齿轮热处理复习课程

齿轮热处理

1 齿轮热处理概述

众所周知，齿轮是机械设备中关键的零部件，它广泛的用于汽车、飞机、坦克、轮船等工业领域。它具有传动准确、结构紧凑使用寿命长等优点。齿轮传动是近代机器中最常见的一种机械振动是传递机械动力和运动的一种重要形式、是机械产品重要基础零件。它与带、链、摩擦、液压等机械相比具有功率范围大，传动效率高、圆周速度高、传动比准确、使用寿命长、尺寸结构小等一系列优点。因此它已成为许多机械产品不可缺少的传动部件，也是机器中所占比例最大的传动形式。由于齿轮在工业发展中的突出地位，使齿轮被公认为工业化的一种象征. 得益于近年来汽车、风电、核电行业的拉动，汽车齿轮加工机床、大规格齿轮加工机床的需求增长十分耀眼。据了解，随着齿轮加工机床需求的增加，近年来涉及齿轮加工机床制造的企业也日益增多。无论是传统的汽车、船舶、航空航天、军工等行业，还是近年来新兴的高铁、铁路、电子等行业，都对机床工具行业的快速发展提出了紧迫需求，对齿轮加工机床制造商提出了新的要求。据权威部门预测2012 年将达到200 万吨。但我国齿轮的质量与其他发达国家的同类产品相较还是具有一定的差距，主要表现在齿轮的平均使用寿命、单位产品能耗、生产率这几方面上。本设计是在课堂学习热处理知识后的探索和尝试，其内容讨论如何设计齿轮的热处理工艺，重点是制定合理的热处理规程，并按此设计齿轮的热处理方法。

齿轮是机械工业中应用最广泛的重要零件之一。其主要作用是传递动力，改变运动速度和方向。是主要零件。其服役条件如下：

(1)齿轮工作时，通过齿面的接触来传递动力。两齿轮在相对运动过程中，既有滚动，又有滑动。因此，齿轮表面受到很大的接触疲劳应力和摩擦力的作用。在齿根部位受到很大的弯曲应力作用；

⑵高速齿轮在运转过程中的过载产生振动，承受一定的冲击力或过载；

⑶在一些特殊环境下，受介质环境的影响而承受其它特殊的力的作用。

因此，齿轮的表面有高的硬度和耐磨性，高接触疲劳强度，有较高的齿根抗弯强度，高的心部抗冲击能力。

齿轮常用材料有20Cr ，20CrMnTi, 18Cr2Ni4WA。

①20Cr

有较高的强度及淬透性，但韧性较差。渗碳时有晶粒长大倾向，降温直接淬火对冲击韧性影响较大，因而渗碳后进行二次淬火提高零件心部韧性；可切削性良好，但退火后较差；20Cr为珠光体，焊接性较好，焊后一般不需热处理。

②20CrMnTi

20CrMnTi是性能良好的渗碳钢，淬透性较高，经渗碳淬火后具有高的强度和韧性，特别是具有较高的低温冲击韧性，切削加工性良好，加工变形小，抗疲劳性能好。

③18Cr2Ni4WA

18Cr2Ni4WA属于高强度中合金渗碳钢。18Cr2Ni4WA钢常用于合金渗碳钢,强度,韧性高,淬透性良好,也可在不渗碳而调质的情况下使用,一般用做截面较大,载荷较高且韧性良好的重要零件。

对于汽车来说，由于其使用条件复杂，采用调质钢不能保证要求，选用渗碳钢较为合适。20CrMnTi钢采用渗碳+淬火+低温回火，齿轮表面可以获得55~63HRC的高硬度，因淬透性较高，齿心部具有较高的强度和韧性。因而选用20CrMnTi钢。

2预氧化的作用与目的

2.1预氧化的作用

预氧化使工件表面获得一层致密结构的氧化薄膜（3Fe+2o2→Fe3O4），其再随后的渗碳初期被渗碳气氛还原，生成洁净的初生态的铁（Fe3O4+2[C] →

3Fe+2CO2）,呈现出很高的化学活性，产生大量能够吸附渗剂的活性位置。同时，工件表面轻度氧化，可适当提高工件表面粗糙度，形成微孔，人为增加表面缺陷，还可提供位错露头、台阶和各种表面缺陷，形成具有较低“势垒”的活性中心，使渗剂的被吸附概率和吸附量大大增加，从而加快活性碳原子渗入过程和表面碳浓度梯度的形成，有效地提高零件的吸碳活性，适应新型渗碳工艺要求，获得合格的渗碳性能。

2.2渗碳前预处理目的

①零件进炉渗碳前加以预热，同时还能烧掉未清洗掉的油脂，不容易形成炭

黑；

②使氧气与铁发生反应，生成Fe3O4膜，提高渗碳零件表面活性，加快钢件

表面吸附碳原子速度，可以提高渗碳速度和均匀性；

③Fe3O4是一层致密氧化膜，可以防止进一步的氧化和脱碳。

④消除应力，减少变形（500时效果不明显，550-600去应力较好，超过500

易被氧化，造成氧化脱碳。预氧化本身不是为了去应力。间接如果为了去

应力，应该选用较高

⑤Fe3O4是一层致密氧化膜，可以防止进一步的氧化和脱碳。

⑥消除应力，减少变形（500时效果不明显，550-600去应力较好，超过500

易被氧化，造成氧化脱碳。预氧化本身不是为了去应力。间接如果为了去

应力，应该选用较高温度、加保护气体氮气好些）

3渗碳的工艺介绍及原理

3.1渗碳的工艺介绍

渗碳：是对金属表面处理的一种，采用渗碳的多为低碳钢或低合金钢，具体方法是将工件置入具有活性渗碳介质中，加热到900--950摄氏度的单相奥氏体区，保温足够时间后，使渗碳介质中分解出的活性碳原子渗入钢件表层，从而获得表层高碳，心部仍保持原有成分。相似的还有低温渗氮处理。这是金属材料常见的一种热处理工艺，它可以使渗过碳的工件表面获得很高的硬度，提高其耐磨程度。

图 1渗碳工艺介绍

也是使低碳钢的工件具有高碳钢的表面层，再经过淬火和低温回火，使工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性。

渗碳工件的材料一般为低碳钢或低碳合金钢(含碳量小于0.25%)。渗碳后﹐钢件表面的化学成分可接近高碳钢。工件渗碳后还要经过淬火﹐以得到高的表面硬度﹑高的耐磨性和疲劳强度﹐并保持心部有低碳钢淬火后的强韧性﹐使工件能承受冲击载荷。渗碳工艺广泛用于飞机﹑汽车和拖拉机等的机械零件﹐如齿轮﹑轴﹑凸轮轴等。

渗碳工艺在中国可以上溯到2000年以前。最早是用固体渗碳介质渗碳。液体和渗碳是在20世纪出现并得到广泛应用的。美国在20年代开始采用转筒炉进行气体渗碳。30年代﹐连续式气体渗碳炉开始在工业上应用。60年代高温(960～1100℃)气体渗碳得到发展。

3.2渗碳的原理

1. 渗碳与其他化学热处理一样﹐也包含3个基本过程。

2.1 分解：渗碳介质的分解产生活性碳原子。

2.2 吸附：活性炭原子被钢件表面吸收后即溶到表层奥氏体中﹐使奥氏体中含碳量增加。