40Cr机床齿轮热处理工艺

40Cr机床齿轮热处理工艺

目录

1.毕业设计任务书--------------------------------------------------------------4

2.毕业设计说明书--------------------------------------------------------------4 1 概述-----------------------------------------------------------------------------4 1.1 齿轮的工作条件分析-----------------------------------------------------4 1.2 齿轮的选材要求-----------------------------------------------------------4

1.3齿轮的材料选择-------------------------------------------------------------6

2 热处理工艺--------------------------------------------------------------------6 2.1 齿轮钢常用热处理工艺---------------------------------------------------6 2.2 齿轮材料的主要热处理特性----------------------------------------------6 3热处理工艺的设计-------------------------------------------------------------7 3.1 热处理变形---------------------------------------------------------------7 3.2 淬火变形的原因分析---------------------------------------------------7

3.3 最终热处理工艺-----------------------------------------------------------8

4 40cr介绍----------------------------------------------------------------------8 4.1 40cr特性及用途----------------------------------------------------------8 4.2 热处理工艺---------------------------------------------------------------9 4.3 40Cr的化学成分及临界温度--------------------------------------------9

4.4 40Cr的性质--------------------------------------------------------------9

5 40Cr热处理工艺特性介绍---------------------------------------------------9

5.1 预备热处理--------------------------------------------------------------9

5.2 最终热处理--------------------------------------------------------------9

6 热处理工艺的制定----------------------------------------------------------10 6.1 退火工艺的制定---------------------------------------------------------10 6.2 正火工艺的制定---------------------------------------------------------10 6.3 淬火工艺的制定---------------------------------------------------------10

6.4 回火工艺的制定---------------------------------------------------------11

7 40Cr热处理冲击韧性与硬度-----------------------------------------------12

8 40Cr热处理金相组织分析--------------------------------------------------13 8.1 正火热处理---------------------------------------------------------------13

8.2 调质处理------------------------------------------------------------------13

9 机床齿轮---------------------------------------------------------------------14

10 变速箱齿轮---------------------------------------------------------------16 10.1 齿轮热处理概---------------------------------------------------------17 10.2 40Cr齿轮热处理工艺设计--------------------------------------------18 10.3 40Cr齿轮的热处理工艺设计------------------------------------------19 10.4 40Cr的正火工艺理论基础、原则-----------------------------------20 10.5 40Cr的气体渗碳工艺理论基础、原则--------------------------------20

10.6 40Cr齿轮热处理常见缺陷的预防及补救方法----------------------22

3.毕业设计总结-----------------------------------------------------------------25

4.参考文献----------------------------------------------------------------------27

40Cr机床齿轮热处理工艺设计

摘要：本文通过制定40Cr钢退火、正火、淬火、回火、调质热处理工艺，测

定在各种热处理情况下试样的硬度和冲击韧性，并进行材料的金相组织分析，确定40Cr机床齿轮的最终性能；运用了一套完整的热处理工艺；设计出了符合标准要求的40Cr机床齿轮。https://www.360docs.net/doc/3a16808367.html,

关键词：机床齿轮；40Cr ；热处理

1 概述

1.1 齿轮的工作条件分析

一对齿轮在运转工作时，两齿面啮合运动：

(1) 因传递扭矩而使齿根部受到很大的交变弯曲应力；

(2) 同时使齿面有相互滚动和滑动摩擦的摩擦力；

(3) 在齿轮面窄小接触处承受很大的交变接触压应力；

(4) 由于运转过程中的换挡、启动和啮合不均，使齿部承受一定的冲击载荷作用；

(5) 此外，瞬时过载、润滑油腐蚀及外部硬质磨粒的侵入等情况，都可以加剧齿轮工作条件的恶化。https://www.360docs.net/doc/3a16808367.html,

1.2 齿轮的选材要求

齿轮常用的钢有调质钢、淬火钢、渗碳淬火钢和渗氮钢。铸钢的强度比锻钢稍低，常用于尺寸较大的齿轮；灰铸铁的力学性能较差，可用于轻载的开式齿轮传动中；球墨铸铁可部分的代替钢来制造齿轮。

1.3齿轮的材料选择

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力学性能、工艺性能和经济性要求三个方面：

1.3.1满足齿轮材料的力学性能

材料的力学性能包括强度、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，心部要有一定的强度和韧性。

1.3.2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，其力学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。

1.3.3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。我们可以从以下几方面考虑：从材料本身价格来考虑。碳钢和铸铁的价格是比较低廉的，因此在满足零件力学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，从而以便采购和管理；我们还可以通过改进工艺来提高经济效益，见图1所示。

图1齿轮零件图及实体图

2.1 齿轮钢常用热处理工艺

2.1.1表面淬火

常用于中碳钢和中碳合金钢，如40Cr钢等。表面淬火后，齿面硬度一般为40～55HRC。特点是抗疲劳点蚀、抗胶合能力高，耐磨性好。由于齿心部末淬硬，齿轮仍有足够的韧性，能承受不大的冲击载荷。

2.1.2调质

调质一般用于中碳钢和中碳合金钢，如40Cr、钢等。调质处理后齿面硬度一般为220～280HBS。因硬度不高，轮齿精加工可在热处理后进行。

2.1.3正火

正火能消除内应力，细化晶粒，改善力学性能和切削性能。机械强度要求不高的齿轮可采用中碳钢正火处理，大直径的齿轮可采用铸钢正火处理。

2.2 齿轮材料的主要热处理特性

2.2.1 淬透性

含义: 指钢接受淬火而获得马氏体的能力，不同钢种接受淬火的能力不同。淬透性不同的钢，淬火后得到的淬透层深度不同，从而沿截面分布的金相组织以及力学性能也不同。淬透层深度是指由淬火表面马氏体到50%马氏体层的深度。全部淬透的工件通常表面残留着拉力，容易产生变形和开裂，同时对工作的疲劳性能也不利。设计时考虑要点：

（1）零件尺寸越大，内部热容量越大，淬火时零件的冷却速度越慢，因此，淬透层越薄，性能越差，这种现象叫做“钢材的尺寸效应”。所以，不能根据小尺寸的性能数据用于大尺寸零件的强度计算，而必须考虑钢材的淬透性。

（2）大截面或结构复杂的齿轮采用多元合金钢，保证足够而适当的淬透性，保证沿整个截面有良好的综合力学性能，同时，减少变形，防止开裂。

（3）对碳钢齿轮，由于碳钢的淬透性低，在设计大尺寸时，正火和调质效果相似，而正火可降低成本，不必要求调质。

（4）大模数高质齿轮由于受到钢材淬透性的限制，应当开齿后调质。https://www.360docs.net/doc/3a16808367.html,

2.2.2 淬硬性

含义：指钢在正常淬火条件下，以超过临界冷却速度所形成马氏体组织能够达到最高硬度。设计时考虑要点：淬硬性与淬透性不同，它主要取决于钢中的含碳量。钢中含碳量越高，淬火后硬度越高，而与合金元素关系不大。所以，淬火硬度高的钢不一定就淬透性高，而硬度低的钢，也可能具有高的淬透性。

2.2.3 过热敏感性

含义：指钢在正常淬火条件下，以超过临界冷却速度所形成马氏体组织能够达到最高硬度。设计时考虑要点：淬硬性与淬透性不同，它主要取决于钢中的含碳量。钢中含碳量越高，淬火后硬度越高，而与合金元素关系不大。所以，淬火硬度高的钢不一定就淬透性高，而硬度低的钢，也可能具有高的淬透性。

2.2.4 回火稳定性

含义：指钢在正常淬火条件下，以超过临界冷却速度所形成马氏体组织能够达到最高硬度。设计时考虑要点：淬硬性与淬透性不同，它主要取决于钢中的含碳量。钢中含碳量越高，淬火后硬度越高，而与合金元素关系不大。所以，淬火硬度高的钢不一定就淬透性高，而硬度低的钢，也可能具有高的淬透性。

2.2.5 变形开裂倾向

含义：指钢在加热和冷却过程中产生热应力和组织应力，其综合作用超过钢的σs或σb而产生变形开裂的倾向。设计时考虑要点：加热或冷却速度太快，加热和冷却不均匀都容易造成工件变形甚至开裂，因此：

（1）设计齿轮时，在结构上应尽量避免尖角和厚薄断面的突然变化。

（2）采用缓和的淬火介质或淬火方法。

2.2.6 尺寸稳定性

含义：指零件在长期存放或使用中尺寸稳定不变的性能。这对精密齿轮是很重要的。设计时考虑要点：引起尺寸变化的主要原因是内应力的存在以及组织中残余奥氏体的分解，因此，设计精密齿轮时，应当要求稳定化处理，如淬火后进行冷处理或低温时效。使马氏体趋于稳定，并减少内应力，以使齿轮尺寸稳定。

2.2.7回火脆性

含义：指钢在某一温度范围回火时所发生的冲击性降低现象。产生回火脆性的钢，不仅室温下冲击韧性较正常为低，而且使钢的冷脆温度大为提高。设计时考虑要点：合金结构钢在250℃～400℃回火时引起冲击韧性及断裂韧性下降，这种现象一般称为第一类回火脆性。它不能通过热处理方法来消除，设计时应考虑到这一点。

3 热处理工艺的设计

3.1 热处理变形

最初热处理工艺在齿轮的渗碳淬火中，要做到完全不变形是不可能的。其变形主要是在渗碳淬火工序中发牛，主要受材料的淬透性、锻造后齿坯的组织状态、淬火温度、淬火介质和齿轮装夹方式等因素的影响。

3.2 淬火变形的原因分析

在渗碳淬火之前，进行的前处理不适当。即由于锻造后的退火奥氏体化温度低，坯料组织均匀化不充分，而且由于加热后的冷却速度缓慢，使铁素体增多，生成近似于带状和块状组织。因此，由于渗碳时的奥氏体化，就产生组织变化和内应力变化这些变化是产生淬火变形的原因之一。对易产生淬火变形的齿轮，由于对下述问题注意不够，也会导致变形的发生：预热时的缓慢加热采用较低的渗碳温度；齿轮的装夹方式。一般来说，相对于外径而言，在内径较小的情况下，没有采取对应措施，就会造成内径收缩。

3.3 最终热处理工艺

在齿轮的渗碳淬火中，为了防止淬火变形，多采用压力淬火，但在品种多、批量小的周期式渗碳淬火中，由于效率低并且不经济，一般不采用这种淬火。综合上面分析，采取措施，对初始工艺进行改进，有效地防止了热处理变形：调整渗碳淬火的前处理。前处理在粗加工后进行，940℃油淬成马氏体；淬火后在700℃温度下回火，进行球化处理。经过这种处理后，坯料组织能达到预期的细化和均匀化，大大减少出现铁素体的带状组织和块状组织，从而降低比

容变化引起的体积变化以及热应力引起的应变。

综上所述，采取措施后，确定工艺路线如下：锻造一退火一粗加工一淬火回火一轮齿加工一测定尺寸一气体渗碳淬火一测定尺寸。影响热处理变形的因素很多，如材料性能、锻造后齿坯的组织状态、淬火温度、淬火介质和齿轮装炉方式等，因此找出合适的防止变形方法是不容易的，但在我们详细的研究工艺过程中，可以发现解决问题的线索，从而找到合适的工艺，达到产品的设计要求，这也是我们此次研究的主要内容。

4 40cr介绍

40Cr是我国GB的标准钢号，40Cr钢是机械制造业使用最广泛的钢之一。调质处理后具有良好的综合力学性能，良好的低温冲击韧性和低的缺口敏感性。钢的淬透性良好，水淬时可淬透到Ф28～60mm,油淬时可淬透到Ф15～40mm。这种钢除调质处理外还适于氰化和高频淬火处理。切削性能较好，当硬度为174～229HBS时，相对切削加工性为60%。

4.140cr特性及用途

特性：中碳调制钢，冷镦模具钢。该钢价格适中，加工容易，经适当的热处理以后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性。正火可促进组织球化，改进硬度小于160HBS毛坯的切削性能。在温度550℃～570℃进行回火，该钢具有最佳的综合力学性能。该钢的淬透性高于45钢，适合于高频淬火，火焰淬火等表面硬化处理等。

用途：这种钢经调质后用于制造承受中等负荷及中等速度工作的机械零件，如汽车的转向节、后半轴以及机床上的齿轮、轴、蜗杆、花键轴、顶尖套等；经淬火及中温回火后用于制造承受高负荷、冲击及中等速度工作的零件，如齿轮、主轴、油泵转子、滑块、套环等；经淬火及低温回火后用于制造承受重负荷、低冲击及具有耐磨性、截面上实体厚度在25mm以下的零件，如蜗杆、主轴、轴、套环等；经调质并高频表面淬火后用于制造具有高的表面硬度及耐磨性而无很大冲击的零件，如齿轮、套筒、轴、主轴、曲轴、心轴、销子、连杆、螺钉、螺帽、进气阀等。此外，这种钢又适于制造进行碳氮共渗处理的各种传动零件，如直径较大和低温韧性好的齿轮和轴。40Cr广泛用于机械制造，这种钢的力学性能很好。但是这是一种中碳钢，淬火性能并不好，40Cr可以淬硬至42～46HRC。所以如果需要表面硬度，又希望发挥40Cr优越的力学性能，常将40Cr表面渗碳淬火，这样就能得到需要的表面硬度。

4.2 热处理工艺

淬火工艺：40Cr淬火850℃,油冷；回火520℃,水冷、油冷。40Cr表面淬火硬度为52～60HRC，火焰淬火能达到48～55HRC。

氮化处理：40Cr属于可氮化钢，其所含元素有利于氮化。40Cr经氮化处理后可获得较高的表面硬度，40Cr调质后氮化处理硬度最高能达到72～78HRA，即43~55HRC。氮化工件工艺路线：锻造－退火－粗加工－调质－精加工－除应力－粗磨－氮化－精磨或研磨。由于氮化层薄，并且较脆，因此要求有较高强度的心部组织，所以要先进行调质热处理，获得回火索氏体，提高心部力学性能和氮化层质量。软氮化是活性氮化,现在比较常用的是气体氮化。

4.340Cr的化学成分及临界温度见表1

4.440Cr的性质

从铁碳合金相图来看，40Cr钢属于亚共析钢，缓冷到室温后的组织为铁素体＋珠光体；从钢的分类来看，40Cr钢属于低淬透性调质钢，具有很高的强度，良好的塑性和韧性，总体的使用性能较好，即具有良好的综合力学性能；40Cr 钢可用于制造机床的主轴、齿轮等零件。

5 40Cr热处理工艺特性介绍

5.1 预备热处理

调质钢经热加工后，必须经过预备热处理来降低硬度，便于切削加工，消除热加工时造成的组织缺陷，细化晶粒，改善组织，为最终热处理做好准备。对于40Cr钢而言，可进行正火或退火处理。

5.2最终热处理

调质钢的最终热处理是淬火加高温回火。一般可以采用较慢的冷却速度淬火，可以用油淬以避免热处理缺陷。当强度较高时，采用较低的回火温度，反之选用较高的回火温度。

6 热处理工艺的制定

40Cr热处理工艺的制定按上述知识，对40Cr钢分别采用退火、正火、淬火、不同的回火温度情况下的热处理，测定不同情况下试样的硬度与冲击韧性值。

6.1 退火工艺的制定

图2为退火及正火工艺曲线图。加热温度：Ac2＋（30～50）℃，由此确定加热温度为850℃；保温时间：120min；冷却方式：随炉冷却。

图2退火及正火工艺曲线图。

6.2 正火工艺的制定

加热温度：Ac3＋（30～50）℃，由此确定加热温度为850℃；保温时间：120min；冷却方式：空冷。

6.3 淬火工艺的制定

＋（30～50）℃，由此确定加热温图3为淬火工艺曲线图。加热温度： Ac

3

度为 850℃；保温时间：80min；冷却方式：油冷。https://www.360docs.net/doc/3a16808367.html,

图3淬火工艺曲线图。

6.4 回火工艺的制定

6.4.1 低温回火

图4为淬火加低温回火工艺曲线图。亚共析钢的低温回火温度为150℃～300℃，但钢材的第一类回火脆性温度在250℃～400℃，由于40Cr中含有硅、锰、铬等合金元素，第一类回火脆性温度将有所增高，所以选用低温回火温度为240℃；保温时间为：60min；采用空冷。

图4淬火加低温回火工艺曲线图。

6.4.2 中温回火

中温回火温度为350℃～500Ｃ，选用温度为460℃；保温时间为：50min；

空冷。

6.4.3 高温回火（调质处理）

图5为淬火加高温回火工艺曲线图。高温回火温度为： 500℃～650℃，可选用加热温度为：620℃；保温时间为：60min；空冷。

图5淬火加高温回火工艺曲线图。

7 40Cr热处理冲击韧性与硬度

为检测试样在热处理后的硬度与韧性，对退火和正火的试样进行布氏硬度的测定；对淬火后低温回火、中温回火、高温回火（调质）的试样进行洛氏硬度的测定；同时对调质处理与油淬后的试样进行冲击韧性测定。结论见表2冲击韧性值，表3退火、正火的布氏硬度值，表4淬火后回火热处理的洛氏硬度值。40Cr 正火后的组织见图6。

图6 40Cr正火后的组织

8 40Cr热处理金相组织分析

8.1 正火热处理

正火是加热、保温后在空气中冷却，其冷却速度比炉冷快，珠光体转变温度低，因此正火后获得的珠光体比退火后的珠光体细，正火后组织应为铁素体加珠光体以及可能出现的魏氏组织。

8.2 调质处理

调质热处理是淬火加高温回火，其室温组织为回火索氏体。40Cr钢的原始组织为球状珠光体，由于球状的接触面积小，同时铬能阻碍碳的扩散，而铬本身扩散速度较慢，因此加热温度应选择上限，且保温时间加长，否则球状渗碳体很难完全溶解而被保留下来，造成淬火后硬度及强度下降。40Cr调质后的组织见图7。

图7 40Cr调质后的组织

通过对不同热处理试样的硬度值、冲击值的测定，可知正火后40Cr试样的硬度值比退火后试样的硬度值略高，比油淬试样的硬度低，同时硬度值也低于40Cr调质钢；从冲击韧性来看，经调质处理后40Cr试样的冲击韧性远远比正火钢高。从金相显微组织来看，正火40Cr钢的室温组织为铁素体与珠光体，，而调质40Cr钢的室温组织为回火索氏体，因此可以得出40Cr钢经调质处理后既有比较高的硬度和强度，同时又具有比较好的韧性，即具有良好的综合力学性能。经调质处理后的钢可以用来制作曲轴、连杆、机床主轴、齿轮等既要求强度又能承受冲击和交变负载作用的零件。

9 机床齿轮

机床中使用的齿轮主要起传递动力、改变运动速度和运动方向的作用。机床齿轮的工作条件比起汽车、拖拉机、矿山机械、动力机械中的齿轮来说相对工作平稳,负荷小,工作环境较好。一般机床中的齿轮精度大部分是7级精度,只有在分度传动机构中要求较高的精度。机床齿轮工作时一般受力情况为:(1)齿部承受很大的交变弯曲应力;(2)换档、启动或啮合不均匀时承受冲击力;(3)齿面相互滚动、滑动时摩擦,并承受接触压应力;以上齿轮的受力特点决定其损坏形式主要是齿的折断和齿面的剥落及过度磨损。据此,在选择齿轮材料时要使材料性能满足以下要求:(1)高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度;(2)齿面有高的硬度和耐磨性;(3)齿轮心部有足够高的强度和韧性;(4)较好的热处理工艺性。实践证明,一般机床齿轮选用中碳钢制造,并经感应加热表面淬火处理,所得到的硬度、耐磨性、强度及韧性均能满足要求,而且感应加热表面淬火件具有不易氧化、生产率高等优点。齿轮的感应加热表面淬火分为两类:一类是大模数齿轮(m>4),多采用逐齿加热淬火法;另一类是小模数齿轮(m<3.5),一般采用整体加热淬火法。

例以减速器齿轮为例来进行以下分析：

齿轮的材料选择主要取决于其工作条件、使用情况；一般考虑齿轮的弯曲疲劳强度、接触疲劳强度及耐磨性。故初步选定的材料为40Cr.

40Cr工艺路线：下料—锻造—毛坯调制—机械加工—热处理—精加工

40Cr预先热处理：预先热处理相关工艺如表5

淬火性能并不好。

40Cr最终热处理：

（1）工艺：感应加热淬火+低温回火（2）温度：850℃（3）介质：油（4）硬度：45~55HRC（5）采用高频感应加热淬火、低温回火，使其表面获得回火索氏体，已达到足够的硬度和耐磨性。

此外，我们还对TPX619B主运动齿轮材料及热处理工艺进行了介绍。（1）齿轮常用材料和热处理工艺

高频淬火齿轮通常用含碳量为0.40%～0.50%碳钢或低合金钢(40、45、40Cr 和45Mn2) 制造。大批量生产时, 一般要求精选含碳量以保证质量。45 #钢限制在0.42%～0.47%C, 40Cr 钢限制在0.37%～0.42%C。经高频淬火并低温回火后,淬硬层应为混合回火马氏体, 而心部则为毛坯热处理(正火或调质) 后的组织。

由于齿轮的承载范围广,工作情况复杂, 应根据不同的工作环境及要求选择适用的强化手段。对于中档承载能力的齿轮(m =2～10 mm),线速度≤30 m/s,齿面接触应力≤700 MPa, 精度9～7级,往往要求达到一定的硬化层深度, 而渗氮是实现深层处理的低温化学热处理工艺。而某些高速齿轮的线速度高达100 m/s 以上, 提高这些齿轮的齿面抗擦伤、抗胶合能力十分重要, 可将渗氮与低温电解渗硫复合处理作为进一步提高抗胶能力的工艺。而对于高精度、小模数的齿轮常采用气体碳氮共渗工艺, 既可提高零件的耐磨性和接触疲劳强度, 又能保证齿轮磨削后的精度达到设计要求。

齿轮的渗碳层深度可以根据模数来选择。当模数≤1.25 mm时，深度范围为0.1～0.25 mm；当模数为1.5～2.5 mm时，深度范围为0.25～0.40 mm；当模数为3～4 mm时，深度范围为0.35～0.50 mm。

当模数为4.5～6 mm 时，深度范围为0.45～0.55mm；当模数＞6 mm时，深度范围＞0.50 mm；对于高速重载齿轮，渗碳层深度范围为0.7～1.1 mm。

在工作中，齿轮的受力情况比较复杂，齿轮的根部受交变弯曲应力，齿面受大的接触应力并产生强烈的摩擦，并且在啮合不良时，还受到一定的冲击载荷，所以齿轮一般要具有以下性能：1）较高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度；2）齿面具有较高的硬度和耐磨性；3）齿轮心部具有足够的强度和韧性。为了达到以上性能，满足工作需要，就要根据齿轮工作的载荷和环境合理地选择齿轮材料和热处理工艺。

（2）TPX619B主运动齿轮分析

TPX619B属于低速、中重型机床且齿轮运行环境良好。机床主轴箱齿轮承担着传递动力和变速的任务，工作时间长，故一般采用碳钢或40Cr或20Cr制造，见图7 和表6。

表6

40Cr合金钢齿轮热处理为齿部高频淬火+低温回火，热处理后，表面硬度可达48HRC。提高了钢的表面耐磨性，且心部由于没有进行淬火保持了好的韧性，变形小；图1中5～8、13、14齿轮在传动中受冲击力大，且换挡次数频繁，所以要求齿轮具有高的耐磨性，疲劳强度和心部韧性。故选用20Cr材料。热处理工艺采用渗碳+淬火+低温回火。根据机床齿轮的工作状态，属于重载齿轮，故渗碳层取0.9mm。渗碳后表面含碳量提高，表面硬度要求58（59）HRC;心部硬度可达30～45HRC，保证了足够的强度和韧性。

图8 主运动齿轮传动图

（3）主运动齿轮常见问题分析

在实际生产和服务过程中，机床主运动部分有齿轮噪声、杂音等现象发生，也偶有发生断齿和齿轮变形的情况。齿轮噪声和杂音的产生一般是因加工精度不能保证而引起的，比如：磨齿齿面鱼鳞状；滚齿、剃齿、插齿等齿面粗糙有沟，齿轮精度不合格等。通过严格控制产品质量，保证零件按图纸加工可以有效避免此类问题发生。

齿轮打齿及齿轮变形的情况则是由于热处理不当引起的。实际生产中小尺寸的渗碳钢齿轮易发生断齿现象，需要进行渗碳的齿轮，若渗碳层过大，则会导致齿轮心部硬度过高，韧性不足，导致断齿现象的发生。齿轮变形则是由于表面硬度不够造成的，检测变形齿轮发现变形齿轮硬度低于图纸要求硬度，严格控制热处理工艺后症状没有再发生。由上述可见， TPX619B产品的齿轮材料和热处理与其运行工况是相符的，能满足机床工作需要。

虽然齿轮设计在机床设计工作中的数量在减少，但随着电气技术的提高对齿轮提出的要求也相应提高，从我国现阶段机床发展水平来看，齿轮传动结构还不可避免。为保证力学性能、提高齿轮传动质量根据工况要正确地选择齿轮材料、冷加工和热处理工艺。

10 变速箱齿轮

10.1齿轮热处理概况

变速箱的齿轮或齿轴一般都要承受交变载荷甚至冲击载荷，接触应力大，齿面易磨损。因此，对齿轮的要求是表面硬且耐磨，心部强而韧，具有高的抗疲劳强度，表面不崩裂，不压陷，不点蚀，为了满足这些性能的要求，常常采用普低钢(40Cr、20CrMnMo)经正火、渗碳、淬火加低温回火的热处理工艺，而且渗碳层必须有合适的碳浓度、碳层深度和金相组织

40Cr钢的含碳质量分数比较低，一次预备热处理是正火，主要目的是为了提高钢的硬度，便于钢坯的切削加工。渗碳的目的是为了使齿轮表面获得高的含碳量，随后经淬火加低温回火后，是零件表面得到高的硬度和耐磨性，而心部仍保持一定的强度及较高的塑性、韧性。

通过对经典40Cr钢热处理工艺的分析，更加明确在执行热处理工艺过程中所需要注意的问题。能够正确确定加热温度、时间，保温时间，冷却方式，其目的就是通过正确的热处理工艺，使金属材料的潜在能力得到充分的发挥。

根据齿轮的工作条件，失效形式及性能要求，本设计选择的齿轮材料为40Cr 渗碳齿轮钢；在设计正火-渗碳-淬火加低温回火热处理工艺中，本设计借鉴了《热处理工程师手册》，《钢的热处理》，《机床零件用钢》，《齿轮热处理译文集》等。根据工艺设计的理论基础设定了完整的热处理工艺流程，使热处理的40Cr 渗碳齿轮钢表面除具有高硬度，高耐磨性外，高的耐点蚀性能，高的疲劳强度，还要使心部具有高的的强度和韧性，从而满足齿轮的质量要求。

10.240Cr齿轮热处理工艺设计

10.2.1齿轮的服役条件、失效形式及性能要求

（1）服役条件、失效形式

齿轮在传递动载力及变速度的运动过程中一对咬合齿面之间既有滚动，又有滑动，而且齿轮根部还将受到脉动或交变弯曲应力的作用。齿面和齿根在上述不同应力作用下导致不同的失效形式，主要有疲劳磨损、表面点蚀、皮下点蚀、弯曲疲劳折断，冲击折断等。

（2）性能要求

1）具有高的接触疲劳极限；

2）具有高的抗弯强度；

3）具有高的耐磨性；

4）具有足够的冲击韧性；

5）具有高的传递精度和最小的工作响音。

10.2.2 齿轮材料的选择

具体齿轮材料的选用主要是根据齿轮工作时载荷的大小,转速的高低及齿轮的精度要求来确定的。载荷大小主要是指齿轮传递转矩的大小,通常以齿面上单位压应力作为衡量标志。一般分为:轻载荷、中载荷、重载荷和超重载荷。齿轮工作时转速越大,齿面和齿根受到的交变应力次数越多,齿面磨损越严重。因此可以把齿轮转动的圆周速度v 的大小,作为材料承受疲劳和磨损的尺度。一般分为:低速轮(1～9 m/ s) ;中速齿轮(6～10 m/ s) ;高速齿轮(10～15 m/ s) 。齿轮的精度高,则齿形准确,公差小,啮合紧密,传动平稳且无噪声。机床齿轮精度一般为6～8 级(中、低速) 和8～12 级(高速) ,汽车等齿轮精度一般为6～8 级。

（1）轻载、低速或中速、冲击力小、精度较低的一般齿轮, 选用中碳钢, 如Q235、Q275、40、45、50、50Mn 等钢制造,常用正火或调质等热处理制成软齿面齿轮, 正火硬度160～200HBS ; 一般调质硬度200～280HBS。因硬度适中,精切齿廓可在热处理后进行,工艺简单,成本低。齿面硬度不高则易于磨合,但承载能

力也不高。这种齿轮主要用于标准系列减速箱齿轮、冶金机械、中载机械和机床中的一些次要齿轮。

（2）中载、中速、承受一定冲击载荷、运动较为平稳的齿轮,选用中碳钢或合金调质钢,如45、50Mn、40Cr、42SiMn 等钢,也可采用55Tid、60Tid 等低淬透性钢。其最终热处理采用高频或中频淬火及低温回火,制成硬齿面齿轮,可达齿面硬度50～55HRC ,齿轮心部保持正火或调质状态,具有较好的韧性。由于感应加热表面淬火的齿轮变形小,若精度要求不高(如7级以下) ,可不必再磨齿。机床中绝大多数齿轮就是这种类型的齿轮。对表面硬化的齿轮,应注意控制硬化层深度及硬化层沿齿廓的合理分布。

（3）重载、高速或中速,且受较大冲击载荷的齿轮,选用低碳合金渗碳钢或碳氮共渗钢,如20Cr、40Cr 、20CrNi3、18Cr2Ni4WA、40Cr 、30CrMnTi 等钢。其热处理采用渗碳、淬火、低温回火,齿轮表面获得58～63HRC 的高硬度,因淬透性较高,齿轮心部有较高的强度和韧性。这种齿轮的表面耐磨性、抗疲劳强度和齿根的抗弯强度及心部抗冲击能力都比表面淬火的齿轮高,但热处理变形大,精度要求较高时,最后一般要安排磨削。它适用于工作条件较为恶劣的汽车、拖拉机的变速箱和后桥齿轮。渗碳齿轮钢的碳含量一般在0.12%～0.25%之间，其所含主要合金元素一般是铬、锰、铌、钼、钨、钛等。渗碳齿轮钢还应满足下列要求： 1）非金属夹杂物少； 2）切削加工性好； 3）晶粒度小和含氧量少（铝脱氧钢）； 4）淬火变形小；汽车变速齿轮工作条件比机床齿轮差,特别是主传动系统中的齿轮。它受力较大,受冲击较频繁,因此对材料要求较高。由于弯曲与接触应力都很大,所以重要齿轮都需要渗碳、淬火处理,以提高耐磨性和疲劳抗力。为了保证心部有足够的强度及韧性,材料的淬透性要求较高,心部硬度应在35～45HRC。另外,汽车生产特点是批量大,因此在选钢材时,在满足力学性能的前提下对工艺性能必须予以足够的重视。实践证明, 40Cr钢具有较高的力学性能,在渗碳,淬火、低温回火后,表面硬度可达58～62HRC ,心部硬度30～45HRC ,正火切削加工工艺性和热处理工艺性均较好。

10.340Cr齿轮的热处理工艺设计

10.3.1 40Cr的工艺流程

（1）加工路线：备料→锻造→正火→粗、半精加工→制齿→渗碳(留防渗余量或镀铜)→淬火、低温回火→精机加工磨齿（6级以上精度齿轮）。

（2）锻造工艺设计：造渗碳齿轮的毛坯经过锻造后获得基本的形状。锻造是利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形，已获得具有一定力学性能、一定形状和尺寸的锻件的加工方法。用棒料镦粗后经切削加工制成的齿轮，

其纤维组织弯曲呈放射状，所有齿根处的正应力都平行于纤维组织的方向，力学性能得到很大的提高。查阅《热处理工艺规范数据手册》可以找出40Cr钢的锻造工艺的加热温度、始锻温度冷却方式，本设计具体的锻造工艺参数如表2所示。

10.3.2 40Cr的热处理工艺设计

（1）预备热处理工序--正火

一般均安排在毛坯生产之后，切削加工之前，或粗加工之后，半精加工之前。正火的目的是为了细化晶粒、改善组织，提高切削加工性能，为最终热处理做好准备。

（2）40Cr的渗碳

常用的渗碳方法有：固体渗碳、液体渗碳、气体渗碳，气体渗碳具有碳势可控、生产率高、劳动条件好和便于直接淬火等优点因此应用最为广泛，本设计将采用气体渗碳工艺。从统计资料来看，一般渗碳件的表面碳含量可在0.6%～1.1%间变化。确定最佳表面含碳量的出发点，首先是获得表面最高硬度。其次是渗碳层具有最高的耐磨性和抗磨损性疲劳性能。近年来国内外的研究表明，对于一般低合金渗碳钢，表面含碳量为0.8%～1.0%是可获得最佳性能经渗碳后表面获得的高的含碳量约为 1.02，而心部维持仍为原来的低碳浓度。渗碳之前不需渗碳的齿轮根部应力集中处应进行涂防渗膏或镀铜处理，待渗碳后淬火前切去该部位的防渗余量。

（3）最终热处理工序—淬火、低温回火

零件经最终热处理后硬度较高，除磨削外不宜再进行其他切削加工，因此工序位置一般安排在半精加工后，磨削加工前。经淬火后表面获得高硬度、高的耐磨性，而心部仍维持良好的综合力学性能。为降低表面淬火的淬火应力，保持高硬度、耐磨性，淬火后应低温回火。

10.4 40Cr的正火工艺理论基础、原则

10.4.1．正火加热温度

通常对于亚共析钢正火的加热温度通常为Ac

以上30℃～50℃,而对于低碳

3

以上50℃～100℃，保温一定时间后取出合金钢的正火温度正火温度通常为Ac

3

喷雾冷却这种冷却方式称为高温正火。由铁碳合金相图如图7可知40Cr 的加热温度范围为893℃～943℃（常用930℃～950℃）。加热温度过低先共析铁素体未能全部溶解而达不到细化晶粒的作用，加热温度过高会造成晶粒粗化恶化钢的力学性能。本设计将采用另一种工业上常用方法等温正火即40Cr等温正火采用加热到920℃～930℃，保温一定的时间后强制风冷至550～600度，保温一定温度（2 h～3h),最后出炉空冷。等温正火得到显微组织是等轴状铁素体基体均匀分布着三次渗碳体颗粒。锻坯经过等温正火后，不仅改善了材料的组织和性能，还

减小了齿轮在渗碳淬火后的淬火变形。良好的应用效果使等温正火得到越来越广泛的应用。

10.4.2．正火加热保温时间

保温时间,这个问题比较复杂,一般由试验确定,但也有个经验公式:t = αKD t—保温时间(min)

α—加热系数(min/mm)

K—工件加热是的修正系数

D—工件的有效厚度(mm)

工件有效厚度的计算原则是:薄板工件的厚度即为其有效厚度;长的圆棒料直径为其有效厚度;正方体工件的边长为其有效厚度;长方体工件的高和宽小者为其有效厚度;带锥度的圆柱形工件的有效厚度是距小端2L/3(L为工件的长度)处的直径;带有通孔的工件,其壁厚为有效厚度. 一般情况下，碳钢可以按工件有效厚度每25毫米为一小时来计算，合金钢可以按工件的有效厚度每20毫米一小时来计算保温时间，加热时间应为2～3小时左右。

10.4.3．正火的目的

正火的主要目的是消除锻造缺陷，消除齿轮内部过大的应力,增加齿轮的韧性,改善材料的切削性,并为渗碳淬火做好组织准备。

10.5 40Cr的气体渗碳工艺理论基础、原则

10.5.1．40Cr齿轮气体渗碳工艺

将工件放在气体介质中加热并进行渗碳的工艺成为气体渗碳。气体渗碳温度及介质易于调整，碳浓度及渗层深度易于控制，容易实现直接淬火。适用于各种批量、各种尺寸的工件，因而应用最广。气体渗碳工艺主要分为滴注式和通气式两大类型。本工艺将采用滴注式气体渗碳法。

（1）有机液体的选用原则

1）碳氧比应大于1：碳氧比是指有机液体分子中碳原子数与氧原子数之

和活性碳原子[C],这样的有比。碳氧比大于1时，有机液体高温分解出CO、H

2

机液体可作为渗剂用于渗碳，比值越大表明渗碳能力越强。

2）碳当量：产生一克原子碳所需有机物的质量称为碳当量，有机液体的碳当量越小表明渗碳能力越强。据此，丙酮、异丙醇、乙酸乙酯、乙醇、甲醇的渗碳能力依次减弱。

3）形成炭黑倾向小分子量大的有机液体高温分解出大量的活性碳原子，工件吸收不完，多余的碳原子在工件会形成炭黑和结焦，这样会影响渗碳过程的进行。

4）应具有较大的产气量产气量是指在常压每立方厘米液体产生气体的体积。产气量高的渗碳剂，当向炉内装入新的工件时，可以在较短时间内把空气尽快地排除。

5）其他来源广泛、价格便宜，同时具有好的安全性和经济型。

（2）滴入式气体渗碳工艺过程

滴入式气体渗碳工艺过程通常分为四个阶段，即排气、强烈渗碳、扩散和降温阶段，程的各个阶段，应采用不同的渗剂量和碳势。

1）排气阶段：零件装炉后，炉温度幅度下降，同时有大量气体带入炉内。排气阶段的作用是使炉温迅速恢复到规定的渗碳温度，尽快排除进入炉内的空气，防止零件氧化。煤油加甲醇渗碳的排气阶段，应先炉内滴入大量的甲醇，当炉温升高至900℃以上时，再滴入煤油进行渗碳。煤油滴量的大小应根据炉子的容积确定。排气阶段的时间，通常是炉子达到渗碳温度后再延续30～60min，以便于

完全清楚炉内的CO

2、H

2

O、O

2

等氧化脱碳性气体，如排气不好，炉内的CO

2

、H

2

O、

O

2

含量偏高，会造成渗碳速度减慢，并产生渗层含碳量偏低等缺陷。

2）强烈渗碳阶段：渗气阶段结束后，进入强烈渗碳阶段，其特点是渗碳剂滴量较多或气氛较浓，维持炉内的高碳势，是零件表面碳浓度高于最终的要求。此时工件表面吸收大量的活性碳原子，形成高浓度梯度，以提高渗碳速度。

3）渗碳扩散阶段：该阶段的特点是渗剂滴量较少或气氛较低，以适当降低炉内碳势，使工件表面的碳逐步想内层扩散，适当降低表面碳浓度，最后获得所要求的表面碳浓度和渗层深度。

4）降温阶段：在渗碳阶段结束前1h左右，从炉内取出试样，检查渗层深度，检查渗层深度，确定准确的渗碳时间。对于可直接淬火的零件应随炉冷却至适当的淬火温度（一般为810℃～840℃），均温20～30min，使零件内外温度均匀后出炉淬火。

（3）渗碳工艺参数

1）渗碳温度：渗碳温度一般控制在880℃～930℃范围内。较低渗碳温度有利于减小碳淬火零件的变形和有利于浅层渗碳和深度的控制；较高的渗碳温度这是神探速度快，可缩短渗碳周期，节约能源。促进渗剂分解，但渗碳温度太高又会使碳化物聚集长大，晶粒粗化增加零件热处理畸变。本工艺将把40Cr渗碳齿轮常用的渗碳温度是880℃～900℃。

2）渗层深度：时间的确定与控制，时间主要是影响渗层深度，虽然也在一定程度上影响碳浓度梯度。时间与渗层深的关系可以表如下: d为渗层深度(毫米)；t为渗碳时间；T为渗碳温度。由此可算得，当渗碳温度分别为875℃、925℃时，渗层深度分别为0.46t和0. 63t了下毫米。由上式算得的渗层总深度，如表面含碳量控制得低于饱和值时，实际值会比计算值略小。不同模数推荐采用的渗层深度，见表9所示。

氛等因素有关。在某一给定条件下，渗层深度与渗碳时间存在着以下关系：δ=Kt 式中：

δ―渗碳层总深度（mm）；

τ―渗碳时间（h）；

K―与渗碳温度有关的系数，当渗碳温度为875℃时，K=0.45；900℃时，K=0.54；925℃时，K=0.63。