

随着科学技术和工业生产的飞速发展，经济各个部门迫切需要各种各样质量优、性能好、效率高、能耗低、价格廉的机械产品。其中产品设计师决定产品性能、质量水平、市场竞争力和经济效益的重要环节。因此我们应该注重产品的设计，通过有效的热处理方式提高减速机齿轮质量，使减速机产品更具有市场竞争力。

1.1 减速机齿轮的应用

齿轮减速器在各行各业中十分广泛地使用着，是一种不可缺少的机械传动装置。当前减速器普遍存在着体积大、重量大，或者传动比大而机械效率过低的问题。国外的减速器，以德国、丹麦和日本处于领先地位，特别在材料和制造工艺方面占据优势，减速器工作可靠性好，使用寿命长。但其传动形式仍以定轴齿轮传动为主，体积和重量问题，也未解决好。最近报导，日本住友重工研制的FA型高精度减速器，美国Alan-Newton公司研制的X-Y式减速器，在传动原理和结构上与本项目类似或相近，都为目前先进的齿轮减速器。当今的减速器是向着大功率、大传动比、小体积、高机械效率以及使用寿命长的方向发展。因此，除了不断改进材料品质、提高工艺水平外，还在传动原理和传动结构上深入探讨和创新，平动齿轮传动原理的出现就是一例。减速器与电动机的连体结构，也是大力开拓的形式，并已生产多种结构形式和多种功率型号的产品。目前，超小型的减速器的研究成果尚不明显。在医疗、生物工程、机器人等领域中，微型发动机已基本研制成功，美国和荷兰近期研制的分子发动机的尺寸在纳米级范围，如能辅以纳米级的减速器，则应用前景远大。国内减速器现状国内的减速器多以齿轮传动、蜗杆传动为主，但普遍存在着功率与重量比小，或者传动比大而机械效率过低的问题。另外，材料品质和工艺水平上还有许多弱点，特别是大型的减速器问题更突出，使用寿命不长。国内使用的大型减速器（500kw以上），多从国外（如丹麦、德国等）进口，花去不少的外汇。60年代开始生产的少齿差传动、摆线针轮传动、谐波传动等减速器具有传动比大，体积小、机械效率高等优点?。但受其传动的理论的，不能传递过大的功率，功率一般都要小于40kw。由于在传动的理论上、工艺水平和材料品质方面没有突破，因此，没能从根本上解决传递功率大、传动比大、体积小、重量轻、机械效率高等这些基本要求。90年代初期，国内出现的三环（齿轮）减速器，是一种外平动齿轮传动的减速器，它可实现较大的传动比，传递载荷的能力也大。它的体积和重量都比定轴齿轮减速器轻，结构简单，效率亦高。由于该减速器的三轴平行结构，故使功率/体积（或重量）比值仍小。且其输入轴与输出轴不在同一轴线上，这在使用上有许多不便。北京理工大学研制成功的"内平动齿轮减速器"不仅具有三环减速器的优点外，还有着大的功率/重量（或体积）比值，以及输入轴和输出轴在同一轴线上的优点，处于国内领先地位。国内有少数高等学校和厂矿企业对平动齿轮传动中的某些原理做些研究工作，发表过一些研究论文，在利用摆线齿轮作平动减速器开展了一些工作。二、平动齿轮减速器工作原理简介,平动齿轮减速器是指一对齿轮传动中，一个齿轮在平动发生器的驱动下作平面平行运动，通过齿廓间的啮合，驱动另一个齿轮作定轴减速转动，实现减速传动的作用。平动发生器可采用平行四边形机构，或正弦机构或十字滑块机构。本成果采用平行四边形机构作为平动发生器。平动发生器可以是虚拟的采用平行四边形机构，也可以是实体的采用平行四边形机构。有实用价值的平动齿轮机构为内啮合齿轮机构，因此又可以分为内齿轮作平动运动和外齿轮作平动运动两种情况。外平动齿轮减速机构，其内齿轮作平动运动，驱动外齿轮并作减速转动输出。该机构亦称三环（齿轮）减速器。由于内齿轮作平动，两曲柄中心设置在内齿轮的齿圈外部，故其尺寸不紧凑，不能解决体积较大的问题。内平动齿轮减速，其外齿轮作平动运动，驱动内齿轮作减速转动输出。由于外齿轮作平动，两曲柄中心能设置在外齿轮的齿圈内部，大大减少了机构整体尺寸。由于内平动齿轮机构传动效率高、体积小、输入输出同轴线，故由广泛的应用前景。 三、本项目的技术特点与关键技术： 1.本项目的技术特点,本新型的"内平动齿轮减速器"与国内外已有的齿轮减速器相比较，有如下特点：（1）传动比范围大，自I=10起，最大可达几千。若制作成大传动比的减速器，则更显示出本减速器的优点。（2）传递功率范围大：并可与电动机联成一造。（3）结构简单、体积小、重量轻。比现有的齿轮减速器减少1/3左右。（4）机械效率高。啮合效率大于95%，整机效率在85%以上，且减速器的效率将不随传动比的增大而降低，这是别的许多减速器所不及的。 （5）本减速器的输入轴和输出轴是在同一轴线上。本减速器与其它减速器的性能比较见表1。因缺少数据，表中所列的各减速器的功率/重量比是最优越的。?表1?各类减速器比较型号功率（kw）减速比质量（kg）QI-45093 31.5 1820 ZSY-250? 95 31.5 540 NGW-92 88.1 31.5 577 SEW(德国) 90 28.61 1300 NP-100? 100 30 400 注：NP-100为内平动齿轮减速器，SEW减速器的质量含电机。2.本项目的关键技术?由图2可知，"内平动齿轮减速器"是由内齿轮Z2、外齿轮Z1和平行四边形机构组合而成的。它的传动原理是：电机输入旋转运动，外齿轮作平行移动，其圆心的运动轨迹是一个圆，与之啮合的内齿轮则作定轴转动。因为外齿轮作平行移动，所以称谓平动齿轮机构。齿轮的平行移动需要有辅助机构帮助实现的，可采用（6~12副）销轴、滚子作为虚拟辅助平动机构，也可以采用偏心轴作为实体辅助平动机构。内平动齿轮减速器的关键技术和关键工艺是组成平行四边形构件的尺寸计算及其要求的加工精度、轮齿主要参数的选择。这些因数都将影响传动的能力和传动的质量。总的说，组成本减速器的各零部件都要求有较高的精度，它们将决定着减速器的整体传动质量。3.本项目的概况本项目已获得中国实用新型专利，专利号：ZL95227767.本项目1995年试制出第一台样机（功率2.5kW，传动比I=32）后，陆续与一些厂矿合作，设计了下面几种不同功率、不同传动比的减速器。（1）电动推拉门用减速器，功率550W，传动比I=26，与电机连成一体。（2）搅拌机用减速器，功率370W，传动比I=17。（3）某军品用的两种减速器，一种功率370W，传动比I=23.5；另一种功率370W，传动比I=103的二级传动减速器。（4）钢厂大包回转台减速器，功率7.5kw，传动比I=。（5）钢厂辊道减速器，功率7.5kw，传动I=11。在本专利的基础上，已研制出一种新型超大型减速器，功率可达1000kw，目前正在研制超小型（外型尺寸为毫米级）的微型减速器。市场需求分析  1.市场需求前景同平动齿轮减速器由于体积小，重量轻，传动效率高，将会节省可观的原料和能源。因此，本减速器是一种节能型的机械传动装置，也是减速器的换代产品。本减速器可广泛应用于机械，冶金、矿山、建筑、航空、军事等领域。特别在需要较大减速比和较大功率的各种传动中有巨大的市场和应用价值。 2.社会经济效益现有的各类减速器多存在着消耗材料和能源较多，对于大传动比的减速器，该问题更为突出。而本新型减速器具有独特的优点。由于减速装置在各部门中使用广泛，因此，人们都十分重视研究这个基础部件。不论在减小体积、减轻重量、提高效率、改善工艺、延长使用寿命和提高承载能力以及降低成本等等方面，有所改进的话，都将会促进资源（包括人力、材料和动力）的节省。 可以预见，本新型减速器在国内外市场中的潜力是很大的，特别是我国超大型减速器（如水泥生产行业，冶金，矿山行业都需要超大型减速器）大多依靠进口，而本减速器的一个巨大优势就是可以做超大型的减速器，完全可以填补国内市场的空白，并将具有较大的经济效益和社会效益。 将电动机输出的较高转速通过直径、模数不同的齿轮传动，变为所需求的低转速。

1.2 减速机齿轮的作用

降速同时提高输出扭矩，扭矩输出比例按电机输出乘减速比，但要注意不能超出减速机额定扭矩。减速同时降低了负载的惯量，惯量的减少为减速比的平方。

1、减速机的工作原理

减速机一般用于低转速大扭矩的传动设备，把电动机.内燃机或其它高速运转的动力通过减速机的输入制动器轴上的齿数少的齿轮啮合输出轴上的大齿轮来达到减速的目的，普通的减速机也会有几对相同原理齿轮达到理想的减速效果，大小齿轮的齿数之比，就是传动比。减速机与变频器的区别减速机是通过机械传动装置来降低电机（马达）转速，而变频器是通过改变交流电频率以达到电机（马达）速度调节的目的。通过变频器降低电机转速时，可以达到节能的目的

2、设计的原始资料和数据

（1）原动机的类型、规格、转速、功率（或转矩）、启动特性、短时过载能力、转动惯量等。（2）工作机械的类型、规格、用途、转速、功率（或转矩）。工作制度：恒定载荷或变载荷，变载荷的载荷图；启、制动与短时过载转矩，启动频率；冲击和振动程度；旋转方向等。（3）原动机 作机与减速器的联接方式，轴伸是否有径向力及轴向力。（4）安装型式（减速器与原动机、工作机的相对位置、立式、卧式）。（5）传动比及其允许误差。（6）对尺寸及重量的要求。（7）对使用寿命、安全程度和可靠性的要求。（8）环境温度、灰尘浓度、气流速度和酸碱度等环境条件；润滑与冷却条件（是否有循环水、润滑站）以及对振动、噪声的。（9）对操作、控制的要求。（10）材料、毛坯、标准件来源和库存情况。（11）制造厂的制造能力。（12）对批量、成本和价格的要求。（13）交货期限。众所周知，一台机器通常由三个基本部分组成:即动力机、减速机装置和工作机构。此外，根据机器工作需要，可能还有控斜系统和润滑、照明等辅助系统。机械减速机装置是指将动力机产生的机械能以机械的方式传送到工作机构上去的中间装置。

3、机械减速机装置能分别起以下作用:（1)改变动力机的输出速度(减速、增速或变速)，以适合工作机构的工作需要；（2)改变动力机输出的转矩，以满足工作机构的要求；（3)把动力机输出的运动形式转变为工作机构所需的运动形式〔如将旋转运动改变为直线运动，或反之；（4)将一个动力机的机械能传送到数个工作机构，或将数个动力机的机械能传递到一个工作机构；（5)其他的特殊作用，如有利于机器的装配、安装、维护和安全等而采用机械减速机装置。

1.3 齿轮用钢的分类与生产

齿轮作为大批量生产零件，生产成本关系到整个机器的成本，进而关系到产品的市场竞争力，降低成本则是齿轮厂家和用户一贯的追求。相应地，减速机齿轮钢的发展方向是长寿命、高性能、低成本易加工和多品种。

齿轮用钢一般分为低碳渗碳齿轮钢和中碳调质齿轮钢两类。低碳渗碳齿轮钢钢种有20CrMnTi、20CrMo，中碳调质齿轮钢钢种有40、40Cr等。如所共知，先进的设备加上先进的工艺技术，才能生产出高质量的钢材，在这方面，我国与工业发达国家尚存在一定的差距。在炼钢生产的工艺装备上，目前我国通过LF+VD+连铸工艺已能够将氧含量降低到20ppm以下，但对有害元素P、S等元素的控制、淬透性带宽控制、钢纯净度以及轧材组织均匀性方面与世界先进水平相比还较为落后。为将渗碳齿轮钢淬透性带稳定地控制在较窄范围，并且为提高钢材的纯净度，改善齿轮寿命，工业发达国家主要采用两种生产工艺:一是日本山阳为代表的双精练+连铸工艺路线，即，EF+LF+RH+CC工艺，可有效降低氧及氧化物含量与其它杂质;二是西欧、美国和日本部分厂家采用的单精炼+连铸工艺，氧含量可控制在20Ppm以下。

目前，就国内齿轮用钢的生产而言，主要集中在特钢企业(占总量85%~90% )，仍旧采用传统的电弧炉炼钢，生产工艺基本有两种:

(1)EAF(或BOF ) +LFV(或VAD , RH)精炼→模(连)铸→初轧开坯(或锻打) →横列式轧机或半连轧轧制成材→精整→检验入库。

(2) UHP ( EBT ) +LF/VD精炼→合金钢方坯连铸→半连轧轧制成材→精整→检验入库。

对齿轮钢的冶炼而言，一般均配备二次精炼设备，电弧炉冶炼仅作为钢铁料的熔化工具(电弧炉向转炉方向发展)，主要任务简化为脱碳脱磷，余精炼任务都通过炉外精炼完成。因此，现代化的超高功率电炉一般采用单渣法冶炼、强化吹氧，长弧泡沫渣操作工艺，既提高电炉炼钢效率缩短冶炼时间，还可以降低电极和能量消耗。对齿轮钢的二次精炼而言，不仅是实现电炉快速熔炼的前提，也是提高钢产量、增加品种、协调电炉一连铸生产及实现多炉连浇的重要手段。二次精炼可以根据冶金目的进一步净化钢水，去氧，去除夹杂，均匀钢水成分和温度，调节生产节奏等。对齿轮钢的连铸而言，包括保护浇铸技术、中间包冶金、电磁搅拌、保护渣及自动化技术等技术措施。

在制造齿轮的机械处理厂，低碳渗碳齿轮钢加工工艺流程一般为：钢材下料→锻造→正火→粗加工→精加工→渗碳或碳氮共渗→淬火+低温回火→(磨齿) →检验包装；中碳调质齿轮钢的加工工艺流程为：钢材下料→(锻造正火) →粗加工→调质处理→精加工→关键部位感应加热淬火+低温回火→(磨齿) →检验包装。低碳渗碳齿轮钢的心部碳含量较低而具有良好的韧塑性，齿轮表面经渗碳或碳氮共渗后可淬硬至HRC58~62的硬度因而具有良好的表面耐磨性；中碳调质齿轮钢调质处理后可使其整体具有良好的综合力学性能，而齿面等关键部位感应淬火后也可得到较高的表面硬度。调质齿轮钢主要用于制作中小模数的齿轮，而渗碳齿轮钢则用于制作较大模数的或重载齿轮，相比较而言，渗碳齿轮钢在齿轮行业中的重要性更大且应用范围更为广泛。

1.4 国内外汽车齿轮发展现状

我国汽车用齿轮钢的钢种及系列是与汽车产品技术引进分不开的。如引进德系品牌的桑塔纳、奥迪、捷达轿车技术时，齿轮钢也同时采用了大众企标的Mn—Cr系列齿轮钢，在引进日系汽车品牌的同时，其相关的零部件用材也基本采用了JIS标准和对应牌号。

当前国内齿轮钢的主体钢种仍是20CrMnTiH。配合国内汽车工业引进而试制的新产品有Cr系、Cr—Mo系、Ca—Mn系、Ca一Mn一B系、Cr一Ni—Mo系、Cr—Mn—Ni系等20多个钢种。其产量基本能满足国产化的要求并对齿轮钢的结构调整起了先导作用。引进钢号的新产品试制也基本上是按国外企业标准订货而后组织生产，与老产品相比，标准要求高得多，主要表现在以下方面：

a．淬透性，奥迪、桑塔纳、切诺基、捷达轿车及153中型载货车用齿轮钢要求单点控制，带宽≤7HRC；标致、富康轿车及斯太尔重型车要求全带(多点)控制，带宽≤4—7HRC。

b．纯净度，氧含量≤0.02,B系夹杂《2级。

c．S及Al含量，硫含量处于0.0150％—0.035％之间或0.025％—0.040％之间；铝含量处于0.015％—0.040％之间。

国外汽车齿轮钢是在通用的渗碳结构钢基础上开发的，有Cr系、Cr—Mn系、Cr—Mn—B系、Cr—Mo系、Cr—Ni—Mo系、Q—Mn—Ni系多种系列。在德国渗碳钢标准Dl72l0中合金钢有8个钢号，有Cr系、Cr—Mn系、Cr—Mo系、Q—Ni—Mo系。其中用得最多的是Q钢和Cr—Mn钢。我国从德国引进的奥迪、桑塔纳和捷达轿车用的齿轮钢为Cr钢和Q—Mn钢。它们除符合DIN17210标准的一般要求外，还要符合德国大众公司的标准要求。

德国大众公司用的齿轮钢有如下特点：

a．根据齿轮的工况和尺寸大小选择不同的钢号，例如奥迪轿车变速箱的主动齿轮、从动齿轮就分别选用上述标准中的4221、4l29和4l25钢号。

b．钢材的淬透性范围窄。一般为8—7HRc。而且要求同一批投料要在4HRC以内。主要是为了控制齿轮热处理后的变形。这比DIN17210中规定的要严得多，也比国内齿轮钢的淬透性带窄得多。

c．含硫量控制在0．02O％—0．035％。这是为了改善钢材的切削性能，而不像国内标准那样仅规定上限，如S≤O.035％，这意味着越低越好。

d．含硅量要求严，Si(％)≤O.12%。这是为了改善渗碳层组织和性能比DIN17210(0．15％—0．35％)和国内规定(O，l7％—0．37％)都要严格。

e．通过控制钢中含铝量(0．02％—0．055％)来控制钢材晶粒度。国产20Mn是通过加钛来细化晶粒，但加工易形成TiN夹杂物丽降低齿轮的接触疲劳寿命。用铝控制晶粒度可以避免这种缺点。

f．对钢的纯净度有较高的要求。这是为了提高齿轮的疲劳寿命。采用K法来评定钢中夹杂物。为了保证钢的纯净度，要控制钢中含氧量，通常要求小于0.000015。

日本工业标准JISG4052保证淬透性的结构钢中含碳量低的Mn钢、Cr钢、

Cr—Mo钢、Cr—Ni钢和Cr—Ni—Mo钢都可作渗碳齿轮钢使用，但是用得最普通的还是Cr钢(SCr420H)和Cr—Mo钢(SCM420H)。这些钢号在成分、性能要求及纯净度方面比我国的合金结构钢标准的同类钢号都有更为严格的要求。

长期以来，我国载货汽车齿轮使用最普遍的钢种是20CrMnTi。这是上世纪50年代我国从原苏联引进的中型的汽车齿轮18XTr钢种(即20CrMnTi钢)。该钢晶粒细，渗碳时晶粒长大倾向小，具有良好的渗碳淬火性能，渗碳后可直接淬火。文献指出，在1980年以前，我国的渗碳合金结构钢(包括20CrbinTi钢)在钢材出厂时只保证钢材的化学成分和用样品测定的力学性能，但是在汽车生产时常常出现化学成分和力学性能合格的钢材，由于淬透性能波动范围过大而影响产品质量的情况。例如若20CrMnTi渗碳钢的淬透性过低，则制成的齿轮渗碳淬火后，心部硬度低于技术条件规定的数值，疲劳试验时，齿轮的疲劳寿命降低一半；若淬透性能过高，则齿轮渗碳淬火后内孔收缩量过大而影响齿轮装配。由于钢材淬透性能对轮齿心部的硬度和畸变都有极其重大的影响，1985年冶金部颁布了我国的保证淬透性结构钢技术条件(GB5216-85)，在此技术条件中列入了包括20CrMnTiH、20MnVBH钢在内的10种渗碳钢的化学成分、淬透性能数据。标准中规定：用于制造齿轮的20CrMnTi钢的淬透性能指标为距水冷端9mm处的硬度为30-42HRC。在此之后，采用20CrMnTi钢生产齿轮的齿心部硬度过低和畸变过大的问题基本上得到了解决。

一般认为20CrMnTi等渗碳钢是本质细晶粒钢，渗碳后晶粒不会租化，可直接淬火。但实际上由于钢材冶炼质量的影响，常常在正常条件下发生晶粒粗化现象。对多批材料的实际晶粒度试验，发现相当部分实际晶粒度只有2—3级(930℃保温3h条件下)。文献认为，20CrMnTi由于Ti含量较高，钢中TiN夹杂物多，尤其是大块的TiN夹杂是齿轮疲劳时的疲劳源，它的存在会降低齿轮的接触疲劳性能。这种夹杂物呈立方结构，受力时易发生解理开裂，导致齿轮早期失效。另一个问题是该钢的淬透性能有限，不能满足大直径大模数齿轮的要求，渗碳有效硬化层深度和心部硬度均不能满足重型齿轮的要求。此外，在热处理过程中20CrMnTi钢易产生内氧化和非马氏体组织而降低齿轮的疲劳寿命。但目前在我国齿轮渗碳钢中还没有哪一种钢在渗碳工艺上有20CrMnTi钢这样成熟和可靠。所以，它仍是目前国内使用最普遍的渗碳钢种。

1.5 减速机齿轮的性能要求

减速机是介于电机和设备间的一种调节机器，减速机齿轮用于传递扭矩与动力、调整速度的作用。其工作条件、失效形式及要求的力学性能如下：

表1-1 减速机齿轮的工艺性能要求

1.6 加工工艺性能要求

减速机齿轮常用的加工工艺路线为：

下料 → 锻造 → 正火 → 粗、半精切削加工 → 渗碳 → 淬火、低温回火 →喷丸处理 → 加工花键 → 磨端面 → 磨齿 → 最终检验

根据以上工艺要求，减速机齿轮的工艺性能要求如表1-2所示。

表1-2  齿轮的工艺性能

根据以上使用性能和加工工艺、加工成本的综合要求，可基本确定为低碳合金结构钢：即我们常用的合金渗碳钢。从目前我国汽车制造厂常用的金属材料来看，减速机齿轮多采用 20CrMnTi 。

第2章 热处理工艺选择

 热处理是机械制造过程中的重要工序。减速机齿轮的热处理工序位置及热处理工艺选择、安排是否得当，对于零件的质量及切削加工性能起着至关重要的作用。根据热处理的目的及工序位置不同，热处理分为预备热处理和最终热处理。

2.1 预备热处理的工序位置

为消除经过锻造的变速箱齿轮毛坯的内应力、细化晶粒、均匀组织，并改善切削加工性能，为淬火作好组织准备，一般在锻造之后、切削加工之前，可采用退火或正火作为预备热处理。由于减速机齿轮厚度较均匀，在正火、退火均可使用的前提下，为提高工作效率，宜选用正火作为预备热处理。

2.2 最终热处理的工序位置

最终热处理包括各种淬火、回火、表面热处理等。零件最终热处理之后，即可获得所需的力学性能：因零件硬度较高，除磨削加工之外不宜进行其他形式的切削加工，故最终热处理均安排在半精加工之后，磨削加工之前。

2.3 最终热处理工艺方法选择

根据减速机齿轮的工作条件及失效形式，对减速机齿轮的技术条件要求如下：

齿轮根部σb＞1000Mpa，ak＞ 60J/cm2 ；

齿面硬度58～HRC ，心部硬度30～42HRC 。

根据以上技术条件，减速机齿轮材料 ：20CrMnTi 采用的最终热处理工艺为：先渗碳，使表面碳含量增加，心部仍维持低的含碳量，保持心部较高的强度和冲击韧性；渗碳之后进行淬火和低温回火，使轮齿表面硬度达到高硬度要求，心部仍维持较低的硬度。

第三章 热处理工艺特性对齿轮质量和寿命的影响 

正确分析和理解热处理性能指标，对保证零件的质量，满足使用性能的要求，延长零件的使用寿命，具有重大意义。主要的热处理工艺性能指标及要求如下

3.1 淬透性

淬透性的波动范围直接影响到齿轮的产品质量。淬透性过低，则制成的齿轮渗碳淬火后，心部硬度低于技术条件规定的数值，疲劳试验时，齿轮的疲劳寿命降低；若淬透性过高，则齿轮渗碳淬火后，内孔收缩量过大而影响齿轮装配。

由于淬透性对轮齿心部的硬度和畸变有重大影响，GB/T 5216-2004规定：用于制造齿轮的20CrMnTi的淬透性指标为：距水冷端9mm处的硬度为30～ 42HRC。

3.2 变形开裂倾向

齿轮在淬火时因加热或冷却速度太快，加热或冷却不均匀都可能造成工件变形甚至开裂。因此，设计齿轮时，在结构上应尽量避免尖角或厚薄断面的突然变化；淬火时，尽量选择冷却速度较慢的专用淬火油进行淬火。通过以上手段来减少变形开裂倾向。

3.3 淬硬性

淬硬性指钢在正常淬火条件下，以超过临界冷却速度所形成的马氏体组织能够达到的最高硬度。淬硬性主要取决于钢中的含碳量。含碳量越高，淬火后硬度越高。变速箱齿轮通过渗碳使齿轮表面达到高含碳量，淬火后使齿轮表面达到：齿面硬度 58 ～ HRC ，才能满足齿轮表面高硬度、高耐磨的特性，保证齿轮齿面有足够的使用寿命，不发生齿面点蚀和磨损。

影响热处理性能的因素还有钢的回火稳定性、过热敏感性、回火脆性和尺寸稳定性等，只有正确处理以上各种因素对热处理的影响，才能保证变速箱齿轮的正常使用，进一步提高变速箱齿轮的质量和寿命。

第四章 20CrMnTi钢的基本性质

20CrMnTi齿轮钢是为含碳量0.17%~2.24%的低碳钢。减速机多用其制造传动齿轮，是中淬透性渗碳钢20CrMnTi钢，其淬透性较高，在保证淬透性情况下，具有较高的强度和韧性，特别是具有较高的低温冲击韧性，其焊接性中等，正火后可切削性良好。用于制造截面<30mm的承受高速、中等或重载、冲击及摩擦的重要零件，如齿轮、齿圈、齿轮轴十字等。20CrMnTi表面渗碳硬化处理用钢。良好的加工性，特加工变形微小，抗疲劳性能良好。

4.1 钢的化学成分和力学性能

 钢的化学成分和力学性能见表4-1、表4-2。

            表4-1 20CrMnTi的化学成分 

20CrMnTi是含碳量为0.17%—0.24%的低碳钢。根据该齿轮的工作特点，结合其使用要求，应选用低合金渗碳钢，一是含有较多的合金元素，确保了渗碳后淬透性，减少齿轮的变形量。二是齿轮基体的韧性得到了保障，能够满足齿轮的工作需要。含碳量低可使齿轮心部具有良好的韧性。

合金元素铬和锰的存在提高了淬透性，心部得到低碳马氏体组织，增强了刚的强度；而铬元素还有促进渗碳、提高渗碳速度的作用；锰具有减弱渗碳时表面含碳量过高的作用；而钛阻止晶粒的长大，提高轴承刚的强度和韧性。

淬透性是低碳渗碳齿轮钢在实际应用中重要的性能指标，钢材化学成分的变化会造成淬透性的变化，而成分的均匀性则影响了淬透性带的宽度。用末端淬透性来代替以往的力学性能检验是评价齿轮钢质量的一大进步。

 淬透性主要是保证大小齿轮适当的心部硬度，并有利于控制热处理变形。齿轮渗碳(或碳氮共渗)处理淬火后要求变形小而且规律固定，热处理后尽量不进行加工，因此钢材的淬透性波动(含批量钢材之间)显得非常重要，为此减速机齿轮用钢标准中都规定了较窄的淬透性带。淬透性带宽度越窄，离散度越小，越有利于齿轮的加工及提高其啮合精度。减速机渗碳齿轮的淬透性和淬透性带宽的控制主要取决于化学成分及成分的均匀性。目前，对淬透性带的控制上，国际水平是4~6HRC，先进水平是不大于4HRC;国内钢厂普遍达到的水平是6~8HRC，部分特钢厂也已达到4~6HRC的国际先进水平。

淬透性的波动范围直接影响到齿轮的产品质量。淬透性过低，则制成的齿轮渗碳淬火后，心不硬度低于技术条件规定的数值，疲劳试验时，齿轮的疲劳寿命降低；如淬透性过高，则齿轮渗碳淬火后，内孔收缩量过大而影响齿轮装配。在20CrMnTi中，碳、锰元素显著增强其淬透性，铬元素则影响不大，钛元素对淬透性的影响有两个方面：当Ti﹤0.07%时，提高淬透性；Ti﹥0.07%时，则降低钢的淬透性。表4-3和图4-1分别为新标准中对20CrMnTiH的淬透性带规定。

表4-3 20CrMnTiH的淬透性规定(GB/T 5216-2004 )

图4-1 20CrMnTiH的淬透性规定(GB/T 5216-2004)

4.3汽车变速箱变速齿轮的热处理工艺设计

齿轮是机械设备中的重要零件，减速机齿轮为各种机械设备中的重要部件，用于改变发动机曲轴和传动轴的速度比。故齿面在较高的载荷（冲击载荷和交变载荷等）下工作，因此磨损快。在工作过程中，通过齿面的接触传递动力，两齿面在相对运动过程中，既有滚动也有滑动，存在较大的压应力和摩擦力，齿端部也会经常受到冲击。要求减速机齿轮具有高的抗弯强度、接触疲劳强度和良好的耐磨性，心部有足够的强度和冲击韧性。齿轮在传递力及改变速度的运动过程中齿合齿面之间既有滚动，又有滑动而且齿面还受到脉动或交变弯曲应力的作用。

4.3.1 服役条件

A．减速机齿轮的工作条件比机床要繁重得多，它们经常在较高的载荷下工作，磨损亦较大。

B．在减速机运行中由于齿根受着突然变载的冲击载荷以及周期变动的弯曲载荷，会造成轮齿的脆性断裂或弯曲疲劳破坏。

C．齿轮的工作面承受着较大的压力及摩擦力，会造成麻点、接触疲劳破坏及深层剥落，由于经常换挡，齿的端部经常受到冲击，也会造成轮齿的端部破坏。

因此在耐磨性、疲劳强度、心部强度和冲击韧性等方面的要求均比机床齿轮高。

4.3.2 失效形式

（1）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；

（2）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再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；

（3）磨损失效  a摩擦磨损：减速机受力比较大，摩擦产生的热量较大，齿面因软化而造成塑性变形，在齿轮运转时粘结而后被撕裂，造成齿面摩擦磨损失效。

b磨粒磨损：外来质点进入相互齿合的齿面间，使齿面产生机械擦伤和磨损，比正常磨损速度来得更快。

另外，齿轮除上述失效形式外，齿端相互撞击，而造成的齿端磨损，或因减速过猛或过载造成断裂以及齿面塑性变形，崩角等失效形式。

4.3.3 性能要求

根据变速齿轮服役条件失效形式，对齿轮的性能作如下要求:

(1)有较高的弯曲疲劳强度；

(2)表面有高的硬度和耐磨性；

(3)具有高接触疲劳抗力；

(4)足够的塑性和韧性；

(5)高的淬透性。

由于传递扭矩，齿根要承受较大的弯曲应力和交变应力，因此要求表面高硬度、高耐磨性：齿面硬度58—HRC,心部硬度30—45HRC。

由于减速机齿轮转速范围广，齿轮表面承受较大的接触应力，并在高速下承受强烈的摩擦力，轮齿在交变应力的作用下，长时间工作可能发生疲劳断裂，齿面在强摩擦作用下可能发生磨损和点蚀现象，因此要求齿面有高的接触疲劳强度。

由于工作时不断换挡，轮齿之间经常要承受换挡造成的冲击与碰撞，齿轮心部韧性过低时，在冲击作用下可能发生断裂，齿根高的弯曲强度(бb>1000Mpa);因此要求齿轮心部较高强度、高韧性（аk>60J∕cm2）。

第五章 20CrMnTi变速齿轮加工工艺

5.1 减速机齿轮常用的加工工艺路线

下料→锻造→等温正火→机械加工→渗碳+淬火+回火→喷丸→磨削→检验。

5.2 各种工艺路线的分析

5.2.1 等温正火

等温正火的温度一般为930~950℃，设备：RJX-75-9。

图5-1 20CrMnTi减速机齿轮工艺预先热处理

锻坯等温正火是为消除内应力，改善、细化组织，为后续加做准备，便于切削加工。

5.2.2 渗碳+淬火+回火

（1）渗碳  使机械零件获得高的表面硬度，耐磨性和高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度。渗碳温度：920~950℃，保温时间按渗碳层深度确定，取t=6h，渗碳层深度：1.8~1.9㎜。

渗碳设备必须有良好的炉温均匀性、密封性和气氛均匀性，否则同炉工件会由于炉温或气氛的不均匀而导致畸变量的不均匀。

渗碳温度特别影响奥氏体晶粒度，渗碳温度越高，奥氏体晶粒越大，齿轮畸变越大，因此须尽可能降低渗碳温度。

由于渗碳齿轮的表面碳浓度和渗层深度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、齿向及花键孔的畸变，因此必须控制渗碳时碳势，以防止表面碳浓度过高。渗碳层深度越厚，也将使畸变加大，因此，应使渗碳层深度控制在技术要求的合理范围内。

齿轮渗碳时的装炉方式对畸变也产生很大的影响，20CrMnTi渗碳采用井式气体渗碳炉渗碳，渗碳气体使用碳氢化合物有机液体，如煤油、丙酮等直接滴入炉内气体而得，为提高渗入速度，使表面达到合适的含碳量，将渗入过程分两个过程进行，即渗入阶段和扩散阶段。

（2）淬火  20CrMnTi经渗碳后直接进行淬火。齿轮渗碳后可预冷到870～880℃并保温一段时间，预冷过程中渗碳层析出二次渗碳体，渗层中残余奥氏体量减少，预冷温度不应过低，以免心部游离铁素体增多，降低心部硬度，预冷应在炉内进行，并应防止表面脱碳，选择840±10 ℃，预冷2h。

淬火介质选择10#机械油，因为20CrMnTi淬透性好，油淬临界直径D0≤40㎜油淬后可减少渗碳层中残余奥氏体，提高耐磨性和接触疲劳强度而心部有较高强度和韧性，淬火表面硬度HRC58~63，心部HRC33~45。设备：RQ3-75-9T。

其渗碳后淬火工艺路线如下：

图5-2 渗碳淬火工艺曲线

（3）回火  淬火后，工件内存在淬火应力，为消除残余应力，选择低温回火。低温回火温度为180~200℃，渗碳件选择下限，回火后需经磨削或喷丸处理，故选择180℃，保温2h出炉空冷，其硬度56~63HRC。显微组织为碳化物+回火马氏体+残余奥氏体。设备：RJ2-75-6。其回火工艺路线如下：

 图5-3 回火工艺曲线

5.2.3 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的影响，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力的影响，当喷丸时间较短，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。

5.2.4 检验

（1）外观  表面无损伤、烧伤、严重腐蚀等缺陷;

（2）渗层深度  1.8~1.9㎜；

（3）硬度  心部33~45HRC，齿面 58~62HRC；

（4）金相组织  碳化物+回火马氏体+残余奥氏体。

第六章 热处理后的金相组织

6.1 20CrMnTi等温正火后金相组织

20CrMnTi(锻造后等温正火处理)的金相图如下所示:

图6-1 (100×) 珠光体+铁素体

侵蚀方法:4%酒精溶液浸蚀

组织说明:均匀细小等轴状的珠光体和铁素体组织

20CrMnTi是一种渗碳用钢,渗碳前一般应进行正火处理,以细化晶粒、改善组织分布，为正常渗碳作好组织准备。

6.2  20CrMnTi经渗碳后淬火、回火处理金相组织

20CrMnTi经930℃渗碳后淬火、回火处理的金相组织见图6-2、6-3、6-4。

图6-2 （100×）表面渗碳层至心部组织分布形貌

图6-3 （400×）齿的节圆处渗碳层组织

图6-4 （400×）齿角处渗碳层组织

浸蚀方法:4%酒精溶液浸蚀

组织说明:

图6-2：表面渗碳层至心部组织分布形貌，回火温度较低，表面合金高碳马氏体区较难浸蚀。

图6-3：齿的节圆处渗碳层组织，针状及隐针状（3～4级），残余奥氏体（8级），白色小条状碳化物（4～5级）。

图6-4：齿角处渗碳层组织，基本与节圆相同，但碳化物趋网状分布，可评为7～8级。 

第七章 质量控制与检验方法

7.1 随炉试样检验

7.1.1 表面硬度

根据有效硬化层深度选用洛氏、表面洛氏等硬度计，选择方法见表7-1或按各行业规定，并按GB∕T230规定检测。

表7-1 硬度值技术要求

心部硬度值一般要求30～45HRC，可由设计者根据齿轮使用条件规定。

a.齿形试样心部硬度的测定位置参见GB/T8539-2000。

b.当用圆棍试样时，在试棒长度中部截取10㎜厚的试样，在试样横截面中心处测定。

一般就是采用圆棍试样的方法比较好，简单便捷。这论文就是采用这种方法。

7.1.3 有效硬化层深度

a.对于渗碳淬火后的齿轮，渗碳的工艺层深应为图样上标渗层的深度加上轮齿单侧的加工余量。

b.有效硬化层深度的测定应以硬度法为准，测定部位按照GB/T8539—2000规定，测定方法按照GB/T9450-2005、GB/T 4340-2009规定，也可按各行业规定或生产厂与用户的协议。

c.用金相法、断口法检测碳层深度时，应预先找出与硬度法规定有效硬化层深度的关系，以保证成品齿轮满足图样技术要求。

d.当图样要求测定齿根有效硬化层深度时，应在齿形试样的法截面上向内测定。

e.若随炉试样有效硬化层深度不符合技术要求，则从该批中至少再抽取一件齿轮解剖测定，并以其测定结果为准。

一般较常用的就是随炉试样，切割看金相法。这种方法较准确简单易行。论文也采用的是这种方法。

7.1.4 表层组织

a.残余奥氏体  按各行业金相检验级别图评定。一般齿轮一应控制在30%一以下，高精度齿轮应控制在20%以下，对于留有加工余量的齿轮，评定部位按内控标准规定。

b.马氏体  按各行业金相检验级别图评定。对于齿形试样应以分度圆附近的严重视场作为评判依据。

c.碳化物  按各行业金相检验级别图评定。当采用ZBT04001碳化物评级图时，若试样在400倍下无明显碳化物，但试样表面硬度及含碳量合格，表层组织不为亚共析状态时，可评为1级。

d.表层脱碳 试样经4%酒精溶液腐蚀后，置于显微镜下放大400倍观察，对于齿形试样着重检查齿根圆角处，脱碳层深度应不大于0.02㎜。

e.表层非马氏体  试样经4%酒精溶液腐蚀后，置于显微镜下放大400倍观察，对于齿形试样检测分度圆及齿根圆角处，按GB/T8539-2000分档控制。

f. 晶粒大小 晶粒大小是汽车渗碳齿轮钢的一项重要指标。齿轮钢中细小均匀的奥氏体晶粒对于稳定钢材的末端淬透性、淬火后细马氏体组织的获得，改善齿轮的疲劳性能具有重要的作用，同时，还能够减少齿轮热处理后的变形量，提高渗碳钢的脆断抗力。反之，粗大的奥氏体晶粒使渗层碳浓度相对增高，导致脆性增加，使弯曲强度下降，齿面也容易剥落。当晶粒度粗于5级或更大时，渗碳钢的脆断抗力显著降低。图7-1给出了渗碳层晶粒尺寸与弯曲疲劳极限的关系。从图中可以看出，渗碳表层的晶粒尺寸越细小，疲劳极限就越高。如果钢中出现混晶现象，则有可能使齿牙之间的热处理变形失去规则而无法配对，导致齿轮无法正常使用。

表层组织都是一般都是通过金相显微镜或者更好的金相电子显微镜来观察，并且做出相应的评估等级。

图7-1 渗碳层晶粒尺寸与弯曲疲劳极限关系

现今，我国齿轮钢的晶粒度级别一般要求5～8级，日本则特别强调渗碳齿轮钢晶粒度不粗于6级。为了获得均匀细小的奥氏体晶粒，可以利用在冶炼时控制钢中残余A1含量以形成细小弥散的A1N颗粒钉扎晶界实现。但是，目前国际上为获得高温(> 930℃)渗碳齿轮钢，冶炼时添加或复合添加Nb、V、Zr等，以形成相应的碳氮化物，使钢的晶粒度不小于8级。齿轮钢的强度级别要求越高，晶粒度要求越细。国内对齿轮钢晶粒度的评级主要采用渗碳法和直蚀法。渗碳法的保温时间远长于直蚀法，测出的晶粒度略粗。直蚀法由于操作简单实用，可作为大批量生产评定晶粒度的方法之一。德国蔡夫(ZF)公司采用的ZF法模拟了齿轮渗碳热处理过程，测试的齿轮晶粒度能够真实反映零件的实际晶粒度。

7.2 齿轮热处理质量检验

7.2.1 外观

齿轮经热处理后，表面不得有氧化皮、碰伤、剥落、锈蚀等缺陷。

7.2.2 齿面硬度

a.应根据齿轮重要程度、批量及炉型规定抽检数量。

b.测定部位以齿面为准，也可测齿顶或端面，但应考虑其与齿面硬度的差异。测量点要求分布在约相隔120°的三个轮齿上，每个轮齿一般不得不于2点。

7.2.3 有效硬化层深度

a.当使用各种碳控技术控制渗碳过程且生产质量稳定时，可以随炉试样的检测结果为准。抽检周期可根据具体情况确定。

b.对批量生产的齿轮，当渗碳气氛无任何控制措施时，在试样合格的情况下，每周应抽检一件齿轮解剖测定。

c.冷处理后微裂纹的检验用显微镜放大400倍观察随炉试样，在0.30㎜×0.25㎜的矩形范围内，长度大于1个晶粒的微裂纹不得超过10个。

7.2.4 畸变

 热处理后畸变量应控制在有关技术要求范围内。

b.批量生产时，抽检项目和件数按产品图样的技术要求。

c.单件生产的齿轮应定期抽检。

第八章 热处理工艺过程中的质量检验

8.1 渗碳淬火后齿轮的检验项目、内容和要求

渗碳淬火后齿轮的检验见表8-1。

表8-1 渗碳淬火后齿轮的检验

  渗碳齿轮的常见缺陷及防止措施见表8-2.

表8-2 齿轮的常见缺陷及防止措施

8.3.1 渗碳淬火后畸变原因分析

渗碳工艺既是高温，又时间长，同时还产生心部成分的变化，因而工件易产生崎变。影响渗碳淬火齿轮热处理畸变的因素很多，其中主要包括齿轮结构设计、材料、锻造、预处理、机械加工及渗碳淬火工艺等因素。

1.结构设计  零件的结构(形状、尺寸)是影响畸变大小的主要因素之一。畸变量与齿轮的模数有关，而截面尺寸和几何形状的变化对崎变量的影响也很大。机械零件的几何形状对某些特定的热后畸变会产生决定性的影响。断面尺寸是否均匀对称以及内孔与外径之间的尺寸比例都对应力的性质、大小及分布产生影响。一般来说，形状简单、对称性强、直径不大和各部分厚薄较均匀的齿轮热处理崎变较小;反之，形状复杂、不对称、外径大和厚薄相差大的齿轮热处理畸变就较大。横截面厚度相差越大的端面畸变量越大。

2.齿轮材料  合理选材是提高齿轮寿命的重要因素之一，也是减小畸变的重要措施。原材料的纯净性、均匀性、淬透性(简称为“三性”)三者是影响渗碳淬火齿轮畸变的主要材料因素。纯净性是指钢的成分符合标准或设计要求时，钢中杂质含量的多少。均匀性包括成分、组织和缺陷分布的均匀性。化学成分分布不均便产生偏析，渗碳淬火后偏析部分的组织和应力与别处不一样，这样产生额外的畸变就不可避免。带状组织也是组织不均匀的一种表现，常常引起畸变增大。材料的淬透性包括两个方面:一是淬透性的高低，二是淬透性值分布带的宽窄。通常认为:淬透性值以J9的大小最为关键，J9=28~42 HRC比较合适，当J9>42 HRC时材料在渗碳淬火后不仅畸变量大，而且在使用过程中容易产生脆性断裂。淬透性带的宽度越窄越好。目前国内一般要求齿轮钢材的淬透性带宽控制在s 7 HRC，国外高标准要求可达3 HRC。因此要减小齿轮热处理畸变波动，必须控制原材料淬透性带宽，使每批进厂钢材的淬透性尽可能接近，淬透性是解决齿轮崎变问题的关键。

3.锻造  锻造对提高零件的性能作用很大，它能改善材料的组织，消除材料中的某些缺陷，提高材料的均匀性。但如果锻造工艺不当，可能形成过热组织、折叠、裂纹、残留应力等缺陷，将严重影响渗碳淬火齿轮的崎变门。当锻造产生金属流线不对称，金属未充满模腔，锻后冷却不均匀时会造成热处理畸变不一致pol。齿轮毛坯一般要求锻造金属流线沿毛坯外部对称分布，纵剖面上流线应成封闭状，这种流线形状毛坯加工后的齿轮热处理崎变规律较好，易控制。

4.毛坯预处理  毛坯预处理得到细小、均匀组织能减小最终热处理畸变。因为原始组织不同，其比容就不同，在热处理过程中产生的尺寸变化也就不同。正火是渗碳之前的一种常规的预先热处理工艺，是减小零件热处理畸变的有效措施。然而普通正火工艺，由于受设备炉温均匀性和生产方式、装炉方式等的，工件的组织和硬度很难均匀;另外由于正火采用空冷，零件的冷却速度不稳定，对于某些材料，正火后可能形成粒状贝氏体组织。以上缺陷都会增大以后渗碳淬火齿轮的畸变。因此，工件出炉后要散开空冷，严禁堆放，以保证工件得到均匀的珠光体组织。正火处理不应有贝氏体产生。一般正火硬度变化范围控制在200 HB内较好。为了得到较好的组织和硬度，近年来越来越多的采用等温正火工艺，取得了良好的效果。

5.机械加工  一般热处理畸变量随机加工塑变量的增大而增大。机械加工的残余应力和表面粗糙度等都影响畸变。在齿轮生产中，不同的切齿工艺引起的齿面残余应力不同，因而对热处理崎变的影响也不同。插齿齿面残余应力小且均匀，沿齿宽和齿高方向的应力差值也小，热处理后的畸变量小;滚齿齿面残余应力波动较大，热处理的畸变较大;剃齿齿面残余应力较大，同时正、反面上应力差大，用钝剃齿刀加工的齿面上的残余应力明显提高，热处理后对齿形齿向影响较尸 y.曾有人发现，渗碳淬火前仅在某工件上打了一个小小的钢印，其残余应力就使畸变增大了0.01~0.08 mm。表面粗糙度对崎变的影响容易被忽略，有试验表明当表面粗糙度为Ra=3.2 um时，公法线长度一般涨大0.03~0.05mm，但当表面粗糙度优于Ra=0.08 um时，公法线长度变化明显减小，偶尔有收缩现象。这表明机加工的残余应力和表面粗糙度对热后畸变都有直接影响，因此加工时应控制加工应力和提高表面质量。

6.渗碳工艺  渗碳设备必须有良好的炉温均匀性、密封性和气氛均匀性，否则同炉工件会由于炉温或气氛的不均匀而导致畸变量的不均匀。渗碳温度特别影响奥氏体晶粒度，渗碳温度越高，奥氏体晶粒越大，齿轮畸变越大，因此须尽可能降低渗碳温度。由于渗碳齿轮的表面碳浓度和渗层深度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、齿向及花键孔的畸变，因此必须控制渗碳时碳势，以防止表面碳浓度过高。渗碳层深度越厚，也将使畸变加大，因此，应使渗碳层深度控制在技术要求的合理范围内。齿轮渗碳时的装炉方式对畸变也产生很大的影响，在渗碳淬火时，薄盘类齿轮采用悬挂装炉比平放装炉畸变要小得多。平放装炉畸变小且稳定性好。事实上装炉方式要根据实际情况而定。渗碳后的冷却速度对畸变亦有明显的影响。齿轮在气体渗碳之后最理想的冷却方法是在450℃等温冷却。因为600℃和575℃为渗碳层奥氏体不稳定区，在此温度等温，表面层先发生相变，心部后转变，表面形成拉应力，不仅崎变大且可能形成裂纹，而450℃为渗层奥氏体稳定区，心部也相当稳定，在此温度范围等温，对心部和表面转变的影响不太大，有利于减小畸变。

7.淬火工艺  淬火过程中释放了零部件在整个加工工艺过程的一系列操作中积累起来的崎变潜能。淬火温度越高，产生的组织应力越大，崎变越大。为减小崎变，需降低淬火温度，但淬火温度不宜过低，否则其渗层会出现非马氏体组织，对零件的性能不利。常用淬火温度800~830 ℃。淬火冷却速度是影响齿轮畸变的另一重要因素.选用热处理淬火介质首先应考虑冷却特性，以及冷却特性的稳定性。选好和用好淬火油是获得高淬火硬度、足够的淬硬深度、减小工件崎变和降低生产成本的必要前提。对于低合金渗碳钢件，选择能在略低于Ms点附近等温冷却的淬火油(等温分级淬火油)可以使畸变最小。另外，根据冷却过程的需要恰当地选择搅拌的程度，将对降低工件的畸变有利。

8.回火工艺  对一些高合金渗碳钢，渗碳后要进行高温回火，使渗层析出碳化物，从而促使残留奥氏体转变，同时消除正火应力，为淬火做好组织准备，渗碳淬火后的零件要进行150~200℃下的低温回火，回火时渗碳层的体积和残余应力都发生变化，因此也会产生一定的畸变。淬火后的低温回火，还可使部分残留奥氏体转变为马氏体，而使马氏体充分转变为回火马氏体，从而保证组织及尺寸稳定性。

8.3.2 减小渗碳淬火齿轮畸变的措施

综上所述，影响渗碳淬火齿轮畸变的因素较多，因而对其畸变的控制，应以一种开放式、跨学科交叉并联的、系统化的方式来对待。这些引起畸变的潜在崎变因素在各个生产工序中就逐步积累，例如设计、材质、锻造、机械加工、热处理、磨削等，因而崎变的控制是一系统协同工程。

1.合理设计减小齿轮畸变  机械零件的几何形状对某些特定的热后畸变会产生决定性的影响，因此设计者在考虑零件强度的同时，还应对零件整体畸变的趋势和大小有一个估计。为了减小畸变，零件设计时应尽量避免尖角、薄壁、台阶等结构。对零件中那些不可缺少的孔、槽、筋等要素，则应要求分布对称与均匀。在截面大小急剧变化的地方，应考虑均匀过渡区，如设置圆角、斜角等结构，通过减小应力集中来减小零件畸变。设计齿轮时，应尽可能力求结构对称、截面均匀，应优先采用辐板结构，避免采用无支撑的盆形结构，以减小回缩量网。

2．控制原材料减小齿轮畸变  原材料的纯净度、均匀性、淬透性三者是影响渗碳淬火齿轮畸变的重要材料因素，因此提高齿轮用钢材的质量是控制齿轮渗碳淬火畸变的重要环节。其控制措施主要有: ①精选炉料，严格控制炉前配方;②采用精炼方法;③钢液冷却时，增大结晶速度，防止枝晶偏析形成;④合理的锻坯锻轧温度和锻轧比;⑤增加扩散退火工序，消除材料的不均匀组织⑥控制淬透性带的渗碳钢等。

3．控制锻造工艺减小齿轮畸变  对于锻造工序，除了控制好始锻温度、终锻温度和锻造比外，还应使毛坯剪切口平整，锻打时使毛坯与锻件的中心线一致，以保证纤维流向的对称分布‘从而避免轮辐半径大、厚度小的齿轮在热处理淬火时产生不对称翘曲。改善带状组织也很重要，有人曾对带状组织为2. 5级的8620H钢进行合适的锻造使带状组织变为一级，结果明显改善了材料的组织，减小了渗碳淬火时的畸变。己控制预处理工艺减小齿轮畸变锻造后的毛坯正火对内应力的消除并不彻底，这部分内应力将在渗碳淬火时释放，从而使畸变加大。为了解决这一问题，通常在毛坯粗车后再进行一次正火，然后再进行精车加工。近年来，在国内推广应用的等温正火工艺，由于采用冷速可控、逐区升温、连续推进的先进设备和中温等温工艺，不仅可防止粒状贝氏体的产生，还能使工件组织和硬度均匀，这是目前减小渗碳淬火齿轮畸变的有效方法之一。不过等温正火需要专用设备，一次性投资较大，所以在考虑渗碳钢齿坯预先热处理方案时，应根据齿坯的材料、截面、切削加工方法、齿轮精度等级及生产批量，并结合生产制造成本，选择合适的预先热处理和相应的热处理设备。

4．控制机械加工工艺减小齿轮畸变  根据齿轮热处理畸变规律，调整机械加工预留畸变量，使热处理后的齿轮尺寸符合技术要求，这种方法应用较为广泛，也非常有效。例如大型齿轮渗碳淬火后“左旋向左、右旋向右”的规律，正是斜齿轮渗碳淬火后齿向的畸变规律，于是就可以根据这种变化，调整机械加工的螺旋角，使热处理后的螺旋角符合要求。此外，根据畸变规律，施用反崎变量，提高淬火后的畸变合格率，对非对称或厚度不均匀零件采用预留加工量的方法，热处理后再加工;合理分配冷热加工尺寸公差，一般要求机械加工公差带占产品公差带的1/3，最多不得超过1/2，其余作为热处理畸变公差，这样产品的合格率就较高。

5．控制渗碳淬火工艺减小齿轮畸变  

(1)装炉方法上的改进零件装炉  既要考虑加热和冷却时各部分的温差应尽量小以减小内应力，同时又要考虑到尽可能地减小零件在高温下长时间保温时，由于零件的自重等产生的高温蠕变，所以摆放、堆码要均匀，以保证冷却介质流动畅通。此外，支撑部位要合理正确。文献介绍了如何利用专用工艺支撑而使大型渗碳淬火齿轮的畸变减小。

(2)大型齿轮进行分段加热  加热速度是影响零件应力产生的一个重要因素。加热零件各部位温差越大，热应力也越大。为了减小大齿轮在加热过程中的热应力，一般最好在600~650℃的温度范围内进行保温，使零件均温后再升至渗碳温度，这样可以减小因快速加热起过大的热应力，从而减小齿轮的畸变量。

(3)渗碳温度和淬火温度的控制  热应力是由于内外温差所引起，温差越大，热应力越大，相应齿轮的畸变也就越严重。因此，在保证一定渗速条件下尽量采用较低的渗碳温度和淬火温度。

(4)渗碳层深度和渗碳层碳浓度的控制  渗碳层深度越厚，淬火组织应力越大使畸变加大，因此将渗碳层深度控制在技术要求的合理范围是必要的，而且也是可能的(z}l。此外，气体渗碳时，为了防止表面过渡渗碳，在渗碳后期安排适当的扩散阶段，是比较好的热处理工艺操作。

(5)渗碳后冷却方式的控制  渗碳后利用等温冷却效果明显。当然，在实际生产中比较困难，但可以利用渗碳后吹风冷却，控制风冷时间，在齿轮表面温度接近450℃(奥氏体稳定区)时停止吹风，这对减小崎变有效果。

(6)淬火冷却的控制  近年来，国内外对冷却介质研究较多，新的冷却介质和添加剂不断出现，选择合理的冷却介质能明显减少淬火的应力，从而减少齿轮热处理畸变。

(7)采用新的渗碳工艺  催渗技术在生产中的应用概况及对减小齿轮渗碳淬火崎变的影响和原理。据文献介绍，采用稀土渗碳、稀土碳氮共渗可降低渗碳温度或缩短加热时间20%，且其硬度、金相组织等各项指标都能达到技术要求。由于催渗温度低、时间短，对减小渗碳齿轮畸变有良好的效果。近年发展起来的低压真空渗碳+高压气淬在汽车齿轮上的应用对减小畸变也显示出了好的效果。

结论

减速机齿轮的渗碳淬火处理工艺里运用到很多热处理手段，首先需要对   20CrMnTi这种材料进行一次等温正火处理使材料的达到很好的性能，有利于后面的渗碳淬火。在进行渗碳淬火的时候，要注意升温速度，最好是等温升温，在840℃等温一段时间，再升到强渗的温度进行强渗处理。渗层要求是1.8-1.9mm，所以渗碳工艺为：930℃×6h→840℃×1h，出炉淬油，这样淬火出来的硬度可以控制在58-63HRC之间，之后为了稳定组织消除一定的淬火应力，选用低温回火即可，一般温度在180~200℃之间，保温2h，出炉空冷，硬度在56~62HRC之间。在对试棒的金相分析，可以看出齿轮的渗层在1.8-1.9mm之间，符合要求，其碳化物、马氏体及残余奥氏体等的评估也都符合减速机齿轮的要求。

致谢

顶岗实习即将到来，我将面对又一次征程的开始。大学求学生涯在师长、亲友的大力支持下，走得辛苦却也收获满囊，在毕业设计即将浮子之际，思绪万千，心情久久不能平静。在此我要把我的敬意和赞美献给这所美丽的学校和勤勤恳恳的老师们，美丽的校园为我们营造了良好的生活和学习氛围，使我能全身心投入到学习当中；老师们治学严谨，学识渊博，思想深邃，视野雄阔，为我们营造了一种良好的精神氛围。授人以鱼不如授人以渔，置身其间，耳濡目染，潜移默化。使我不仅接受了全新的思想观念，树立了宏伟的学术目标，领会了基本的思考方                           

式，同时也教会了我怎么生活，怎么做人。短短的三年中我受益匪浅。

《20CrMnTi减速机齿轮热处理工艺设计》是根据《热处理手册》、《金属热处理工艺学》、《金属力学性能》、《材料基础科学教程》、《失效分析》等参考编辑出来的。从开始进入课题到本设计的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，使得本设计更加完善，因此在此对他们表示衷心的感谢！同时也感谢学院为我提供了良好的做毕业设计的环境。

最后再一次感谢所有在毕业设计中曾经帮助过我的良师益友和同学，以及在设计中被我引用或参考的论著的作者。

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