攀枝花学院
学生课程设计（论文）
题 目： 20CrMnTi汽车齿轮的热处理工艺设计 学生姓名： X X X 学 号： 2011111020XX 所在院(系)： 材料工程学院 专 业： 20XX级材料成型及控制工程 班 级： 材料成型及控制工程 指 导 教 师： X X X 职称： 讲 师
2013年12月16日 攀枝花学院教务处制
攀枝花学院本科学生课程设计任务书
题 目 1、课程设计的目的 使学生了解20CrMnTi汽车齿轮设计热处理生产工艺，主要目的：（1）培养学生综合运用所学的热处理课程的知识去解决工程问题的能力，并使其所学知识得到巩固和发展。（2）学习热处理工艺设计的一般方法、热处理设备选用和装夹具设计等。（3）进行热处理设计的基本技能训练，如计算、工艺图绘制和学习使用设计资料、手册、标准和规范。 2、课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等） 内容：进行零件的加工路线中有关热处理工序和热处理辅助工序的设计。根据零件的技术要求，选定能实现技术要求的热处理方法，制定工艺参数，画出热处理工艺曲线图，选择热处理设备，设计或选定装夹具，作出热处理工艺卡。最后，写出设计说明书，说明书中要求对各热处理工序的工艺参数的选择依据和各热处理后的显微组织作出说明。 要求：（1）分析生产加工及热处理过程中可能出现的缺陷，针对这些缺陷提出预防措施或补救措施。 （2）提交设计说明书（或设计报告），3～5千字，提交设计说明书。 3、主要参考文献 [1] 崔明择主编.工程材料及其热处理[M]. 北京：机械工业出版社，2009.7. [2]崔忠析主编.金属学与热处理（第二版）[M]. 北京：机械工业出版社，2007.5 [3]王建安. 金属学与热处理[M]. 北京：机械工业出版社，1980 [4] 中国机械工程学会.热处理手册[M]. 北京：机械工业出版社，2006.7 20CrMnTi汽车齿轮的热处理工艺 [5] 范逸明.简明金属热处理工手册[M].北京：国防工业出版社，2006.3 4、课程设计工作进度计划 第16周：对给定题目进行认真分析，查阅相关文献资料，做好原始记录。 第17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） 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。
日期 年 月 日
课程设计（论文）指导教师成绩评定表
题目名称 评分项目 工作 表现 20% 01 02 03 04 05 06 07 08 学习态度 科学实践、调研 课题工作量 综合运用知识的能力 应用文献的能力 设计（实验）能力，方案的设计能力 计算及计算机应用能力 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） 插图（或图纸）质量、篇幅、设计（论文）规范化程度 设计说明书（论文）质量 创新 分值 6 7 7 10 5 5 5 10 得分 评价内涵 遵守各项纪律，工作刻苦努力，具有良好的科学工作态度。 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。 按期圆满完成规定的任务，工作量饱满。 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。 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。 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。 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。 具有较强的数据收集、分析、处理、综合的能力。 能力 水平 35% 成果 质量 45% 09 10 11 5 30 10 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。 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。 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
攀枝花学院本科课程设计（论文） 摘要
摘 要
本课设计了20CrMnTi汽车齿轮热处理工艺设计。主要的工艺过程包括下料、锻造、等温正火、机械加工、渗碳、淬火、低温回火、喷丸、磨削等过程。通过各种不同的工艺过程进行恰当的处理可以获得各种性能良好的材料并且满足各项性能的要求。20CrMnTi，其淬透性较高，在保证淬透情况下，具有较高的强度和韧性，特别是具有较高的低温冲击韧性。20CrMnTi表面渗碳硬，化处理用钢。良好的加工性，加工变形微小，抗疲劳性能相当好。主要用途有：用于齿轮，轴类，活塞类零配件以及汽车，飞机各种特殊零件部位。
关键词：20CrMnTi，淬透，低温回火。
Ⅰ
攀枝花学院本科课程设计（论文） 目录
目 录
摘 要 ............................................................................................................................. Ⅰ 1、设计任务 ....................................................................................................................... 1
1.1设计任务 ............................................................................................................... 1 1.2设计的技术要求 ................................................................................................... 1 2、设计方案 ....................................................................................................................... 2
2.1 汽车齿轮设计的分析 .......................................................................................... 2 2.1.1工作条件 .......................................................................................................... 2 2.1.2失效形式 .......................................................................................................... 2 2.1.3性能要求 .......................................................................................................... 2
2.2钢种材料 ............................................................................................................. 3 3、设计说明 ....................................................................................................................... 4
3.1加工工艺流程 ....................................................................................................... 4 3.2具体热处理工艺 ................................................................................................... 4
3.2.1等温正火 .................................................................................................... 5 3.2.2退火+机械加工 .......................................................................................... 5 3.2.3渗碳+淬火+回火热处理工艺 .................................................................... 5 3.2.4喷丸 ............................................................................................................ 6
4、分析与讨论 ................................................................................................................... 8 5、结束语 ........................................................................................................................... 9 6、热处理工艺卡片 ......................................................................................................... 10 参 考 文 献 ..................................................................................................................... 11
攀枝花学院本科课程设计（论文） 1 设计任务
1 设计任务
1.1设计任务
20CrMnTi汽车齿轮热处理工艺设计
1.2设计的技术要求
20CrMnTi钢是一种低碳钢材料，淬透性较高，具有良好的强度和韧性，
特别是较高的低温冲击韧性，正火后可切削良好。齿轮是机械设备及汽车中的重要零件，用于改变发动机曲轴和传动轴的速度比。齿面在较高的载荷下工作，要求其强度很高。两齿面在相对运动过程中，既有滚动也有滑动，存在较大的压应力和摩擦力，经常换挡使齿轮端部收到冲击。要求具有较高的抗弯强度、接触疲劳强度和良好的耐磨性。
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攀枝花学院本科课程设计（论文） 2 设计方案
2 设计方案
2.1汽车齿轮设计的分析
2.1.1工作条件
汽车齿轮的工作条件比机床要繁重得多，它们经常在较高的载荷下工作，磨损比较大。在汽车运行中由于齿根会经常受着突然变载的冲击载荷以及周期变动的弯曲载荷，会造成齿轮的脆性断裂或者弯曲疲劳破坏。齿轮的工作面承受压应力及摩擦力也比较大，由于经常换挡，齿的端部经常受到冲击，也会造成齿轮的端部破坏。
2.1.2失效形式[1]
主要失效形式为疲劳断裂，表面损伤和磨损失效。
①疲劳断裂。齿轮在应变力和摩擦力的长期作用下，导致齿轮店面接疲劳断裂。其产生是由于当齿轮受到弯曲应力超过其持久极限就出现疲劳破坏而超过材料抗弯强度，就造成断裂失效；
②表面损伤。
a点蚀：是闭合齿轮传动中最常见的损坏形式，点蚀进一步发展，表现为蚀坑至断裂；
b硬化层剥落：由于硬化层以下的过渡区金属在高接触应力作用下产生塑性变形，使表面压应力降低，形成裂纹造成碳化层剥落。 ③磨损失效
a摩擦磨损：汽车、拖拉机上变速齿轮属于主载荷齿轮，受力比较大，摩擦产生热量较大，齿面因软化而造成塑性变形，在齿轮运转粘结而后又被撕裂，造成齿面摩擦磨损失效。
b磨粒磨损：外来质点进入相互啮合的齿面间，使齿面产生机械擦伤和磨损，比正常磨损的速度来得更快。
2.1.3性能要求[2]
根据变速齿轮的工作条件和失效形式，对齿轮的性能有以下要求:有较高的弯曲疲劳强度；表面有高的硬度和耐磨性；具有高接触疲劳抗力；足够的塑性和韧性；高的淬透性。
由于传递扭矩，齿根要求较大的弯曲应力和交变应力，因此要求表面高硬度、高耐磨性：齿面硬度58-64HRC，心部硬度35-45HRC。
由于变速齿轮转速变化范围广，齿轮表面承受较大的接触应力，并在高速下承受
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攀枝花学院本科课程设计（论文） 2 设计方案
强烈的摩擦力，齿轮在交变力的作用下，长时间工作可能发生疲劳断裂，齿面在强摩擦作用下可能发生磨损和点蚀现象，因此要求齿面有高的接触疲劳强度。 由于工作时不断换挡，齿轮之间经常要承受换挡造成的冲击与碰撞，齿轮心部韧性过低时，在冲击作用下可能发生断裂，齿根高的弯曲强度（σb＞1000Mpa）；因此要求齿轮心部较高强度、高韧性（ak＞60 J/cm）。
20CrMnTi钢具有较高的韧性和强度，特别是体温冲击韧性。良好的加工性，加工变形微小，抗疲劳性能相当好。
20CrMnTi钢力学性能：抗拉强度 σb (MPa)：≥1080，屈服强度 σs (MPa)：≥835，伸长率 δ5/（%）：≥10，断面收缩率 ψ/（%）：≥45。
2.2钢种材料[3]
20CrMnTi齿轮钢是为含碳量为0.17％-0.24％的低碳钢，其淬透性较高，有很高的强度和韧性，特别是较高的低温冲击韧性。20CrMnTi钢中，碳、锰元素显著增强其淬透性，铬元素影响不大，钛元素对淬透性的影响有两方面：当Ti＜0.07％时，提高淬透性，反正则降低淬透性。
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攀枝花学院本科课程设计（论文） 2 设计方案
3 设计说明
3.1加工工艺流程
20CrMnTi汽车齿轮热的热加工工艺流程经过许多次改进形成如下的工艺流程: 下料→锻造→等温正火→机械加工→渗碳→淬火+低温回火→喷丸→磨削+检验。
20CrMnTi钢属于低碳钢，其成分[4]如下表3.1.
表3.1 20CrMnTi钢的化学成分（质量分数，%）
C
0.17～.023
Si Mn Cr Cu S
≤0.035
P Ni
0.17～0.37 0.80～1.10 1.00～1.30 ≤0.030 ≤0.035 ≤0.030
成分分析：20CrMnTi齿轮钢是为含碳量为0.17％-0.24％的低碳钢。根据该齿轮的工作特点，结合其使用要求，应选用低合金渗碳钢，一是含有较多的合金元素，确保了渗碳后淬透性，减少齿轮的变形量。二是齿轮基体的强度和韧性得到了保障，能够满足齿轮的工作需要。含碳量低可使齿轮心部具有良好的韧性。
合金元素铬和猛的存在提高了淬透性，心部得到低碳马氏体组织，增强了钢的强度；而铬元素还有促进渗碳、提高渗碳速度的作用；锰元素具有减弱渗碳时表面含碳量过高的作用；而钛阻止晶粒是长大，提高轴承的强度和韧性。
3.2具体热处理[5]
3.2.1等温正火
锻坏等温正火是为了消除内应力，改善、细化组织，为后续加工做准备，便于切削加工。设备：RJX-75-9。
3.2.2退火+机械加工
①退火
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[6]。
3 Ac3
攀枝花学院本科课程设计（论文） 2 设计方案
Ac1
图3.2.2 20CrTiMn钢全退火工艺曲线
加热温度：Ac3+30~50℃；加热速度：小于200℃/h；保温时间：2min/mm[8] ②机械加工
在车床上进行加工机械加工。
3.2.3渗碳+淬火+低温回火热处理工艺[7]
①渗碳
渗碳是将工件放入渗碳气氛中，并在920~950℃的温度下加热、保温，使其表面层增碳的一种工艺操作。
渗碳的目的在于使工件在继续经过相应热处理后表面具有高硬度和耐磨性，而心部任保持一定的强度和较高的任性。
固体渗碳工艺如图3.2.3所示。 920~950 T 800~850
h
图3.2.3 20CrTiMn钢的渗碳工艺曲线
3
攀枝花学院本科课程设计（论文） 2 设计方案
②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[8]所示
Ac3 Ac1 A A→P A→B Ms
图3.4
③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[9]。
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攀枝花学院本科课程设计（论文） 2 设计方案
回火规范如表3.5 [10]。
表3.5 A回火规范表
方案 淬火温度 /℃ Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ
回 火
用 途
加热温度/℃ 150~170
200~275
400~425
介质 油或硝盐
— — — — —
硬度HRC 61~63 57~59 55~57
消除应力
去除应力，降低1020~1040 硬度
去除应力，降低
硬度
去除应力及形成二次硬化
510~520℃多次回火
-78℃冷处理加510~520℃一
去除应力及形
次回火
成二次硬化
-78℃冷处理加一次1115~1130
去除应力及形
510~520℃回火，再-78℃冷
成二次硬化
处理
60~61 60~61 61~62
3.2.4喷丸
喷丸处理不仅是一个清洁工序，而且对齿轮的使用性能也有较大影响，但只有当喷丸时间足够长的情况下，喷丸对齿面抗麻点剥落性能才会得到有利的影响，如喷丸时间较短，则由于齿面光洁度差反而使寿命降低，喷丸对齿面弯曲强度性能有利，但应该注意使丸粒直射齿根。
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攀枝花学院本科课程设计（论文） 4 分析与讨论
4 分析与讨论
20CrMnTi汽车齿轮热加工工艺已经呈上，具体的工艺流程图如上，其处理难度不大，但是要我们亲手动手去做那就非常难，今后的生活我们得多把理论联系到实际中，多去实践才行。
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攀枝花学院本科课程设计（论文） 5 结束语
5 结束语
通过这次20CrMnTi汽车齿轮热处理工艺课程设计的，我熟悉了热处理工艺的制定过程：通过对零件工作条件、失效形式、性能分析来选择合适的材料，从而制定出正确的工艺流程，工艺过程中要准确掌握各种零件热处理加热温度、时间和保温时间及冷却方式等；不同材料经过同一热处理工艺及同种材料经过不同的热处理工艺会得到不同组织和性能。也让我知道了自己是不足。同时，通过查阅相关资料文献，提高了查阅资料的技巧和综合分析能力。通过对20CrMnTi汽车齿轮热处理工艺设计，以及综合了《材料科学基础》、《金属热处理工艺学》、《失效分析》、《金属力学性能》等知识，使我懂得了运用知识的重要性和理论联系实际的好处，也为以后工作打好基础。
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攀枝花学院本科课程设计（论文） 6 热处理工艺卡
6 热处理工艺卡片
处理要求： 下料、锻造、等温正火、机械加工、淬火+低温回火、喷丸、磨削+检验 零件名称： 汽车齿轮 热处理工艺卡 材料：20CrMnTi钢 热处理技术要求：恰当控制温度和时间 硬度：大于等于180HBW 工序号 名称 设 工备 具 装 料 工具数量 一工具装数量/ 件 工 艺 规 范 加热时间 -- 5min 保温合计 时/h间 -- 1h -- 1h 冷 却 介质 炉冷 油 渗碳气氛 空气 温度/℃ 备 注 温度/℃ 1000~1050 1180~1200 1 2 锻造加热 完全退火 3 渗碳 920~950 5min 6h 6h 4 5 6 7 8 9 10 淬火 低温回火 10 180～200 更该日期 1h 2h 1-2 3-5 2-3h 更改 单号 更改 标准 更改者 10
攀枝花学院本科课程设计（论文） 参考文献
参 考 文 献
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