【文章內(nèi)容簡介】 。18圖35 45鋼熱處理顯微組織20019圖36 Q235鋼退火處理顯微組織20020圖37 Q235鋼滲碳處理緩冷顯微組織20021圖38 Q235鋼淬火處理顯微組織20021圖39 Q235鋼低溫回火處理顯微組織20022圖310 Q235鋼不同熱處理后硬度曲線圖24表格清單表21 45鋼和Q235鋼的臨界溫度10表22 常用鋼的加熱系數(shù)11表23 常用滲碳劑的成份12表24 滲碳溫度、保溫時間和滲碳層深度間的經(jīng)驗數(shù)據(jù)13表31 45鋼不同熱處理后的硬度值23表32 Q235鋼不同熱處理后的硬度值 24 45 引言齒輪用于機械裝置中功率的傳遞與速度的調(diào)節(jié), 在汽車、拖拉機、機床、起重機械等產(chǎn)品中不僅有重要的作用, 而且用量相當大。在工作中,它的受力情況比較復雜,齒輪的齒根部受交變彎曲應力,齒面承受大的接觸應力并產(chǎn)生強烈的摩擦,在換擋、啟動和嚙合不良時,齒輪還承受一定的沖擊載荷。齒輪的主要失效形式是疲勞斷齒、疲勞點蝕以及齒面的過量磨損。根據(jù)齒輪的受力情況和失效分析可知,齒輪一般都需經(jīng)過適當?shù)臒崽幚?以提高承載能力和延長使用壽命,齒輪在熱處理后應滿足下列性能要求: ①較高的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度( 抗疲勞點蝕)。②齒面具有較高的硬度和耐磨性。③齒輪心部具有足夠的強度和韌性。齒輪的材料及熱處理對齒輪的內(nèi)在質(zhì)量和使用性能都有很大的影響。鍛鋼、鑄鋼、鑄鐵、有色金屬及非金屬材料都可用來制造齒輪,各種熱處理方法,如滲碳、滲氮、碳氮共滲、表面淬火、調(diào)質(zhì)和正火等,在齒輪制造中都被應用,因此,齒輪的選材和熱處理方法的選用較其它零件復雜。這就需要設計人員根據(jù)齒輪承載能力的不同,合理選擇材料和毛坯及熱處理工藝,并制定相應的工藝路線,用最經(jīng)濟的辦法最大限度地發(fā)揮材料的潛能, 做到“物盡其用”。長期以來,轎車用齒輪鍛造毛坯大多采用正火處理。近年來,隨著齒輪材料的多樣化和對齒輪質(zhì)量的高標準要求,正火工藝常常難以滿足生產(chǎn)的實際需要,尤其是大功率發(fā)動機的問世促進了新型CrNiMo系列齒輪鋼的開發(fā)和應用,使鍛后熱處理工藝的研究變得更為重要和迫切。目前,國外汽車生產(chǎn)廠家對齒輪鍛坯普遍采用等溫退火處理,而且對不同的材料規(guī)定了不同的等溫退火工藝。生產(chǎn)實踐表明,經(jīng)等溫退火處理的齒輪不僅機加工性能大大提高,而且滲碳淬火后的變形也明顯減小。因此,齒輪鍛坯的等溫退火工藝是一項應大力推廣的新工藝[1]。第1章 緒論 齒輪熱處理的理論基礎 熱處理的定義金屬材料的熱處理是將固態(tài)金屬或合金，采用適當?shù)姆绞竭M行加熱、保溫和冷卻，有時并兼之以化學作用和機械作用，使金屬合金內(nèi)部的組織和結構發(fā)生改變，從而獲得改善材料性能的工藝。熱處理工藝是使各種金屬材料獲得優(yōu)良性能的重要手段。熱處理是機械工業(yè)的一項重要基礎技術，通常像軸、軸承、齒輪、連桿等重要的機械零件和工模具都是要經(jīng)過熱處理的，而且，只要選材合適，熱處理得當，就能使機械零件和工模具的使用壽命成倍、甚至十幾倍的提高，實現(xiàn)“搞好熱處理，零件一頂幾”的目標，收到事半功倍的效果。熱處理對于充分發(fā)揮金屬材料的性能潛力，提高產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量，節(jié)約材料，減少能耗，延長產(chǎn)品的使用壽命，提高經(jīng)濟效益都具有十分重要的意義[2]。 熱處理的分類金屬熱處理工藝大體可分為整體熱處理、表面熱處理、局部熱處理和化學熱處理等。根據(jù)加熱介質(zhì)、加熱溫度和冷卻方法的不同，每一大類又可區(qū)分為若干不同的熱處理工藝。同一種金屬采用不同的熱處理工藝，可獲得不同的組織，從而具有不同的性能。鋼鐵是工業(yè)上應用最廣的金屬，而且鋼鐵顯微組織也最為復雜，因此鋼鐵熱處理工藝種類繁多。整體熱處理是對工件整體加熱，然后以適當?shù)乃俣壤鋮s，以改變其整體力學性能的金屬熱處理工藝。鋼鐵整體熱處理大致有退火、正火、淬火和回火四種基本工藝。（1）退火：將工件加熱到適當溫度，根據(jù)材料和工件尺寸采用不同的保溫時間，然后進行緩慢冷卻(冷卻速度最慢)，目的是使金屬內(nèi)部組織達到或接近平衡狀態(tài)，獲得良好的工藝性能和使用性能，或者為進一步淬火作組織準備。（2）正火：將工件加熱到適宜的溫度后在空氣中冷卻，正火的效果同退火相似，只是得到的組織更細，常用于改善材料的切削性能，也有時用于對一些要求不高的零件作為最終熱處理。（3）淬火與回火：將工件加熱保溫后，在水、油或其它無機鹽、有機水溶液等淬冷介質(zhì)中快速冷卻。淬火后鋼件變硬，但同時變脆。為了降低鋼件的脆性，將淬火后的鋼件在高于室溫而低于710℃的某一適當溫度進行長時間的保溫，再進行冷卻，這種工藝稱為回火。退火、正火、淬火、回火是整體熱處理中的“四把火”，其中的淬火與回火關系密切，常常配合使用，缺一不可。（4）“四把火”隨著加熱溫度和冷卻方式的不同，又演變出不同的熱處理工藝 。為了獲得一定的強度和韌性，把淬火和高溫回火結合起來的工藝，稱為調(diào)質(zhì)。某些合金淬火形成過飽和固溶體后，將其置于室溫或稍高的適當溫度下保持較長時間，以提高合金的硬度、強度或電性磁性等。這樣的熱處理工藝稱為時效處理。把壓力加工形變與熱處理有效而緊密地結合起來進行，使工件獲得很好的強度、韌性配合的方法稱為形變熱處理；在負壓氣氛或真空中進行的熱處理稱為真空熱處理，它不僅能使工件不氧化，不脫碳，保持處理后工件表面光潔，提高工件的性能，還可以通入滲劑進行化學熱處理。（5）表面熱處理是只加熱工件表層，以改變其表層力學性能的金屬熱處理工藝。為了只加熱工件表層而不使過多的熱量傳入工件內(nèi)部，使用的熱源須具有高的能量密度，即在單位面積的工件上給予較大的熱能，使工件表層或局部能短時或瞬時達到高溫。表面熱處理的主要方法，有激光熱處理、火焰淬火和感應加熱熱處理，常用的熱源有氧乙炔或氧丙烷等火焰、感應電流、激光和電子束等。（6）化學熱處理是通過改變工件表層化學成分、組織和性能的金屬熱處理工藝?；瘜W熱處理與表面熱處理不同之處是后者改變了工件表層的化學成分?；瘜W熱處理是將工件放在含碳、氮或其它合金元素的介質(zhì)(氣體、液體、固體)中加熱，保溫較長時間，從而使工件表層滲入碳、氮、硼和鉻等元素。滲入元素后，有時還要進行其它熱處理工藝如淬火及回火?；瘜W熱處理的主要方法有滲碳、滲氮、滲金屬、復合滲等。 齒輪熱處理的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 研究現(xiàn)狀建國以來，我國的熱處理技術有了很大的發(fā)展，現(xiàn)有熱處理生產(chǎn)廠點一萬余家，職工15萬人，專業(yè)科技人員約1000余人，熱處理加熱設備11萬臺，年生產(chǎn)能力660萬噸鋼件，年產(chǎn)值約50億元，全員勞動生產(chǎn)率約3萬元/人年。目前我國在熱處理的基礎理論研究和某些熱處理新工藝、新技術研究方面，與工業(yè)發(fā)達國家的差距不大，但在熱處理生產(chǎn)工藝水平和熱處理設備方面卻存在著較大的差距，還沒有完全扭轉熱處理生產(chǎn)工藝和熱處理設備落后、工件氧化脫碳嚴重、產(chǎn)品質(zhì)量差、生產(chǎn)效率低、能耗大、成本高、污染嚴重的局面。下面具體從齒輪熱處理方面說明其中的不足之處。（1）齒輪材料品質(zhì)較低，鑄鍛件缺陷較多，一些特殊要求的材料如直升機高溫高硬度齒輪鋼、高寒氣候軍用車輛低溫抗沖擊性能齒輪鋼、低應力感應淬火齒輪鋼等缺乏。（2）齒輪滲碳淬火變形大，磨齒時可能出現(xiàn)磨削裂紋、燒傷和磨削臺階，且滲碳周期較長、能耗高，易產(chǎn)生內(nèi)氧化，影響齒根彎曲疲勞強度；滲氮層薄，不適合較大模數(shù)的齒輪，若增加層深，時間太長，而且相成分控制困難；感應淬火齒輪易出現(xiàn)齒根淬火開裂，硬化層與心部的過渡層薄弱，往往引起早期疲勞剝落，嚴重影響齒輪承載能力和可靠性。（3）對于熱處理變形的產(chǎn)生,至今尚沒有用來分析和解決實際工件熱處理變形的系統(tǒng)而實用的方法。因此,一方面,應加強理論研究,正確地模擬齒輪的熱處理變形過程,分析各種因素的影響機理,為解決變形問題提供理論依據(jù)。另一方面,各廠應根據(jù)自己的實際情況,有針對性地摸索出各種因素對齒輪變形的影響規(guī)律,有效地減少齒輪的熱處理變形。（4）目前，車輛齒輪大都進行滲碳淬火處理，滲碳氣氛對C r、M n、S i、A l等元素具有氧化性。這些元素在表面層下被內(nèi)氧化，使表層的合金元素含量降低，導致淬透性降低，在1 0～2 0μm左右的深度形成不完全淬火層，這種現(xiàn)象對疲勞強度影響很大。采取的對策是降低鋼中導致上述氧化物形成的元素含量，添加Ni、Mo等非氧化性且可提高淬透性的元素。車輛齒輪一般采用滲碳淬火強化，但滲碳淬火會帶來較大變形，進而影響齒輪精度。感應熱處理加熱速度快，變形小。選材為中碳鋼或中碳合金鋼，如4540Cr、42SiMn、35CrMo、42CrMoH、40CrMnMo、40CrNiMo。齒輪表面淬硬層為中碳回火馬氏體，齒面具有高硬度、高耐磨性及高疲勞強度和韌性，以保證使用中能承受較大的彎曲應力和沖擊力[3]。 發(fā)展趨勢為促進我國熱處理技術的發(fā)展，我們應全面了解熱處理技術的現(xiàn)狀和水平，掌握其發(fā)展趨勢，大力發(fā)展先進的熱處理新技術、新工藝、新材料、新設備，用高新技術改造傳統(tǒng)的熱處理技術，實現(xiàn)“優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、降耗、無污染、低成本、專業(yè)化生產(chǎn)”，力爭到 2020年時達到工業(yè)發(fā)達國家八十年代中期的水平。未來我國齒輪熱處理的發(fā)展方向有以下七點。（1）高承載能力、高可靠性現(xiàn)代機械設備的技術參數(shù)不斷提高，對齒輪的性能提出了更高的要求，如風電齒輪、高速列車傳動齒輪、核電及大型石化裝備的齒輪等，因此，對材料熱處理的冶金因素、殘余應力與性能之間的關系必須更深入地研究，并運用有限元及斷裂力學來計算、分析裂紋的形成與擴展，預測使用壽命，提高其可靠性。（2）齒輪大型化、精密化現(xiàn)代機械設備越來越大型化，如大型石化裝備、水泥、鋼鐵冶金、礦山開采、電力、運輸?shù)?，其傳遞功率增大，相應齒輪也就越來越大，而且加工精度要求還很高?，F(xiàn)在滲碳淬火齒輪直徑從1m→2m→3m，最大直徑已到5m，單件齒輪重已達40t以上，這使得滲碳工藝和熱處理質(zhì)量的控制成為了很大的難題。（3）大批量生產(chǎn)、高質(zhì)量要求我國汽車、工程機械及摩托車各類車輛齒輪的生產(chǎn)量以億件計，這類齒輪的生產(chǎn)既要求高質(zhì)量，又要求高速度，因此，熱處理工藝的均勻性、穩(wěn)定性就成為難點。（4）更高的鋼材冶金質(zhì)量和鍛件質(zhì)量要求普遍采用真空脫氣、鋼包精煉方法，提高鋼材純凈度，降低含氧量和非金屬夾雜物，控制淬透性帶；同時，采用合理的鍛造工藝和鍛后熱處理，保證足夠的鍛造比，從而提高鋼的力學性能和工藝性能，以滿足齒輪高強度和高可靠度的要求。（5）減小熱處理變形隨著機械設備的大型、高速、高精度化，對齒輪傳動也提出了更高的要求，最初的整體硬化（調(diào)質(zhì)）從承載能力到經(jīng)濟性都不能滿足工業(yè)發(fā)展的需要，現(xiàn)在已普遍采用硬齒面熱處理工藝，其中又以滲碳淬火為主。困擾多年的滲碳碳勢控制已經(jīng)解決，而留下一個最大的難題就是熱處理變形，其不僅影響齒輪的精度，還影響齒輪的強度。然而，由于齒輪的熱處理變形的影響因素很多，其技術難度相當大，因此需要付出很大的努力。（6）熱處理工藝計算機模擬隨著現(xiàn)代計算機技術的發(fā)展，從齒輪強度和熱處理工藝綜合的角度開展CAD、CAE工程應用的研究；在熱處理工藝方面對加熱、冷卻過程的溫度、熱傳遞、組織轉變、應力等進行模擬，從而提高熱處理工藝水平和齒輪的承載能力。（7）熱處理工藝節(jié)能、環(huán)保工業(yè)生產(chǎn)的節(jié)能、環(huán)保是對齒輪熱處理生產(chǎn)的重要考驗。在硬齒面齒輪熱處理工藝中，滲碳淬火具有最佳綜合力學性能，但也是耗能最大、污染最嚴重的工藝，而滲氮、表面感應淬火則是節(jié)能、低污染的工藝，但兩者的承載能力都受到限制，國內(nèi)外一直進行著擴大在齒輪中應用的研究,有潛力但尚需更多的努力[3]。 本論文研究的主要內(nèi)容及意義 主要內(nèi)容假設機床齒輪分別選用45鋼和Q235鋼作為材料，根據(jù)齒輪的服役條件，分別采用調(diào)質(zhì)、滲碳和表面淬火處理，制定其熱處理工藝參數(shù)，包括加熱溫度、保溫時間、冷卻方式和冷卻介質(zhì)等。重點分析制定依據(jù)。根據(jù)所設計的熱處理工藝，進行相應的熱處理操作；觀察熱處理后的組織，金相攝影，并測試相應的硬度；分析組織和性能變化機理。 研究意義該課題是根據(jù)齒輪使用條件和性能要求，選擇不同的材料，進行相應的熱處理工藝設計，包括加熱溫度、保溫時間、冷卻方式和冷卻介質(zhì)等。并通過熱處理，分析組織和性能的變化，在實驗基礎上，驗證所設計熱處理工藝的正確性。該課題不僅能使學生加深對所學理論知識的理解和掌握，也可以提高學生分析和解決實際問題的能力，為今后從事相關工作奠定了基礎。第2章 熱處理工藝設計 零件的結構與工作條件 機床齒輪的結構圖21 機床齒輪結構圖該齒輪零件的模數(shù)m=4毫米，要求小批量生產(chǎn)。 齒輪的服役條件和失效形式服役條件齒輪是機械工