CrNiA航天发动机齿轮的热处理工艺的设计说明

学院学生课程设计（论文）题目： 12CN3A航天发动机齿轮热工艺设计学生： xxx 学号： xxxxxxxxxxxx 所在院(系)：材料工程学院专业：材料成型及控制工程班级： 2010级材料成型及控制工程2班指导教师： xxx 职称：xxx年月日学院教务处制课程设计（论文）指导教师成绩评定表摘要 (3)1.设计任务 (4)1.1设计任务 (4)1.2设计的技术要求 (4)2、设计方案 (5)2.112CN3A航天发动机齿轮的设计的分析 (5)2.1.1工作条件 (5)2.1.2失效形式 (6) (6)2.1.3性能要求 (6)2.2钢种材料 (6)3、设计说明...................................................... 错误!未定义书签。

3.1加工工艺流程 (7)3.2具体热处理工艺 (8)3.2.1锻造工艺 (8)3.2.2 试样热处理工艺 (9)3.2.3渗碳处理 (9)3.2.4淬火+低温回火热处理 (10)3.2.5物理性能工艺 (10)4、分析与讨论 (11)5、结束语 (12)6、热处理工艺卡片 (13)参考文献 (14)摘要本课程设计了12CrNi3A航天发动机齿轮的热处理工艺设计。

航天发动机齿轮作为航天飞行器中的重要部件，其材料是保证其本身工作性能和可靠性的基础。

对发动机齿轮的失效形式分析，其主要承受交变载荷，冲击载荷，剪切应力和接触应力大等，因此对齿轮在材料、精度、强度、耐久性和可靠性等方面提出了更高要求。

12CrNi3A合金钢是一种优良的渗碳钢，有高的淬透性，经渗碳淬火加低温回火后，表面硬度很高，心部强度和塑性，韧性配合很好。

关键词：发动机齿轮，12CrNi3A,，锻造，淬火+低温回火1.设计任务1.1设计任务12CrNi3A航天发动机齿轮的热处理工艺。

1.2设计的技术要求12CrNi3A钢属于合金渗碳钢，有高的淬透性，经渗碳淬火加低温回火后，表面硬度很高，心部强度和韧、塑性配合很好，切削加工性能良好，当硬度为HB260～320时，相对切削加工性为60%～70%。

另外，钢退火后硬度低、塑性好。

为提高发动机齿轮的耐磨性，齿轮开齿后需要进行渗碳处理，然后再进行淬火和低温回火，从而保证齿轮表面具有高硬度、高耐磨性而心2、设计方案2.112CN3A航天发动机齿轮的设计的分析2.1.1工作条件发动机和飞机的起动系统、燃油系统、滑油系统、液压系统等主要附件都是由发动机转子通过齿轮传动装置带动的[1]。

在整个飞行过程中，齿轮传动都必须可靠地工作，以保证发动机和飞机所有附件的转速、转向和所需功率符合设计要求。

随着航空发动机性能和可靠性要求的不断提高，齿轮承受的交变载荷和剧烈冲击载荷在不断增加，所受应力复杂，工况恶劣。

因此，要使齿轮在工作时，从它的失效形式方面的考虑，就必须保证它能在一定的高温环境中工作。

2.1.2失效形式轮轴在转动时主要承受剪切应力，交变弯曲应力，传递动载荷等工作，受到多次冲击应力。

在工作过程中，由于不同的应力作用，导致不同的失效形式，主要有疲劳磨损，裂纹，表面点蚀，弯曲疲劳折断，冲击折断,齿圈断裂、齿轮断齿、齿面剥落齿等。

2.1.3性能要求根据齿轮的受力情况和失效分析可知 ,齿轮一般都需经过适当的热处理 ,以提高承载能力和延长使用寿命 ,齿轮在热处理后应满足下列性能要求 :①高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度 ( 抗疲劳点蚀 ) 。

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。

2.2钢种材料12CrNi3A钢属于合金渗碳钢，比12CrNi2A钢有更高的淬透性，因此，可以用于制造比12CrNi2A钢截面稍大的零件。

该钢淬火低温回火或高温回火后都具有良好的综合力学性能，钢的低温韧性好，缺口敏感性小，切削加工性能良好，当硬度为HB260～320时，相对切削加工性为60%～70%。

另外，钢退火后硬度低、塑性好，因此，既可以采用切削加工方法制造模具，也可以采用冷挤压成型方法制造模具。

为提高模具型腔的耐磨性，模具成型后需要进行渗碳处理，然后再进行淬火和低温回火，从而保证模具表面具有高硬度、高耐磨性而心部具有很好的韧性，该钢适宜制造大、中型塑料模具。

12CrNi3A高级渗碳钢的淬透性较高 ,退火困难 , 一般采用调质处理，使硬度降低到 35HRC以下 ,改善切削加工性能。

由于不渗碳表面未经镀铜防渗 ,因此渗碳后进行高温回火 , 降低硬度 , 便于切去不渗碳表面的渗碳层。

材料加工成航天发动机齿轮需进行复杂的化学热处理，使心部硬度为HRC31～HRC41，表面硬度不低于HRC60，从而使齿轮表面有较高硬度，心部呈现一定的韧性，以适应齿轮的工作环境；并且严格规定了表层的含碳量、组织均匀性、晶粒度及化学热处理等[2]。

3设计说明3.1加工工艺流程航天发动机齿轮的制造工序基本上相同，对于不同的钢种，在其热处理时有些许差异。

一般都采用棒料经锻造—粗车—调质—半精车—粗磨基准—开齿（包括插齿、刨齿、滚齿、铣齿等）—磨齿—局部渗碳(渗氮或氰化)—低温回火(渗碳后扩散处理)—淬火—精磨基准—磨齿。

12CrNi3A钢的化学成分见表3.1。

成分分析：钢的含碳量可保证形成大量的合金碳化物，淬火加热时，一部分融入奥氏体中，提高其稳定性，同时也使马氏体中的合金元素含量增加，保证其硬度；而未溶的碳化物则起细化晶粒、提高韧性的作用．并提高钢的耐磨性。

Cr是12CrNi3A合金钢中主要的合金元素，它使钢的淬透性大大增加，提高其回火稳定性，并产生二次硬化现象。

铬与碳形成高硬度的碳化物，加热时未溶的碳化物可细化晶粒、提高钢的耐磨性的作用。

锰和硅是炼钢过程中必须加入的脱氧剂，用以去除溶于钢液中的氧。

它还把钢液中的氧化铁还原成铁，并形成氧化锰和二氧化硅。

锰除了脱氧作用外，还有除硫作用，即与钢液中的硫结合成MnS,从而在相当大成度上消除硫在钢中的有害影响。

这些反应产物大部分进入炉渣，小部分残留与钢中，成为非金属夹杂物。

脱氧剂中的锰和硅会有一部分溶于钢液中，冷至室温后即溶于铁素体中，提高铁素体的强度。

硅溶于铁素体中后有很强的固溶强化作用，显著提高钢的强度和硬度【3】。

Ni也是12CrNi3A合金钢中的主要元素。

它的存在提高了钢的强度，而不降低其塑性，改善了钢铁的低温韧性降低了钢铁的临界冷却速度，提高铁的淬透性扩大奥氏体区，是奥氏体化的有效元素，此外其本身具有一定耐蚀性，对一些还原性酸类有良好的耐蚀能力。

3.2具体热处理工艺3.2.1锻造工艺造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，已获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸的锻件的加工方法。

齿轮的锻造工艺是用棒料镦经切削加工制成的，其纤维组织弯曲呈放射状，所有齿部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。

12CrNi3A合金钢的始锻温度为1180℃，中锻温度为850℃，锻后进行缓慢冷却。

接触疲劳试样由棒料，弯曲疲劳试样从GF齿圈上截取，改锻成齿轮式样毛坯。

试样的终锻温度为850℃，锻后经880～920℃正火（空冷）和650～780℃退火（炉冷）处理。

锻造热处理温度见表3.2.3.2.2 试样热处理工艺锻件经退火后消除残余应力，而后进行粗车，然后进行调质处理。

当锻件的碳化物偏析比较严重，常规球化退火工艺效果不理想时, 可采用锻后调质处理，即锻后稍作停留或在精加工前增加一道调质工序，也可利用锻后余热直接进行球化退火或循环球化退火。

调质处理后锻件能获得均匀细致的索氏体组织,不仅可保证工件最后淬火具有均匀的硬度,而且有利于淬火后减小工件的变形, 增加工件的尺寸稳定性。

12CrNi3A 齿轮试样经调质、感应加热淬火和低温回火后获得显微组织表面为细马氏体、残余奥氏体和碳化物，心部组织为回火索氏体。

回火后不仅消除了淬火时产生的残余应力，降低了脆性，防止变形和开裂，调整了强度，硬度，塑性和韧性，而且稳定了显微组织和工件尺寸，使其达到了使用性能和工艺要求。

3.2.3渗碳处理调质完成后，对试样进行半精车，初磨基准线，开齿，磨齿。

对齿轮的半精车是使齿轮的表面精度逐渐接近零件的初步操作。

初磨基准线是为了确定好齿轮尺寸，为下一步的开齿和精加工做准备。

12CrNi3A 合金钢渗碳处理一般在初磨之后，精磨之前。

其渗碳温度一般在900～920℃表面渗碳处理:将含碳的钢放到时间碳势高的环境介质中,通过让活性高的碳原子扩散到钢的部,形成一定厚度的碳含量较高的渗碳层,再经过淬火\回火,使工件的表面层得到碳含量高的钢,而心部因碳含量保持原始浓度而得到碳含量低的合金钢,合金钢的硬度主要与其碳含量有关,故经渗碳处理和后续热处理可使工件获得外硬韧的性能.渗碳处理的作用是:提高表面层的耐磨性,同时保持心部有高的耐冲击能力,即强韧性。

渗碳后的冷却方式一般采用空冷。

3.2.4淬火+低温回火热处理钢的淬火与回火是热处理工艺中最重要，也是用途最广泛的工序。

淬火可以显著提高钢的强度和硬度。

为了消除钢的残留应力，得到不同强度，硬度和韧性配合的性能，需要配以不同温度的回火。

所以淬火和回火又是不可分割的，紧密联系在一起的两种热处理工艺。

淬火的主要目的是使奥氏体化后的工件获得尽量多的马氏体，然后配以不同温度的回火获得各种需要的性能。

【3】①12CrNi3A齿轮的淬火。

淬火加热规决定了奥氏体的实际晶粒度及碳化和合金元素的固溶度．对马氏体的形态及回火的性能(硬度、强度、塑性、回火稳定性、淬火回火时的体积变形)都有显著的影响。

当加热到Ac1温度(约810℃)以上时。

原始组织索氏体和碳化物转变为奥氏体和碳化物。

随着加热温度升高，合金碳化物继续向奥氏体中溶解．增加了奥氏体中C和Cr的浓度，淬火马氏体的硬度增加，其耐磨性也越强，冲击韧度逐渐升高。

12CrNi3A齿轮的淬火在井式炉中加热至930±10℃滴注甲醇或煤油渗碳，时间为4h，降温至800±10℃，保温0.5h,直接淬冷于油槽中。

②12CrNi3A齿轮的低温回火。

低温回火的温度为200℃，保温1h。

回火中的主要组织为回火马氏体。

回火马氏体既保持了钢的高硬度，高强度和良耐磨性，又适当提高了韧性。

经淬火并低温回火后得到隐晶回火马氏体和均匀细小的粒状碳化物组织，具有很高的硬度和耐磨性，同时降低了钢的淬火应力和脆性【3】。

3.2.5物理性能工艺12CrNi3A钢属于合金渗碳钢，比12CrNi2A钢有更高的淬透性，因此，可以用于制造比12CrNi2A钢截面稍大的零件。

该钢淬火低温回火或高温回火后都具有良好的综合力学性能，钢的低温韧性好，缺口敏感性小，切削加工性能良好，当硬度为HB260～320时，相对切削加工性为60%～70%。