高速高载荷机床齿轮的热处理工艺设计

攀枝花学院

学生课程设计（论文）

题目：高速高载荷机床齿轮的热处理工艺设计学生姓名：

学号：

所在院(系)：材料工程学院

专业：2011级材料成型及控制工程

班级：材料成型及控制工程

指导教师：孙青竹职称：讲师

2013年12月16日

攀枝花学院教务处制

攀枝花学院本科学生课程设计任务书

注：任务书由指导教师填写。

课程设计（论文）指导教师成绩评定表

摘要

本文主要讲齿轮的热加工工艺过程。齿轮是机械设备中的关键零件，齿轮质量的优劣直接关系到整个设备的使用寿命。本文设计的是在高速高载情况下的齿轮的加工工艺，质量的要求更为严格。而齿轮质量的好坏很大的程度下取决与齿轮的材料和它的热处理工艺。而高速高载运转下的齿轮，材料的选择尤为重要。本文选择20CrMnTi钢作为高速高载的设计材料，对于其的热处理工艺便是本次设计任务中的重中之重。

关键词：齿轮，高速高载，热处理，工艺, 20CrMnTi钢

目录

摘要 (Ⅰ)

1、设计任务 (1)

1.1设计任务 (1)

1.2设计的技术要求 (1)

2、热处理零件图及技术要求 (2)

2.1 齿轮零件图 (2)

2.2技术要求 (2)

3、设计方案 (3)

3.1设计的分析 (3)

3.1.1齿轮设计分析 (4)

3.1.2失效分析 (4)

3.1.3性能要求 (4)

3.2钢种材料 (4)

4、设计说明 (5)

4.1加工工艺流程 (5)

4.2具体热处理 (5)

4.3热加工及热处理工艺规范 (6)

4.4物理性能 (7)

5、齿轮质量检验 (8)

6、分析及讨论 (8)

6.1常见渗碳缺陷及预防措施 (9)

6.2常见淬火缺陷及预防措施 (10)

6.3常见回火缺陷及预防措施 (11)

7、结束语 (11)

8、热处理工艺卡片 (12)

参考文献 (13)

1 设计任务

1.1设计任务

高速高载荷机床齿轮的热处理工艺设计

1.2设计的技术要求

20CrMnTi钢是我国目前产最大的几个合金结构钢之一，用途非常广泛。供货状态及硬度：退火态，硬度≤179HBS

化学成分

质量分数(%)：C0.18-0.24、Si0.17-0.37、Mn0.5-0.8、Cr1.70-1.00\P≤0.03、S≤0.03

20CrMnTi钢硬度较高，韧性比15CrA差，该钢具有比较好的淬透性、中等的强度和韧性。油淬到半马氏体硬度的淬透性为Φ20-Φ23mm。该钢经渗碳淬火表面强化处理后，在模具表面会获得细针状回火马氏体，硬度为58-62HRC；心部获得低碳马氏体组织，硬度35-40HRC，基体强韧性高，可满足冷作模具高硬度、高强度、高韧性和适当的耐腐蚀性的使用性能要求。正火可促进组织球化，细化大块状先共析铁素体，改进毛胚的切削性能。

加工

该钢淬火、低温回火后具有良好的综合力学性能，低温冲击韧性良好，回火脆性不明显。渗碳时钢的晶粒有长大趋势，所以要求二次淬火，以提高心部韧性，不宜降温淬火。当正火后硬度为170-217HB时，相对切屑加工性约为65%，焊接性中等，焊前应预热到100-150℃，冷变形时塑性中等。

为了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很高硬度、高耐磨性而心部具有很好的韧性。

2热处理零件图及技术要求

2.1齿轮零件图

图1

2.2技术要求

20CrMnTi钢制成的高速高载技术要求如下:

齿表硬度：52--58HRC

轮齿的心部硬度：25—28HRC

=40～60J/cm2

韧性：ａ

K

整体强度：σ

=760～800MPa

b

变形要求：齿部公法线摆动量小于0.055毫米；齿宽变形不超过0.05毫米；齿向变形不超过0.017毫米。

3 设计方案

3.1设计的分析

3.1.1工作条件

由于是制造高速高载机床齿轮，因此其工作环境较为恶劣，其次为齿轮啮合，并且周围环境中充满这润滑液体。虽然Cr钢的强度和硬度很高，但是工作的环境大大限制了齿轮的使用寿命，因此在使用中需注意不要超过最大荷载，以免损伤齿轮。

3.1.2失效形式

根据其服役条件，常见的失效形式为以下四点：

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在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

汽车、拖拉机上的主载荷齿轮，受力比较大，摩擦产生热量较大，齿面因软化而造成塑性变形，在齿轮运转时粘结而后又被撕裂，造成齿面摩擦磨损失效

④磨粒磨损

外来质点进入相互啮合的齿面间，使齿面产生机械擦伤和磨损，比正常磨损的速度来得更快。

3.1.3性能要求

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。

3.2钢种材料

高速、高载、承受较大冲击载荷的齿轮，一般采用低碳合金渗碳钢或碳氮共渗钢，工作时表面承受很大的接触疲劳应力和摩擦力的作用，高速转动承受一定的冲击力或过载。选用20CrMnTi钢，由于钢中含有Cr能够提高淬透性，Cr还是碳化物形成元素，提高回火稳定性；Mn能增加钢的强度和硬度，还有脱硫的功效，也能提高钢的淬透性；Ti是强碳化物形成元素，在钢中生成MC型碳化物，对提高钢的耐磨性和细化晶粒有一定的好处。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。