45钢机床齿轮热处理工艺设计文档格式.docx
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哈尔滨工业大学出版社,2005
[2]中国机械工程学会热处理分会.热处理工程师手册[M].机械工业出版社.2003.第一版.
[3]张玉庭主编.热处理技师手册[M].机械工业出版社.2006.第一版
[4]中国机械工程学会热处理学会.热处理手册[M].机械工业出版社.2003.第三版.
4、课程设计工作进度计划
第十四周:
对给定的题目进行认真分析,查阅相关文献资料,做好原始记录。
第十五周:
撰写课程设计说明书,并进行修改、完善,提交设计说明书。
指导教师(签字)
日期
2013年11月25日
教研室意见:
年月日
学生(签字):
接受任务时间:
年月日
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
题目名称
评分项目
分值
得分
评价内涵
工作
表现
20%
01
学习态度
6
遵守各项纪律,工作刻苦努力,具有良好的科学工作态度。
02
科学实践、调研
7
通过实验、试验、查阅文献、深入生产实践等渠道获取与课程设计有关的材料。
03
课题工作量
按期圆满完成规定的任务,工作量饱满。
能力
水平
35%
04
综合运用知识的能力
10
能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题,能正确处理实验数据,能对课题进行理论分析,得出有价值的结论。
05
应用文献的能力
5
能独立查阅相关文献和从事其他调研;
能提出并较好地论述课题的实施方案;
有收集、加工各种信息及获取新知识的能力。
06
设计(实验)能力,方案的设计能力
能正确设计实验方案,独立进行装置安装、调试、操作等实验工作,数据正确、可靠;
研究思路清晰、完整。
07
计算及计算机应用能力
具有较强的数据运算与处理能力;
能运用计算机进行资料搜集、加工、处理和辅助设计等。
08
对计算或实验结果的分析能力(综合分析能力、技术经济分析能力)
具有较强的数据收集、分析、处理、综合的能力。
成果
质量
45%
09
插图(或图纸)质量、篇幅、设计(论文)规范化程度
符合本专业相关规范或规定要求;
规范化符合本文件第五条要求。
设计说明书(论文)质量
30
综述简练完整,有见解;
立论正确,论述充分,结论严谨合理;
实验正确,分析处理科学。
11
创新
对前人工作有改进或突破,或有独特见解。
成绩
指导教师评语
指导教师签名:
年 月 日
摘要
热处理工艺是金属材料工程的重要组成部分。
通过热处理可以改变材料的加工工艺性能,充分发挥材料的潜力,提高工件的使用寿命。
热处理不仅对锻造机械加工的顺利进行和保证加工效果起着重要作用,而且在改善或消除加工后缺陷,提高工件的使用寿命等方面起着重要作用。
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。
而齿轮质量的好坏在很大程度上取决于齿轮材料及其热处理工艺。
因此,国内外与齿轮制造相关的厂家都极为重视齿轮材料及其热处理技术的研究开发,并先后开发一系列新型齿轮材料及先进的热处理工艺。
45钢是制造齿轮的主要材料,于是研究一套以45钢为原料的齿轮热处理工艺便是研究任务的重中之重。
实践证明要想获得理想的组织与性能,保证零件在生产过程中的质量稳定性和使用寿命,就必须从工件的特点﹑要求和技术条件,认真分析产品在使用过程中的受力状况和可能失效形式,正确选择材料;
再根据生产规模﹑现场条件﹑热处理设备提出几种可行的热处理方案,最后根据其经济性﹑方便性﹑质量稳定性和便于管理﹑降低成本等因素,确定出一种最佳方案。
【关键词】齿轮齿轮钢发展热处理特性缺陷工艺退火调质
1.设计任务
1.1设计任务
1.2设计的技术要求
常用中碳调质结构钢。
45钢冷塑性一般,退火、正火比调质时要稍好,具有较高的强度和较好的切削加工性,经适当的热处理以后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性,材料来源方便。
适合于氢焊和氩弧焊,不太适合于气焊。
焊前需预热,焊后应进行去应力退火。
正火可改善硬度小于160HBS毛坯的切削性能。
该钢经调质处理后,其综合力学性能要优化于其他中碳结构钢,但该钢淬透性较低,水中临界淬透直径为12~17mm,水淬时有开裂倾向。
当直径大于80mm时,经调质或正火后,其力学性能相近,对中、小型模具零件进行调质处理后可获得较高的强度和韧性,而大型零件,则以正火处理为宜,所以,此钢通常在调质或正火状态下使用。
2设计方案
2.1钢机床齿轮的分析
2.1.1工作条件
a.由于传递扭矩,齿根承受很大的交变弯曲应力;
b.换挡、启动或啮合不均时,齿部承受一定冲击载荷;
c.齿面相互滚动或滑动接触,承受很大的接触压应力及摩擦力的作用。
2.1.2齿轮的失效形式
疲劳断裂
齿面磨损
图1齿轮的失效形式
主要失效形式为齿面点蚀和轮齿折断。
齿面点蚀。
齿轮传动过程中,齿轮接触面上各点的接触应力呈脉动循环变化,经过一段时间后,会由于接触面上金属的疲劳而形成细小的疲劳裂纹,裂纹的扩展造成金属剥落,形成点蚀。
轮齿折断。
最常见的是弯曲疲劳折断、过载折断。
轮齿受力后,在齿根部产生的弯曲应力最大,且在齿根过渡圆角处有应力集中。
如果轮齿的交变应力超过了材料的疲劳极限,在齿根圆角处将产生疲劳裂纹,随着裂纹不断扩展。
2.1.3钢机床齿轮性能
了解45号钢的性能我们查热处理手册得到的标准性能如下:
按照GB/T699-1999标准规定的45钢推荐热处理制度为850℃正火、840℃淬火、600℃回火,达到的性能为屈服强度≥355MPa。
而标准规定的抗拉强度为600MPa,屈服强度为355MPa,伸长率为16%,断面收缩率为40%,冲击功为39J[2]。
所以需要我们根据45号钢的标准规定根据要求进行热处理。
轮的性能要求
2.2齿轮类零件的选材
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。
低速齿轮(1~9m/s);
中速齿轮(6~10m/s);
高速齿轮(10~15m/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),汽车、拖拉机齿轮精度一般为6~8级。
机床中使用的齿轮主要起传递动力、改变运动速度和运动方向的作用。
机床齿轮的工作条件比起汽车、拖拉机、矿山机械、动力机械中的齿轮来说相对工作平稳,负荷小,工作环境较好。
一般机床中的齿轮精度大部分是7级精度,只有在分度传动机构中要求较高的精度。
实践证明,一般机床齿轮选用中碳钢制造,如Q235、Q275、40、45、50、50Mn等钢制造[5]。
那么如何确定选择那种材料最为合适呢?
在对齿轮材料进行选材时,必须要围绕着热处理材料的选材原则,进行多方面考虑。
3设计说明
3.1加工工艺流程
钢机床齿轮通常采用45钢制造,齿轮毛坯一般需经过锻坯→预先热处理→切削加工→渗碳淬火→精加工等多道冷热加工工序,以获得较高的表面硬度和良好的心部韧性,使成品齿轮具有耐磨、耐疲劳、耐腐蚀等优良性能。
目前,国内钢机床齿轮锻造毛坯预先热处理主要采用正火和等温退火,并呈现采用等温退火取代正火处理的趋势,而常用的热处理工艺主要有渗碳、碳氮共渗、渗碳以及感应淬火。
45钢属于低碳钢,其成分[1]如下表3.1.
表3.145钢的化学成分(质量分数,%)
C
Mn
Cr
Ni
Cu
Si
0.42~0.50
0.50~0.80
≤0.25
≤0.30
0.17~0.37
3.1.1预先热处理工艺
对钢机床齿轮锻造毛坯进行预先热处理,主要是为了获得适宜的锻件表面硬度并为第二热处理作好金相组织准备。
传统的预先热处理方法大多采用常规正火处理。
该工艺设备简单、能耗少、工艺要求不高,因此应用较为广泛。
随着对钢机床齿轮质量要求的提高,特别是引进型用钢材料的多样化,由于普通正火时钢的组织转变是在一定温度范围内进行,因此得到的组织不均匀;
而且批量正火冷却时,锻坯往往成堆在空气中冷却或吹风冷却,其冷却速度易受其在堆中的位置及周围环境的影响,造成同批零件的硬度波动较大(156~207HB),同时又会增大渗碳淬火时的变形量,而对于淬透性较高的钢,甚至会产生贝氏体组织[5]。
因此,国内逐步采用等温退火工艺进行预先热处理,通常等温温度在560~650℃范围内,以保证现代化大批量生产时,齿坯在预先热处理后能获得均匀的组织和硬度(160~180HB),这对于减少齿轮的渗碳淬火变形,降低运行时的噪音具有重要意义[6]。
在国外,钢机床齿轮锻坯普遍采用等温退火处理,而且对不同的材料规定了不同的等温退火工艺。
国外生产实践表明[7],经等温退火处理的齿轮不仅机加工性能大大提高,而且渗碳淬火后的变形也明显减小。
当然,采用等温退火仍需将锻坯重新自室温加热至900℃以上高温,这将消耗大量能源。
由于钢机床齿轮锻造的终锻温度一般在900℃以上,此时工件仍处于奥氏体状态,如迅速将其均匀冷却到Ar1以下珠光体相变区进行等温转变,可获得与常规等温退火相似的显微组织和硬度,从而大大节约能源和提高劳动生产率并改善锻坯质
量。
近年来,在汽车工业,利用锻造余热进行等温退火已有研究和应用,但要进行大批量生产依然还存在一些技术难点[8]。
3.1.2具体热处理
调质是淬火加高温回火的双重热处理,其目的是使工件具有良好的综合机械性能。
调质钢有碳素调质钢和合金调质钢二大类,不管是碳钢还是合金钢,其含碳量控制比较严格。
如果含碳量过高,调质后工件的强度虽高,但韧性不够,如含碳量过低,韧性提高而强度不足。
为使调质件得到好的综合性能,一般含碳量控制在0.30~0.50%。
调质淬火时,要求工件整个截面淬透,使工件得到以细针状淬火马氏体为主的显微组织。
通过高温回火,得到以均匀回火索氏体为主的显微组织。
小型工厂不可能每炉搞金相分析,一般只作硬度测试,这就是说,淬火后的硬度必须达到该材料的淬火硬度,回火后硬度按图要求来检查。
工件调质处理的操作,必须严格按工艺文件执行,我们只是对操作过程中如何实施工艺提些看法。
1、45钢的调质
45钢是中碳结构钢,冷热加工性能都不错,机械性能较好,且价格低、来源广,所以应用广泛。
它的最大弱点是淬透性低,截面尺寸大和要求比较高的工件不宜采用。
45钢淬火温度在A3+(30~50)℃,在实际操作中,一般是取上限的。
偏高的淬火温度可以使工件加热速度加快,表面氧化减少,且能提高工效。
为使工件的奥氏体均匀化,就需要足够的保温时间。
如果实际装炉量大,就需适当延长保温时间。
不然,可能会出现因加热不均匀造成硬度不足的现象。
但保温时间过长,也会也出现晶粒粗大,氧化脱碳严重的弊病,影响淬火质量。
我们认为,如装炉量大于工艺文件的规定,加热保温时间需延长1/5。
因为45钢淬透性低,故应采用冷却速度大的10%盐水溶液。
工件入水后,应该淬透,但不是冷透,如果工件在盐水中冷透,就有可能使工件开裂,这是因为当工件冷却到180℃左右时,奥氏体迅速转变为马氏体造成过大的组织应力所致。
因此,当淬火工件快冷到该温度区域,就应采取缓冷的方法。
由于出水温度难以掌握,须凭经验操作,当水中的工件抖动停止,即可出水空冷(如能油冷更好)。
另外,工件入水宜动不宜静,应按照工件的几何形状,作规则运动。
静止的冷却介质加上静止的工件,导致硬度不均匀,应力不均匀而使工件变形大,甚至开裂。
45钢调质件淬火后的硬度应该达到HRC56~59,截面大的可能性低些,但不能低于HRC48,不然,就说明工件未得到完全淬火,组织中可能出现索氏体甚至铁素体组织,这种组织通过回火,仍然保留在基体中,达不到调质的目的。
45钢淬火后的高温回火,加热温度通常为560~600℃,硬度要求为HRC22~34。
因为调质的目的是得到综合机械性能,所以硬度范围比较宽。
但图纸有硬度要求的,就要按图纸
要求调整回火温度,以保证硬度。
如有些轴类零件要求强度高,硬度要求就高;
而有些齿轮、带键槽的轴类零件,因调质后还要进行铣、插加工,硬度要求就低些。
关于回火保温时间,视硬度要求和工件大小而定,我们认为,回火后的硬度取决于回火温度,与回火时间关系不大,但必须回透,一般工件回火保温时间总在一小时以上。
3.2.1预备热处理工艺
退火是将偏离平衡状态的金属坯料或零件加热至较高温度,保持一定的时间后通常以相当缓慢的速度冷却,以得到接近于平衡状态组织的各种工艺方法。
退火的目的是:
a消除钢锭的成分偏析,使成分均匀化。
b消除因铸、锻、焊引起的组织缺陷。
c降低硬度,提高塑性,以利于切削加工及冷变形加工。
d细化晶粒,均匀组织,为后续热处理做组织准备。
e消除钢中的内应力,以防止变形与开裂[5]。
Ac3
Ac1
图3.2A钢完全退火工艺曲线
加热温度:
Ac3+30~50℃;
加热速度:
小于950℃/h;
保温时间:
2min/mm[8]
3.2.2机械加工
由于我们专业并不怎么涉及机加工方面的知识,因此此处只能说明其在车床上进行加工。
3.2.3
3.2.4淬火+低温回火热处理工艺
①淬火
淬火是将钢加热至临界温度点Ac3或Ac1以上一定的度,保温后以大于临界冷却速度的速度冷却得到马氏体(或下贝氏体)的热处理工艺叫做淬火。
其目的是使奥氏体化后的工件获得尽量多的马氏体,然后配以不同温度回火
获得各种需要的性能。
钢的理想淬火冷却曲线如图3.4[7]所示
A
A→P
A→B
Ms
图3.4
②低温回火
回火是将淬火钢加热到A1以下某一温度,经过保温,然后以一定的冷却方法冷至室温的热处理操作。
其目的在于:
a.降低脆性,消除内应力。
工件淬火后存在着很大的内应力和脆性,若不及时回火,零件会产生变形或开裂。
b.得到对工件所要求的力学性能。
工件淬火后,硬度高,脆性大,为了了获得对工件要求的性能,可以用回火温度调整硬度,减小脆性,得到所需要的塑性、强度和硬度。
c.稳定工件尺寸。
淬火后的组织是马氏体和残余奥氏体,这两种组织都是不稳定的,会自发地逐渐地发生组织转变,因而引起工件尺寸和形状的改变。
通过回火,可以促使这些组织转变。
达到较稳定状态,以便在以后的使用过程中不发生变形[8]。
回火规范如表3.2[9]。
3.2.5物理性能
经过上述各种热处理后45钢的韧性、硬度、耐磨性都有所甚至很大的提升。
4分析与讨论
45钢制造机床齿轮热处理工艺设计已经在前面展示,单就其性能以及热处理的过程想必是没多大问题,若放入实际生产中有很多不可预知的问题,因此,不能纸上谈兵须得到工厂或者实验室中反复的通过实验数据进行分析,然后在得出最重要的结论用于实践中,从而在生产中减低成本、提高效率并且减少工时,降低能源消耗。
5结束语
这次45钢制造机床齿轮热处理工艺设计的完成,让我不仅通过自己的努力大致了解了45钢制造机床齿轮的制作流程,还学会了把自己书本上学到的知识运用到实际物体上去。
45钢制造机床齿轮是协助变速箱完成对机床的转动提供动力,所以45钢必须具有强的硬度和高的耐磨性。
前段时间在没有认真学习金属学时,我觉得这个课程设计很难很难,但现在经过我对金属学的充分认识,我重新把这套支撑辊的设计完成了一遍,也从中发现了很多原作者的问题,使我从中吸取了精华部分。
金属学都是理论上的成型工艺,在实际生产中肯定还有许多细节问题需要我们去解决和改进。
在这次的课程设计中,发挥出了自己单独设计45钢制造机床齿轮热处理工艺设计能力和综合运用书本知识,体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情,尤其是热处理加工工艺,是自己很有成就感。
同时各科相关的课程都有了全面的复习与运用,独立思考的能力也有所提高,更为重要的是:
在这次45钢制造机床齿轮热处理工艺设计中,从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节,进而加以弥补。
6热处理工艺卡片
零件名称:
制造机床齿轮
热处理工艺卡
处理要求:
下料、锻造、预备热处理(完全退火)、机械加工、淬火+低温回火、平磨、校准、组装
热处理技术要求:
恰当控制温度和时间
硬度:
大于300HV
材料:
45钢
工序号
名称
设备
工具
装料
工艺规范
冷却
备注
工具数量
一工具装数量/
件
温度/℃
加热时间
保温时/h间
合计
介质
1
锻造加热
800~960
0.5h
--
炉冷
2
完全退火
600~550
5min
1h
空冷
3
淬火
820~840
1-2
2-3h
水
4
回火
770~790
2h
1.0~1.5
8
19
更该日期
更改
单号
标准
更改者
7热处理缺陷以及预防补救措施
1)氧化和脱碳:
工件在加热过程中,由于周围的加热介质与钢表面所起的化学作用,会使钢发生氧化与脱碳,严重影响淬火工件的质量。
氧化:
是指钢的表面与加热介质中的氧、氧化性气体、氧化性杂质相互作用形成氧化铁的过程。
由于氧化铁皮的形成,使工件的尺寸减小,表面光洁度降低,还会严重地影响到淬火时的冷却速度,致使工件表面产生软点和硬度不足。
钢的氧化虽然是化学反应,但是一旦在钢的表面出现一层氧化膜之后,氧化的速度主要取决于氧和铁原子通过氧化膜的扩散速度,如图2-53所示。
由图可见,随着加热温度的升高,原子扩散速度增大,钢的氧化速度便急剧地增大,特别是在570度以上,所形成的氧化膜是以是FeO为主,它是不致密的,结构疏松的。
因此,氧原子很容易透过已形成的表面氧化膜,继续与铁发生氧化反应,所以,当氧化膜中出现FeO时,钢的氧化速度大大增加,氧化层逐渐增厚。
在570度以下氧化膜则由比较致密的Fe3O4所构成,由于处于工件表面的这种氧化膜结构致密,与基体结合牢固,氧原子难以继续渗入,故氧化的速度比较缓慢。
脱碳:
是指钢表层中的碳被氧化,使钢的表层含碳量降低,钢的加热温度越高,且钢的含碳量越多(特别具有高含量的硅、钼、铝等元素时),钢越容易脱碳。
由于碳的扩散速度较快,所以钢的脱碳速度总是大于其氧化速度。
在钢的氧化层下面,通常总是存在着一定厚度的脱碳层,由于脱碳使钢的表层碳含量下降,从而导致钢件淬火后表层硬度不足,疲劳强度下降,而且使钢在淬火时,容易形成表面裂纹。
为了防止氧化、脱碳,根据工件的技术要求和实际情况,可以采用保护气氛加热、真空加热,以及用工件表面涂料包装加热等方法。
在盐浴中加热时,可以采用经常加入脱氧剂的方法,并要求建立严格的脱氧制度。
此外,对普通箱式炉稍加改造后,采用滴入煤油的办法进行保护,可大大改善加热工件的表面质量。
(2)过热和过烧
钢件进行奥氏体化加热时,如加热温度过高或加热时间过长,会
引起奥氏体晶粒长大变粗,形成的马氏体也粗化,这种现象叫过热。
过热的工件几乎不能防止淬火裂纹产生。
因为在生成的马氏体中存在大量微裂纹,这种马氏体裂纹会发展为淬火裂纹。
在加热温度更高的情况下,钢的奥氏体晶粒进一步粗化,并产生晶界氧化,严重时还会引起晶界熔化,这种现象叫过烧。
产生过烧的25工件,其性能急剧降低。
有过热缺陷的工件,可先进行一次细化组织的正火或退火,然后再按正常规范重新淬火。
有过烧缺陷的工件因无法挽救而只能报废。
(3)软点:
工件或钢材淬火硬化后,表面硬度偏低的小区域被称之为软点。
当用水作冷却介质时,工件表面因被传热很差的蒸气膜包住而造成冷却缓慢,所以淬火后工件的软点比较严重,在存在氧化皮和脱碳的部位也会出现软点。
软点可用锉刀检查,容易锉动的地方即是软点所在部位。
为了防止软点,应该使工件在无氧化、无脱碳条件下加热;
其次是加强淬火介质在淬火过程中的机械搅拌;
也可采用清水中加入盐、碱,或采用聚乙烯醇等水溶性有机溶液做淬火介质,使钢件在淬火时形成蒸气膜迅速破坏,不至于出现淬火软点。
(4)淬火裂纹
淬火裂纹是由于淬火内应力在工件表层的拉应力超过冷却时钢的断裂强度而引起的,这种裂纹是工件在进入冷却介质中不久之后,温度降至Ms点(大约为250度)以下时产生的。
这是因为工件从奥氏体化温度急冷至Ms点以下的过程中,因马氏体转变使塑性急剧降低,而组织应力急剧增大,所以容易形成裂纹。
最常见的淬火裂纹如图2-54所示,有纵向裂纹、横向裂纹、网状裂纹和应力集中裂纹几种。
对于淬火后未出现而在磨削后才出现的裂纹,要区别它究竟是淬火裂纹还是磨削裂纹。
磨削裂纹的方向总是垂直于磨削方向并呈平行线形样式,淬火裂纹则与磨削方向无关并呈刀割状开裂。
形成淬火裂纹的原因:
1.导致淬火裂纹的原因很多,大体可归纳为三个方面。
热处理工艺:
如过热、脱碳、冷速过快、冷却操作不当、淬火后未及时回火等。
2.原材料原因:
如有大块或连续分布的非金属夹杂物、碳化物偏析、白点、气孔、锻造折叠等。
3.工件结构设计或选材不当:
如工件壁厚相差悬殊,具有形成应力集中的尖角、凹角等。
在选材方面对形状复杂的零件选用淬透性较低的钢种,从而造成在激烈的冷却过程中开裂。
淬火裂纹的防止:
淬火裂纹一旦产生便无法挽救,因此必须设法防止。
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- 45 机床 齿轮 热处理 工艺 设计