轴斜齿轮设计说明书

设计说明书

一、设计内容和步骤

1.1 技术要求：

零部件名称：轴斜齿轮

钢种：20CrMnTi

要求：齿面渗碳深度1.2-1.8mm，淬火硬度HRC 56-65，齿芯硬度HBC 280-320

1.2 零部件的工作条件、破坏方式

工作条件：高速重载或中载

破坏方式：轮齿折断，齿面疲劳，齿面耗损，裂纹，永久变形。

1.3 性能要求

针对以上的失效形式要求齿轮有高强度，以适应高速重载，抵抗折断的要求；齿面要有很好的耐磨性，齿芯还要具有一定的韧性。

二、零部件用钢的分析

2.1 20CrMnTi钢的化学成分的作用

2.1.1 20CrMnTi钢的化学成分表

碳C：0.17～0.23

硅Si：0.17～0.37

锰Mn：0.80～1.10

铬Cr：1.00～1.30

硫S：允许残余含量≤0.035

磷P：允许残余含量≤0.035

镍Ni：允许残余含量≤0.030

铜Cu：允许残余含量≤0.030

钛Ti：0.04～0.10

2.1.2 合金元素的作用

（1）、20CrMnTi钢中加入Cr、Mn元素，主要是提高钢的淬透性。

（2）、20CrMnTi钢中加入Ti元素主要是为了细化晶粒。

（3）、20CrMnTi钢淬火加热时，Cr、Mn、Si元素完全固溶于奥氏体中，提高钢的淬透性。

Ti元素以TiC形式钉扎于奥氏体晶界，阻止奥氏体晶粒长大。

（4）、20CrMnTi钢淬火后，Cr、Mn、Si元素固溶强化基体组织，并改善回火稳定性。（5）、20CrMnTi钢低温回火时，部分Cr、Mn元素从基体组织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。

2.1.3 20CrMnTi钢的组织及性能

20crMnTi钢是低碳低合金结构钢,该钢通常在化学热处理状态下使用。经渗碳或碳氮共渗处理后,具有良好的耐磨性能和抗弯强度,以及较高的抗多次冲击能力。该钢还可在调质状态下使用,其热处理工艺简单,热加工和冷加工性能均较好,在兵器工业中,主要用来制造截面在30mm以下的承受中等载荷的零件,如履带车辆的左右分离圈、同步器固定齿套等。

20crMnTi钢作为低碳马氏体用钢,经淬火低温回火后,在获得高强度的同时,比优质碳素钢有更好的塑性、韧性的配合,其冷脆倾向较小,低温冲击值高,综合机械性能良好,可用以制造中小尺寸的高强度零件。

2.2 20CrMnTi钢的热处理工艺性能分析

（1）20CrMnTi钢经淬火和不同温度回火后,具有良好的综合力学性能,因此,除在化学热处理状态下使用外,还可做为低碳马氏体钢制造中小尺寸的高强度零件。

（2）20CrMnTi钢淬火后获得低碳马氏体组织,由于自回火现象使该钢的性能与低温回火时相近,即具有高强度和良好的塑性与韧性,因而可以在淬火状态下直接应用。

（3）应用20CrMnTi钢制造要求高精度尺寸稳定的零件,在淬火后应进行回火处理。当在150~250℃进行回火时,将获得最佳强韧性能配合,如在300~400℃温度范围内回火时,则出现回火脆性,对一般结构零件应设法避免和克服,而对某些兵器零件可用此满足其特殊性能要求。

2.3 20CrMnTi钢的组织性能与各种热处理工艺的关系

正火：加热温度在Ac3线之上，细化晶粒消除组织缺陷。以获得珠光体+少量铁素体组织

淬火：淬火温度高，淬透性中等，变形较大，硬度不高，耐磨性差

气体渗碳：加热温度不超过920度，以避免晶粒长大

淬火与回火：芯部保持良好的韧性的同时，表层获得高的强度、硬度、耐磨性与耐蚀性

三、热处理工艺方案及工艺参数的论述

3.1 零部件的加工工艺路线及论证

下料→锻造→正火→齿形加工→渗碳→淬火→低温回火→喷丸→磨切削加工

20CrMnTi钢在锻造后空冷所得组织为片状珠光体与网状碳化物，这样是组织硬而脆，难以切削加工且在以后淬火过程中容易出现变形开裂。而正火可以得到珠光体组织与片状珠光体相比，硬度低便于切削加工。渗碳使工件表层获得高的硬度同时芯部碳含量适中，淬火加低温回火让其保持高硬度的同时具有一定的韧性。

3.2 热处理工艺、参数及曲线

正火：正火温度为930~950℃，冷却方式为出炉空冷，冷却介质为空气。

渗碳：进行气体渗碳，加热900~920℃，以0.15~0.2mm/h计保温时间，加热温度不超过920℃，以避免晶粒粗大，渗碳介质为煤油。

淬火：淬火温度为850~870℃，淬火冷却的方式为油冷，淬火方式为单液油淬。

回火：回火温度为150`250℃,回火保温时间为150~180min.

图1：热处理总工艺曲线

3.3 工艺参数选择原理

3.3.1 正火温度

20CrMnTi钢AC3约为820℃，为促使奥氏体均匀化，增大过冷奥氏体稳定性，选择的加热温度在930~950℃

3.3.2 正火保温时间

选定的依据：保温时间可按下列公式进行计算：t=a×K×D,

t——保温时间

K——工件装炉方式修正系数

a——保温时间系数（一般取1.2~1.5之间值）

D——工件有效厚度

表1：工件装炉方式修正系数表

所以t=1.2*1*119~1.5*1.7*119=142.8~303.5 min

3.3.3 渗碳温度

渗碳温度Ac3以上，考虑碳在钢中的扩散速度等因素，目前再生产上广泛采用温度为910~930℃。随着渗碳层深度的升高，碳在钢中的扩散系数呈指数上升，渗碳速度加快，蛋渗碳温度过高会使晶粒粗大，工件畸变增大，设备寿命降低等负面影响。渗层厚度为1.2~1.8mm，可以选取t=920℃。

3.3.4 渗碳保温时间

表2：渗碳时间表

保温时间：2.5小时强渗，强渗之后扩散3小时

3.3.5 淬火温度

依据：20CrMnTi为低碳钢，加热温度t=Ac3+（30~50）℃。

表3：20CrMnTi钢的相变温度

所以t=850~870℃