江苏大学化学热处理课程设计

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金属材料综合课程设计

(化学热处理)

汽车离合器齿轮的热处理工艺设计

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专业班级：

学生姓名：

指导教师姓名：邵红红纪嘉明

2013年7月

汽车离合器齿轮的热处理工艺设计

指导老师姓名：邵红红纪嘉明

1 汽车离合器齿轮零件图

图1 汽车离合器齿轮

2 服役条件及提出的性能要求和技术指标

2.1 服役条件

离合器齿轮是离合器中重要的零件之一,用于接通或断开主轴的反转传动路

线，与其他零件一起组成摩擦片正反转离合器。它主要作用是传递动力、改变运动方向。传递动力时，齿根部位受到大的交变弯曲应力，而齿面有很大的接触疲劳应力，强烈的摩擦，并且有时还受到一定的冲击力。

2.2性能要求

齿轮是现代机械中应用最广泛的一种机械传动零件，合理地选择和使用金属材料尤为重要。大致上讲，应主要满足齿轮材料所需的机械性能、工艺性能和经济性要求三个方面：

（1）满足齿轮材料的机械性能

材料的机械性能包括强度、硬度、塑性及韧性等，反映材料在使用过程中所表现出来的特性。齿轮在啮合时齿面接触处有接触应力，齿根部有最大弯曲应力，可能产生齿面或齿体强度失效。齿面各点都有相对滑动，会产生磨损。齿轮主要的失效形式有齿面点蚀、齿面胶合、齿面塑性变形和轮齿折断等。因此要求齿轮材料有高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，齿面要有足够的硬度和耐磨性，芯部要有一定的强度和韧性。

（2）满足齿轮材料的工艺性能

材料的工艺性能是指材料本身能够适应各种加工工艺要求的能力。齿轮的制造要经过锻造、切削加工和热处理等几种加工，因此选材时要对材料的工艺性能加以注意。一般来说，碳钢的锻造、切削加工等工艺性能较好，其机械性能可以满足一般工作条件的要求。但强度不够高，淬透性较差。而合金钢淬透性好、强度高，但锻造、切削加工性能较差。我们可以通过改变工艺规程、热处理方法等途经来改善材料的工艺性能。

（3）满足齿轮材料的经济性要求

所谓经济性是指最小的耗费取得最大的经济效益。在满足使用性能的前提下，选用齿轮材料还应注意尽量降低零件的总成本。从材料本身价格来考虑：碳钢和铸铁的价格是比较低廉的，因此在满足零件机械性能的前提下选用碳钢和铸铁，不仅具有较好的加工工艺性能，而且可降低成本。从金属资源和供应情况来看，应尽可能减少材料的进口量及价格昂贵材料的使用量。从齿轮生产过程的耗费来考虑：采用不同的热处理方法相对加工费用也不一样；通过改进热处理工艺也可以降低成本；所选钢种应尽量少而集中，以便采购和管理；我们还可以通过改进工艺来提高经济效益。

2.3 技术指标

（1）渗碳层表面含碳量：0.8—1.0% ；

（2）渗碳层厚度：0.8—1.2mm；

（3）齿轮表面硬度要求为：58～62HRC；

（4）齿轮心部硬度要求为：30～45HRC；

（5）其余力学性能要求为：σS ≥850MPa ,σ-1 ≥440MPa ,A KV≥65J 。

3 选材

3.1 常用材料比较分析

离合器齿轮属于重载荷齿轮，受力较大，且频繁受冲击，因此在耐磨性、疲劳强度、抗冲击能力等方面要求较高，为满足表面耐磨性和整体强韧性的要求，一般选用渗碳钢，目前国内离合器齿轮用材大致有20Cr、20CrMo 、20CrMnTi

等。选用热处理为：渗碳。

（1）20Cr

20Cr是典型的低淬透性钢，但比相同含碳量的碳素钢的强度和淬透性都有明显提高，油淬后可得马氏体淬硬层为Φ20～23，常用于制造截面尺寸小于30㎜，形状简单，受力不大，变速档较高，负载不大的而耐磨渗碳零件。

20Cr正火后硬度为HB179～217，显微组织为均匀分布的片状珠光体和铁素体，经渗碳后淬火、回火，表面硬度达56～62HRC，心部硬度达35～45HRC。σb≥835MPa，σS≥540MPa, δS≥10﹪, ψ≥40﹪, A k≥47J。

（2）20CrMo

20CrMo材料属于低碳合金结构钢,适合渗碳淬火处理;淬透性较高，无回火脆性，焊接性相当好，形成冷裂的倾向很小，可切削性及冷应变塑性良好。一般在调质或渗碳淬火状态下使用，用于制造在非腐蚀性介质及工作温度低于250℃、含有氮氢混合物的介质中工作的高压管及各种紧固件、较高级的渗碳零件，如齿轮、轴等。

(3)20CrMnTi

20CrMnTi是典型的中淬透性钢，该钢由于Cr、Mn多元复合合金化的作用，淬透性好，油淬临界直径为40mm左右。渗碳后淬火回火具有较高耐磨性和抗弯强度以及高的强韧性，特别是良好的低温冲击韧性，钢的渗碳工艺性较好，晶粒长大倾向小，热处理工艺简单，但高温回火时有回火脆性倾向，渗碳后可直接淬火，变形比较小。

20CrMnTi的热加工和冷加工性能较好，正火后硬度为HB180～230，相对切削性能好，并可获得光洁的表面。一般可用于制造截面在30mm以下的承受高速、中速及重载荷以及冲击和摩擦的重要渗碳零件，如齿轮、齿轮圈、离合器轴、液压马达转子等。

由以上分析，综合汽车离合器齿轮的服役条件、失效形式、性能要求考虑，选择20CrMnTi钢作为汽车离合器齿轮的材料。

3.2合金元素的作用

（1）C的作用

C%＝0.17～0.23% 是为了渗碳时保证碳元素的正常渗入。淬火热处理后保证心部得到低碳马氏体，具有足够的强韧性，抵抗冲击载荷。

（2）Cr、Mn、Si的作用

Cr、Mn完全固溶于奥氏体中，主要是提高钢的淬透性；固溶强化基体组织，并改善基体组织的回火稳定性。部分Cr、Mn元素从基体组织中扩散到析出的渗碳体Fe3C中，形成合金渗碳体（Cr、Mn、Fe）3C，改善其硬度。合金渗碳体（Cr、Mn、Fe）3C与碳化物TiC同基体组织一起共同作用，使钢产生较高的强度、硬度与耐磨性，同时保持良好的韧性。

（3）Ti的作用

以碳化TiC形式钉扎于奥氏体晶界，阻止奥氏体晶粒的长大，细化晶粒；提高钢的回火稳定性，同时还可形成合金碳化物渗层耐磨性。

3.3 材料成分表及临界温度

20CrMnTi成分及含量质量分数如表1 所示。

表1 20CrMnTi成分及含量（质量百分数）

20CrMnTi的临界温度如表2 所示：

表2 20CrMnTi的临界温度

4 离合器齿轮热处理工艺设计

4.1 工艺路线

下料→锻造→正火→机加工→清洗→渗碳→预冷直接淬火→低温回火→精加工→清洗→检验→包装

4.2 正火处理工艺

（1）正火目的

为了消除锻造应力及其不良组织，改善切削加工性，因该钢是低碳合金钢，碳含量低，韧性大，切削时“粘刀”严重，为改善切削加工性能，采用高温正火。