【正文】 據(jù)Fe—Fe3C狀態(tài)圖（圖24），只有在奧氏體區(qū)域，鐵中碳的濃度才可能在很大范圍內(nèi)變動(dòng)，碳的擴(kuò)散才能在單相的奧氏體中進(jìn)行。木炭顆粒均勻，并要求3～6mm左右的占80%，1～3mm左右占20%左右，1mm以下的不大于1%，如果是大零件滲碳，大顆粒木炭應(yīng)多些，小零件，小顆粒應(yīng)多些。①滲碳劑：固體滲碳劑主要是由木炭粒和碳酸鹽(BaCO3或Na2CO3等組成。（2）滲碳（固體滲碳）鋼之所以能夠滲碳，是因?yàn)殇撛诟邷貖W氏體狀態(tài)，對(duì)碳具有相對(duì)大的溶解度(%)，鋼的滲碳就是借助這個(gè)原理。②保溫時(shí)間：由式21計(jì)算得。①加熱溫度：在比完全退火更高的溫度下（960～1100℃）加熱，獲得4～6級(jí)的粗晶粒，以提高切削性能。所以，回火保溫時(shí)間=70+15=169min③冷卻方式：一般采用空冷，以防止開裂。對(duì)于中、高溫回火的工件，回火保溫時(shí)間可按下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算 （式23）式中τ為回火保溫時(shí)間（min），d為加熱系數(shù)（min/mm），D為工件有效厚度（mm），b為附加時(shí)間（一般為10～20min）。（3）高溫回火①加熱溫度：一般高于500℃，調(diào)質(zhì)處理高溫回火實(shí)際上為混合組織的回火，一般取560℃，使之轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定組織回火馬氏體。所以，淬火加熱時(shí)間 =270=196min因?yàn)榇慊鸺訜釙r(shí)間當(dāng)中有升溫的過(guò)程，升溫時(shí)間大約76min，所以減去升溫時(shí)間，最后得到保溫時(shí)間2小時(shí)。前面已經(jīng)確定了裝爐量Q=4，工件在爐內(nèi)的排布方式直接影響熱量傳遞的通道，齒輪在爐中的排布如右圖： 工件有效厚度D的計(jì)算，可按下述原則確定：圓柱體取直徑，正方形截面取邊長(zhǎng)，長(zhǎng)方形截面取短邊長(zhǎng)，板件取板 圖23 工件在爐內(nèi)排布圖厚，套筒類工件取壁厚，圓錐體取離小頭2/3長(zhǎng)度處直徑，[10]。表22 常用鋼的加熱系數(shù) （mm）工件材料工件直徑＜600℃箱式爐中加熱750～850℃鹽爐中加熱或預(yù)熱800～900℃箱式爐或井式爐中加熱1000～1300℃高溫鹽爐中加熱碳鋼≤50—～～—＞50～～合金鋼≤50—～～—＞50～—～高合金鋼—～～—～高速鋼——～—～～～根據(jù)圖21中機(jī)床齒輪的尺寸。淬火加熱時(shí)間常用以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算 （式22）式中τ為淬火加熱時(shí)間（min），a為加熱系數(shù)（min/mm），K為裝爐量修正系數(shù)，D為工件有效厚度（mm）。（2）淬火①加熱溫度：一般在Ac3點(diǎn)以上30～60℃，以獲得奧氏體組織，取840℃。所以保溫時(shí)間=+4/4=③冷卻方式：先隨爐冷卻到600℃以下，然后出爐空冷。②保溫時(shí)間：可按下式計(jì)算 （式21）式中τ為保溫時(shí)間（h），Q為裝爐量。最后的噴丸處理不僅是為了清除氧化皮, 使表面光潔,更重要的是作為一種強(qiáng)化手段, 使零件表層壓力進(jìn)一步增大, 有利于提高疲勞強(qiáng)度。10℃。機(jī)加工后的齒輪經(jīng)滲碳后預(yù)冷到一定溫度(一般為840～ 860℃)進(jìn)行直接淬火, 而后再低溫回火。據(jù)此，該工藝路線安排為: 下料→鍛造→退火→機(jī)加工→滲碳、淬火及低溫回火→噴丸→磨削加工（2）熱處理工序作用分析齒輪毛坯鍛造后進(jìn)行退火處理, 用以改善Q235鋼的切削加工性，Q235鋼退火后的硬度的170～210HBS,切削加工性能良好。主傳動(dòng)系統(tǒng)中的齒輪, 受力較大, 受沖擊較頻繁, 因此對(duì)材料要求較高。為了消除淬火應(yīng)力,高頻淬火后應(yīng)進(jìn)行低溫回火,這對(duì)防止研磨裂紋的產(chǎn)生和提高抗沖擊能力極為有利[8]。調(diào)質(zhì)后的齒輪組織為回火索氏體,在高頻淬火時(shí)變形更小。在粗加工后, 為了得到強(qiáng)度、塑性、韌性都較好的綜合機(jī)械性能, 需對(duì)鋼件進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理, 據(jù)此, 該工藝路線安排為:下料→鍛造→退火→粗加工→調(diào)質(zhì)→半精加工→高頻表面淬火及回火→精磨（2）熱處理工序作用分析退火火處理對(duì)鍛造齒輪毛坯是必需的熱處理工序,它可以使同批坯料具有相同的硬度,便于切削加工,使化學(xué)成分均勻,減小或消除鍛造內(nèi)應(yīng)力，并為零件最終熱處理準(zhǔn)備合適的內(nèi)部組織。熱處理工藝規(guī)程的擬定（1）分析所有可能的熱處理工藝方案，比較后選擇其中保證工件高質(zhì)量而有最經(jīng)濟(jì)的方案；（2）需要熱處理的工件應(yīng)按材料、形狀、尺寸、重量和性能要求等選擇合適的熱處理工藝；（3）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)加熱和冷卻設(shè)備選擇工件的加熱和冷卻方法；（4）熱處理工藝過(guò)程各工序順序應(yīng)力求優(yōu)化，避免在工藝傳遞過(guò)程中的重復(fù)[7]。熱處理在加工工藝路線中的位置材料的加工工藝路線是比較復(fù)雜的，根據(jù)對(duì)工件性能要求的不同，熱處理在加工工藝路線中的位置通常有以下三種情況：（1）毛坯→正火（退火）→機(jī)械加工→工件成品（一般工件）（2）毛坯→預(yù)先熱處理（正火、退火或調(diào)質(zhì)）→粗加工→最終熱處理（淬火、回火、化學(xué)熱處理等）→精加工（要求較高的工件）（3）毛坯→預(yù)先熱處理→粗加工→淬火、回火或化學(xué)熱處理→半精加工→穩(wěn)定化處理或化學(xué)熱處理→精加工→穩(wěn)定化處理→工件成品（精密工件）選擇熱處理工藝時(shí)應(yīng)該重點(diǎn)考慮的因素（1）工件設(shè)計(jì)中熱處理技術(shù)條件 如材料（包括規(guī)格、鋼種、晶粒度等）、金相組織、硬化層及滲層厚度、強(qiáng)度、沖擊韌性及硬度要求；（2）熱處理的工藝性 確定熱處理工藝時(shí)，應(yīng)根據(jù)每種工件的技術(shù),盡量做到工藝上的先進(jìn)性，技術(shù)上的可靠性和經(jīng)濟(jì)上的合理性；（3）工廠生產(chǎn)條件及批量 確定熱處理工藝時(shí)還應(yīng)考慮工廠的現(xiàn)場(chǎng)特點(diǎn)、現(xiàn)有設(shè)備、生產(chǎn)批量等因素。 熱處理工藝方案的制定 零件的技術(shù)要求45鋼制成的輕載低速或中速機(jī)床齒輪技術(shù)要求如下：齒表硬度：30～35 HRCQ235鋼制成的輕載低速或中速機(jī)床齒輪技術(shù)要求如下：齒表硬度：700～860 HV心部硬度：240～295 HV滲碳層深度為：～ mm[7] 制定工藝路線要制定出合理的工藝路線，與之緊密聯(lián)系的一些概念是必不可少的，包括熱處理工藝在整個(gè)工件加工制造過(guò)程中的位置、選擇熱處理工藝時(shí)應(yīng)考慮的因素和熱處理工藝規(guī)程擬定。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或原冶金部標(biāo)準(zhǔn)給出的熱軋或退火狀態(tài)的力學(xué)性能范圍或最低值，其數(shù)據(jù)可靠；而技術(shù)資料、論文中給出的數(shù)據(jù)一般是特定條件下的平均值，使用時(shí)要加以注意；（6）同一材料的不同供應(yīng)狀態(tài)對(duì)數(shù)據(jù)影響很大；（7）選材時(shí)要注意同時(shí)考慮所選材料的成型加工方法。 選材應(yīng)注意的問(wèn)題（1）在大多數(shù)情況下優(yōu)先考慮使用性能，工藝性能和經(jīng)濟(jì)性原則次之；（2）有些力學(xué)性能指標(biāo)（如 σb、σK1c）可直接用于設(shè)計(jì)計(jì)算； δ、Ψ、Ak等不能直接用于計(jì)算，而是用于提高零件的抗過(guò)載能力，以保證零件工作安全性；（3）在對(duì)零件的力學(xué)性能要求轉(zhuǎn)化為材料力學(xué)性能指標(biāo)時(shí)，要注意手冊(cè)上給出的組織狀態(tài)。零件選材原則的實(shí)質(zhì)是所選材料要耐用，易加工且費(fèi)用低。工藝性原則零件毛坯主要有鑄件、鍛件、焊接件和型材四種，熟悉材料的加工工藝過(guò)程和材料的工藝性能，使所選材料比較容易加工成工件，在選材時(shí)必須考慮材料的加工工藝性能。以上齒輪的受力特點(diǎn)決定其損壞形式主要是齒的折斷和齒面的剝落及過(guò)度磨損。服役條件不同，性能要求也不一樣。 熱處理零件的選材原則使用性原則使用性原則是零件在使用中應(yīng)該具有的性能，這是保證零件完成規(guī)定功能的必要條件。實(shí)踐證明,一般機(jī)床齒輪選用中碳鋼制造, 如Q23Q2740 、45 、50 、50Mn 等鋼制造[5]。機(jī)床齒輪的工作條件比起汽車、拖拉機(jī)、礦山機(jī)械、動(dòng)力機(jī)械中的齒輪來(lái)說(shuō)相對(duì)工作平穩(wěn),負(fù)荷小,工作環(huán)境較好。機(jī)床齒輪精度一般為6～8級(jí)(中、低速)和8～12 級(jí)(高速),汽車、拖拉機(jī)齒輪精度一般為6～8 級(jí)。一般分為:低速齒輪(1～9 m/s)；中速齒輪(6～10 m/s)；高速齒輪(10～15 m/s)。齒輪工作時(shí)轉(zhuǎn)速越大,齒面和齒根受到的交變應(yīng)力次數(shù)越多,齒面磨損越嚴(yán)重。載荷大小主要是指齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩的大小,通常以齒面上單位壓應(yīng)力作為衡量標(biāo)志。 （3）磨損失效汽車、拖拉機(jī)上的主載荷齒輪，受力比較大，摩擦產(chǎn)生熱量較大，齒面因軟化而造成塑性變形，在齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)粘結(jié)而后又被撕裂，造成齒面摩擦磨損失效（4）磨粒磨損外來(lái)質(zhì)點(diǎn)進(jìn)入相互嚙合的齒面間，使齒面產(chǎn)生機(jī)械擦傷和磨損，比正常磨損的速度來(lái)得更快。其產(chǎn)生是由于當(dāng)齒輪受到彎曲應(yīng)力超過(guò)其持久極限就出現(xiàn)疲勞破壞而超過(guò)材料抗彎強(qiáng)度時(shí)，就造成斷裂失效；（2）表面損傷 a. 點(diǎn)蝕 是閉式齒輪傳動(dòng)中最常見(jiàn)的損壞形式，點(diǎn)蝕進(jìn)一步發(fā)展，表現(xiàn)為蝕坑至斷裂。在齒根部位受到很大的彎曲應(yīng)力作用；（2）高速齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的過(guò)載產(chǎn)生振動(dòng)，承受一定的沖擊力或過(guò)載；（3）在一些特殊環(huán)境下，受介質(zhì)環(huán)境的影響而承受其它特殊的力的作用[4]。兩齒輪在相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，既有滾動(dòng)，又有滑動(dòng)。是主要零件。 齒輪的服役條件和失效形式服役條件齒輪是機(jī)械工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的重要零件之一。該課題不僅能使學(xué)生加深對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的理解和掌握，也可以提高學(xué)生分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，為今后從事相關(guān)工作奠定了基礎(chǔ)。 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(jìn)行相應(yīng)的熱處理工藝設(shè)計(jì)，包括加熱溫度、保溫時(shí)間、冷卻方式和冷卻介質(zhì)等。重點(diǎn)分析制定依據(jù)。在硬齒面齒輪熱處理工藝中，滲碳淬火具有最佳綜合力學(xué)性能，但也是耗能最大、污染最嚴(yán)重的工藝，而滲氮、表面感應(yīng)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(guó)內(nèi)外一直進(jìn)行著擴(kuò)大在齒輪中應(yīng)用的研究,有潛力但尚需更多的努力[3]。（6）熱處理工藝計(jì)算機(jī)模擬隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，從齒輪強(qiáng)度和熱處理工藝綜合的角度開展CAD、CAE工程應(yīng)用的研究；在熱處理工藝方面對(duì)加熱、冷卻過(guò)程的溫度、熱傳遞、組織轉(zhuǎn)變、應(yīng)力等進(jìn)行模擬，從而提高熱處理工藝水平和齒輪的承載能力。困擾多年的滲碳碳勢(shì)控制已經(jīng)解決，而留下一個(gè)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(qiáng)度。（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(shí)，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(xué)性能和工藝性能，以滿足齒輪高強(qiáng)度和高可靠度的要求?，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(dá)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。（1）高承載能力、高可靠性現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備的技術(shù)參數(shù)不斷提高，對(duì)齒輪的性能提出了更高的要求，如風(fēng)電齒輪、高速列車傳動(dòng)齒輪、核電及大型石化裝備的齒輪等，因此，對(duì)材料熱處理的冶金因素、殘余應(yīng)力與性能之間的關(guān)系必須更深入地研究，并運(yùn)用有限元及斷裂力學(xué)來(lái)計(jì)算、分析裂紋的形成與擴(kuò)展，預(yù)測(cè)使用壽命，提高其可靠性。 發(fā)展趨勢(shì)為促進(jìn)我國(guó)熱處理技術(shù)的發(fā)展，我們應(yīng)全面了解熱處理技術(shù)的現(xiàn)狀和水平，掌握其發(fā)展趨勢(shì)，大力發(fā)展先進(jìn)的熱處理新技術(shù)、新工藝、新材料、新設(shè)備，用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)的熱處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、降耗、無(wú)污染、低成本、專業(yè)化生產(chǎn)”，力爭(zhēng)到 2020年時(shí)達(dá)到工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家八十年代中期的水平。選材為中碳鋼或中碳合金鋼，如4540Cr、42SiMn、35CrMo、42CrMoH、40CrMnMo、40CrNiMo。車輛齒輪一般采用滲碳淬火強(qiáng)