20CrMO热处理工艺设计

前 言

众所周知，齿轮是机械设备中关键的零部件，它广泛的用于汽车、飞机、坦克、轮船等工业领域。它具有传动准确、结构紧凑使用寿命长等优点。齿轮传动是近代机器中最常见的一种机械振动是传递机械动力和运动的一种重要形式、是机械产品重要基础零件。它与带、链、摩擦、液压等机械相比具有功率范围大，传动效率高、圆周速度高、传动比准确、使用寿命长、尺寸结构小等一系列优点。因此它已成为许多机械产品不可缺少的传动部件，也是机器中所占比例最大的传动形式。由于齿轮在工业发展中的突出地位，使齿轮被公认为工业化的一种象征。

得益于近年来汽车、风电、核电行业的拉动，汽车齿轮加工机床、大规格齿轮加工机床的需求增长十分耀眼。据了解，随着齿轮加工机床需求的增加，近年来涉及齿轮加工机床制造的企业也日益增多。无论是传统的汽车、船舶、航空航天、军工等行业，还是近年来新兴的高铁、铁路、电子等行业，都对机床工具行业的快速发展提出了紧迫需求，对齿轮加工机床制造商提出了新的要求。据权威部门预测2012 年将达到200 万吨。20CrMo钢作为一种典型的低合金渗碳结构钢在工程中广泛用于制造轴类、齿轮类零件。

由于齿轮的工作条件复杂，所以要求齿轮既要具有优良的耐磨性又要具备高的抗接触疲劳和抗弯曲疲劳性能。

在齿轮热处理工艺显著提高的背景下，我国已能自行生产各类高参数的齿轮。但我国齿轮的质量与其他发达国家的同类产品相较还是具有一定的差距，主要表现在齿轮的平均使用寿命、单位产品能耗、生产率这几方面上。要提高齿轮的质量，除了要选材合适之外，必须对材料的热处理工艺进行优化，通过新工艺和新设备引进吸收和自主创新，实现齿轮热处理工艺朝节能、环保、智能化方向发展。

本设计是在课堂学习热处理知识后的探索和尝试，其内容讨论如何设计齿轮的热处理工艺，重点是制定合理的热处理规程，并按此设计齿轮的热处理方法。

目 录

1 齿轮热处理概述 ................................................ 1 2齿轮热处理工艺设计 ............................................ 2

2.1 齿轮的服役条件、失效形式及性能要求 ............................... 2 2.1.1 服役条件、失效形式 ........................................... 2

2.1.2 性能要求 ..................................................... 2 2.2 齿轮材料的选择 ................................................... 2 2.3 20CrMo齿轮的热处理工艺设计 ...................................... 3 2.3.1 20CrMo的工艺流程 ............................................ 3 2.3.2 20CrMo的热处理工艺设计 ...................................... 4 2.4 20CrMo齿轮的热处理工艺理论基础 .................................. 5 2.5.1 20CrMo的正火工艺理论基础 .................................... 6 2.5.2 20CrMo的气体渗碳工艺理论基础 ................................ 7 2.5.3 20CrMo渗碳后淬火工艺原理基础 ................................ 8 2.5.4 20CrMo回火工艺理论基础 ...................................... 9 2.6选择设备、仪表和工夹具 ........................................... 9 2.6.1设备 ......................................................... 9 2.6.2仪表 ........................................................ 11 2.6.3设计工夹具 .................................................. 12 2.7 20CrMo齿轮热处理质量检验项目、内容及要求 ....................... 12 2.8 20CrMo齿轮热处理常见缺陷的预防及补救方法 ....................... 13 2.8.1马氏体粗大及奥氏体过量 ...................................... 13 2.8.2碳氮化合物过量 .............................................. 13 2.8.3渗层不均匀 .................................................. 13 2.8.4热处理畸变 .................................................. 13

2.9 热处理工艺卡 ............................................ 1

2.9.1 20CrMo正火工艺卡 ............................................ 1

2.9.2 20CrMo渗碳工艺卡 ............................................ 1 2.9.3 20CrMo淬火工艺卡 ............................................ 2 2.9.4 20CrMo回火工艺卡 ............................................ 2

3. 参考文献 .................................................... 20

1 齿轮热处理概述

齿轮或一般都要承受交变载荷甚至冲击载荷，接触应力大，齿面易磨损。因此，对齿轮的要求是表面硬且耐磨，心部强而韧，具有高的抗疲劳强度，表面不崩裂，不压陷，不点蚀，为了满足这些性能的要求，常常采用低碳钢经正火、渗碳、淬火加低温回火的热处理工艺。

正火是一次预备热处理，主要目的是为了提高钢的硬度，便于钢坯的切削加工。渗碳的目的是提高工件表面材料的含碳量，以便在后续淬火工序中得到高的表面硬度，同时保持芯部韧性，淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到马氏体或贝氏体组织，然后配合以不同温度的回火，以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等，回火目的是减低或消除淬火钢件中的内应力，或降低其硬度和强度，以提高其延性或韧性，提高零件尺寸的稳定性。

通过齿轮的热处理的分析，更加明确在执行热处理工艺过程中所需要注意的问题。能够正确确定加热温度、时间，保温时间，冷却方式，其目的就是通过正确的热处理工艺，使金属材料的潜在能力得到充分的发挥。

根据齿轮的工作条件，失效形式及性能要求，本设计选择20CrMo钢作为渗碳齿轮材料；在设计正火-渗碳-淬火-低温回火热处理工艺中，借鉴了《热处理工程师手册》，《钢的热处理》，《金属材料学》，《机床零件用钢》，《齿轮热处理译文集》等。根据工艺设计的理论基础设定了完整的热处理工艺流程，使热处理的20CrMo齿轮表面除具有高硬度，高耐磨性外高的疲劳强度，还要使心部具有高的强度和韧性，从而满足齿轮的质量要求。

2齿轮热处理工艺设计

2.1 齿轮的服役条件、失效形式及性能要求

2.1.1 服役条件、失效形式

齿轮工作时，全部扭矩作用在啮合的轮齿的齿根上，使其承受很大的弯曲应力和交变应力，而且是周期性地作用于每一个轮齿上，使其承受复交变应力的作用。齿轮在啮合传递扭矩的过程中转速变化范围广，齿轮表面承受较大的接触应力，并在高速下承受强烈的摩擦力。齿轮有时在过载和强烈冲击条件下工作，使齿轮出现多种不同的失效形式如下：

1.接触疲劳：在齿面上出现浅层麻点和深层剥落。主要发生在高速长时间运行之后。 2.弯曲疲劳：局部或整个牙断裂。主要出现在过载、冲击的使用条件下。

3.磨损：齿面相互滑动造成的擦伤和磨损。主要发生在载荷过大、转速较低的情况下。此外，变速箱齿轮端部会发生撞击磨损。

2.1.2 性能要求

表面要求耐磨，心齿硬度为58-63HRC;齿根硬度为33-45HRC；其余力学性能要求为：

抗拉强度σb≥1000MPa；屈服强度σs：≥490 MPa 伸长率 δ5 (%)：≥11 ；断面收缩率 ψ (%)：≥45 ；冲击功 Akv (J)：≥55 ；冲击韧性值 αkv (J/cm2)：≥69(7)

2.2 齿轮材料的选择

1.根据齿轮的承载能力：

具体齿轮材料的选用主要是根据齿轮工作时载荷的大小、转速的高低及齿轮的精度要求来确定的。载荷大小主要是指齿轮传递转矩的大小。通常以齿面上单位压应力作为衡量标志。一般分为:轻载荷、中载荷、重载荷和超重载荷。齿轮工作时转速越大,齿面和齿根受到的交变应力次数越多、齿面磨损越严重。因此可以把齿轮转动的圆周速度v 的大小作为材料承受疲劳和磨损的尺度。一般分为低速齿轮(1～9 m/ s) 、中速齿轮(6～10 m/ s) 、高速齿轮(10～15 m/ s) 。齿轮的精度高,则齿形准确,公差小,啮合紧密,传动平稳且无噪声。机床齿轮精度一般为6～8 级(中、低速) 和8～12 级(高速) 。拖拉机小齿轮精度一般为6～8 级。

2.根据齿轮的失效形式：

由齿轮的失效形式可知齿轮的基本要求为：（1）齿面应有足够的硬度；（2）齿芯应有足够的强度和韧性；（3）应有良好的加工工艺性能及热处理性能。

3.根据齿轮的工作条件来选择：

对于一般比较简单的小磨具渗碳齿轮，心部主要保证有足够的韧性，采用低碳钢即可，但对于受载荷较大的齿轮来说，不仅仅要求心部有足够的硬度，外部还要有高的强度。

常见用来制作齿轮金属的金属材料为锻钢（软齿面，硬齿面），铸钢，铸铁，齿轮它的受力较大、受冲击较频繁因此对材料要求较高。由于弯曲与接触应力都很大,所以重要齿轮都需要渗碳、淬火处理以提高耐磨性和疲劳抗力。为了保证心部有足够的强度及韧性、材料的淬透性要求较高,心部硬度应在HRC35～45。所以选择20CrMo作为制造齿轮的材料。

通过查找《热处理手册》获得20CrMo的C

曲线：

2.3 20CrMo齿轮的热处理工艺设计

2.3.1 20CrMo的工艺流程

1.下料--毛坯锻造--正火--加工齿形--渗碳--预冷淬火--低温回火--喷丸--磨齿 2. 锻造工艺设计 造齿轮轴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。 齿轮轴的锻造工艺与齿轮相差不大，用棒料镦经切削加工制成的齿轴，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。《热查阅处理工艺规范数据手册》可以找出20CrMo钢的锻造工艺的加热温度、始锻温度冷却方式， 本设计具体的锻造工艺参数如下表所示

20CrMo钢的热加锻造工艺规范图

项目 钢坯

加热温度 1200℃

始锻温度 1240～1260℃

终锻温度 >750℃

经锻造将获得最大外径约是88mm，高26mm的齿坯，采用缓冷。下图是20CrMo齿轮零件图。

图2 20CrMo拖拉机齿轮零件图

2.3.2 20CrMo的热处理工艺设计

1．正火处理

正火处理可消除齿轮内部过大的应力, 目的是为了细化晶粒、改善组织，增加齿轮

的韧性、改善材料的切削性能，为最终热处理做好准备。 2．20CrMo的渗碳处理：

常用的渗碳方法有：固体渗碳、液体渗碳、气体渗碳。气体渗碳最为常用其所用渗

剂的原始状态可以是气体，也可以是液体如煤油。但在化学热处理炉内均为气态。对所用渗剂要求能易于分解为活性原子，经济，易于控制，无污染，渗层具有较好性能。由于含碳量低，塑性和韧性较高，硬度和耐模性差，所以使用气体表面渗碳热处理，在表面层可获得板条状的马氏体体组织，即高硬度达到58HRC以上，但心部仍然是较高塑性和韧性，硬度为33-45HRC，屈服强度σs：≥490 MPa 伸长率 δ5 (%)：≥11。 3.淬火处理

面获得高硬度、强度、耐磨性和抗接触疲劳性能，心部仍高强韧性。要求淬火后心齿硬度为58-63HRC;齿根硬度为33-45HRC；其余力学性能要求为：抗拉强度σb≥1000MPa；屈服强度σs：≥490 MPa 伸长率 δ5 (%)：≥11 。 4．低温回火

回火可以降低内应力，稳定组织和尺寸，大大提高韧性和得到良好的综合力学性。抗拉强度σb≥1000MPa；屈服强度σs：≥885 伸长率 δ5 (%)：≥11 ；断面收缩率 ψ (%)：≥45 ；冲击功 Akv (J)：≥55 ；冲击韧性值 αkv (J/cm2)：≥69(7)

图3 热处理总工艺曲线

2.4 20CrMo齿轮的热处理工艺理论基础

2.4.1 20CrMo的正火工艺理论基础

1.正火目的：

降低材料的硬度，便于切削加工，去除材料的内应力和组织硬化现象，为下一步的渗碳处理做准备。 2.正火温度的选择：

20CrMo约为825℃，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 ℃。

图4 铁碳

相图

3.加热方法及保温时间：

采用到温加热的方法，是指当炉温加热到指定温度时，再将工件装进热处理炉进行加热。这样做的原因是避免金属组织的出现不需 要的相转变，加热速度快，节约时间。便于小批量生产。

选定的依据：加热时间可按下列公式进行计算：t=a×K×D, 式中t为加热时间（min），K为反映装炉时的修正系数，可根据表2.2取 K为1.4。a为加热系数min/mm，加热系数a可根据钢种与加热介质、加热温度进行取值，参数见表2.3。D为工件的有效厚度（mm），由公式可知，工件厚度=（工件最厚处直径+工件最薄处直径）/2。

可得t=a×K×D。

4.冷却方式：

出炉后空气冷却。

正火组织：细珠光体+铁素体

2.4.2 20CrMo的气体渗碳工艺理论基础

(1)渗碳的目的：

渗碳后进行淬火与回火，使其心部保持良好的韧性的同时，表层获得高的强度、硬度和耐磨性 (2)渗碳温度：

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。

渗碳进行淬火回火处理，淬火加热820~850℃ ，保温后油冷，180℃低温回火。

(3)渗碳介质：甲醇和煤油 (4)渗碳温度时间：

渗碳温度在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0.8~1.2mm，可以选取t=920℃。保温时间：5小时 (5)渗碳工艺:

装炉后排气，滴油量35~65滴/分钟，保温时间160~180滴/分钟，渗层达到要求后降温到850±10℃预冷30分钟，为淬火做准备。 渗碳工艺曲线见图5。

图5

2.4.3 20CrMo渗碳后淬火工艺原理基础

（1）淬火目的:

淬火的目的是为了使过冷奥氏体进行马氏体（或贝氏体）转变，得到马氏体（或贝氏体）组织，然后配合以不同温度的回火，以提高工件的硬度、强韧性、弹性、耐蚀性和耐磨性等，获得所需的力学性能。 （2）淬火温度：

淬火温度：840±10℃

依据：20CrMo为低碳钢，加热温度t=Ac3+30~50℃ （3）淬火介质： 油冷

（3）保温时间：20～30min

为工件在渗碳炉中保温的时间已经足够长无需再加热很长时间。 （4）淬火后组织：

渗碳淬火后齿轮由表面至心部的组织依次为：马氏体+碳化物（少量）+残余奥氏体→马氏体+残余奥氏体→马氏体→低碳马氏体（心部）。

图6

2.5.4 20CrMo回火理论基础

（1）低温回火目的：

低碳钢采取回火时可以使马氏体分解，析出碳化物转变成回火马氏体，淬火内应力得到部分消除，淬火时得到的微裂纹也得到大部分的愈合，因此低温回火可以在很少降低硬度的情况下使钢的韧性得到显著地提高，并提高钢的强度、耐磨性，使轴和齿轮部分得到优异的机械性能。并且可以稳定组织，使工件在适用过程中不发生组织转变，降低或消除淬火内应力，以减少工件的变形并防止开裂，从而保证工件的尺寸、形状不变。 （2）低温回火的温度选择：

由于渗碳钢零件表面要求具有很高的硬度，耐磨性，同时要求心部具有较好的塑韧性。因此低温回火可以满足性能要求，故选择低温回火，且工件适中，温度t：150~250℃。 （3）保温时间:

依据：工件有效厚度40mm，合金钢应按空气回火炉温表（表5.1），增加所列时间的1/3保温时间。

4）冷却方式与回火形态组织：出炉空冷；表面：氏体+碳化物+残余奥氏体； 心部：回火马氏体+残余奥氏体。

2.6选择设备、仪表和工夹具 2.6.1设备

（1）等温正火设备：

综合考虑选用RX3系列950℃箱式电阻炉，电阻炉参数见下表。

RX3-60-9 950℃箱式电阻炉

电源

型号

额定功率 15(KW)

1 相数

RX3-15-9

电压 380(V)

950℃

500×230×220

额定温度

工作空间尺寸(mm×mm)

说明：适用于中，小型工件成批量生产。可进行退火、正火、淬火和高温及低温回火等热处理操作。该炉功率小空间相对于工件可以很好的利用，正是由于它的空间小它的加热时间短并且热利用率高。

图7 X3-60-9 950℃箱式电阻炉

（2）渗碳设备：

用井式气体渗碳炉，型号为RQ3-75-9D。渗碳炉子参数见下表

RX3-35-9D 950℃井式气体渗碳炉技术数据

额定功率KW

额定电压V

额定温度℃

加热区数

电热原件接法

工作空间尺寸（直径×

空炉升温时间h

空炉损耗功率KW

炉温均匀性℃

深）

35

380

950

1

Y

300×600

≦2.5

≦9

≦

20

图8井式气体渗碳炉

（3）淬火设备：渗碳炉和油槽。

（4）回火设备：低温井式电阻炉，型号为Rj-35-6，电阻炉参数见下表

Rj-35-6低温井式电阻炉技术数据

额定功率KW

V

额定电压

定温度℃

额

加热区数

工作空间尺寸（直径×深）

35

380

950

3

500×650

≦4.5

空炉升温时间h

功率KW ≦1 空炉损耗

2.6.2仪表

1．温度检测表

热电偶：镍铬—镍硅（镍铝），温度范围40-1200℃。 2．温度显示与调节仪表

TA—091电子调节器，规格参数：位式+报警，该系列仪表所配用执行器：接触器、电磁阀、ZAP（ZAJ）直行程电机+ZM薄膜阀，可控硅电压调整器、DF-1伺服放大器+直行程电机+ZM薄膜阀，电气转换器+ZM气动薄膜阀。 3．数字式温度显示仪表：

面板是数字温度仪表：RY2312，测量范围：0-1300℃。 4．压力测量仪表

热处理设备工测量压力表主要测量煤气压力燃烧油压力。

2.6.3设计工夹具

零件在热处理过程中，根据零件的外形、尺寸及批量和所选用的加热炉型号，需要多种吊具和工夹具以保证零件的加热均匀，不致于变形，保证操作安全。 1．夹具：

圆锥台的大端有用于螺栓连接的法兰盘，在圆锥台锥面中间圆周上均布若干轴线垂直于锥面的通孔，通孔内有一台阶孔。 2．压板： 3．定位销：

头部是球体，中间是轴，尾部加工一个台阶，台阶的顶部是球面。 4．弹簧：

套在定位销上并一起安装在夹具体锥面上的通孔内。 5．变速箱齿轮渗碳夹具：

2.7 20CrMo理质量检验项目、内容及要求

1．外观形检查

检查工件表面有无腐蚀或氧化皮。不得有裂纹及碰伤，表面不得有锈蚀。 2．工件变形检查

根据图样技术要求检查工件的挠曲变形、尺寸及几何形状的变化。 3. 硬度测试

硬度检验：包括工件的表面和心部的硬度检验。选取三点进行硬度测试，根据原理HB=F/S（淬火钢球），用硬度实验测试。 4.渗层深度及组织检查

选取试样横截面切取，打磨试样，夹具夹持进行抛光，用4%硝酸酒精溶液侵蚀，在用酒精进行清洗，再吹干。用放大镜观察渗层厚度，在金相显微镜下进行观察试样的金相组织，按技术要求及标准行检查渗层碳化物的形态及分布，残留奥氏体数量，有无反

常组织，心部组织是否粗大及铁素体是否超出技术要求等，一般在显微镜下放大400倍观察，若得到组织为回火索氏体，则符合工件热处理组织要求。

2.8 20CrMo齿轮热处理常见缺陷的预防及补救方法 2.8.1马氏体粗大及奥氏体过量

这主要是由于实际淬火温度过高，材料表面碳含量过高所造成的，因此，可以适当的降低淬火温度和表面脱碳或者是渗碳的时候掌握好时间等措施来解决这个缺陷。

2.8.2碳氮化合物过量

齿轮经过碳氮共渗能够增加碳化层的强度，但是由于操作不当，可能导致面层浓度过高，是析出的碳化物以角状或网状形态析出，会导致组织表面组织性能严重降低，容易产生齿崩，并且容易应力集中。解决方式是按照正确的工艺操作，严格按照工艺要求进行每一步热处理操作，并在热处理后仔细检测热处理参数，看是否达到热处理要求，否则必须重新热处理至达到要求。

2.8.3渗层不均匀

碳氮共渗中最容易出现的缺陷组织是黑色组织，可能造成齿轮的接触疲劳、弯曲疲

劳及降低齿轮的耐磨性等，其产生的主要原因由于合金元素Mn被内氧化，而生成合金氧化物及氮原子的渗入而生成含Cr、Mn的C、N化合物造成的，因此在渗碳的过程中做好气体保护，控制好渗碳炉内的温度满足渗碳是环境条件，使齿轮内部合金元素不被氧化，贫化等使其达到渗碳所具备的条件。

2.8.4热处理畸变

在齿轮的热处理过程中，由于原材料的悬着，材料原始组织，热处理前序以及齿轮的几何形状因素等因素可能造成齿轮整体尺寸发生畸变。这种畸变可以通过适当的改变材料，增加后续处理工艺及控制设备，装炉方式等来减少尺寸畸变。

2.9 热处理工艺卡

2.9 15Cr正火工艺卡

2.9 15Cr渗碳工艺卡