20Cr2Ni4A螺旋锥齿轮热处理基本工艺.doc

目录
1.前言·················2
2.零件图分析··············3
3.材料选取··············4
3.1 初步选材··············4
3.2 拟定材料··············5
3.3 20Cr2Ni4A化学成分、相变点及合金元素作用·····6
4 拟定加工路线
4.1 初步拟定加工路线············8
4.2 每个环节作用·············9
5 热解决工艺办法选取
5.1 预备热解决工艺【4】选取········10
5.2 渗碳工艺【5】选取···········11
5.3 最后热解决【6】选取··········12
6 制定热解决工艺制度
6.1 正火工艺制定············12
6.2 高温回火工艺制定
6.3 渗碳工艺制定··············17
6.4 高温回火工艺制定·············21
6.5 淬火工艺制定···············21
6.6 低温回火工艺制定·············25
7 热解决设备选取
7.1 箱式电阻炉选取··············27
7.2 井式渗碳炉选取··············28
7.3 热解决冷却设备选取············29
8 工装设计
8.1 热解决夹具选取··············30
8.2 热解决辅具·················31
9 检查设备及办法选取
9.1 外观····················35
9.2 硬度····················35
9.3 金相检查··················36
9.4 渗层深度··················37
10 热解决缺陷分析
10.1 正火缺陷分析················38
10.2 回火缺陷分析················39
10.3 渗碳缺陷分析················39
10.4 淬火缺陷分析················41
11小结
附热解决工艺卡
参照文献
1 前言
零件设计是一种工程技术人员应当具备最基本专业技能。零件分析是结识零件过程，是拟定零件表达方案前提，一种好视图表达方案离不开对零件全面、透彻、对的分析。零件分析也是拟定零件尺寸标注以及拟定零件技术规定前提，因而，零件分析是绘制零件图根据。零件工艺构造分析就是规定设计者从零件材料、锻造工艺、机械加工工艺乃至于装配工艺等各个方面对零件进行分析，以便在零件视图选取过程中，考虑这些工艺构造原则化等特殊规定和规定，使零件视图表达更趋完整、合理。
课程设计可以培养学生综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题能力，是锻炼实践能力重要环节，是对学生实际工作能力详细训练和考察过程。热解决生产工艺过程设计是金属材料工程专业课程教学一种重要环节。通过这一环节，可以使咱们初步掌握典型零部件生产工艺过程；掌握典型零件选材、热解决原则和工艺制定原理；理论联系实际，综合运用基本课及专业课程多方面知识去结识和分析零部件热解决生产过程实际问题，培养解决问题能力。
热解决工艺是整个机器零件和工模具制造一某些，热解决是通过变化钢内部组织构造，以改进钢性能，通过恰当热解决可以明显提高钢机械性能，延长机器零件使用寿命。热解决工艺不但可以强化金属材料、充分挖掘材料性能潜力、减少构造重量、节约和能源，并且可以提高机械产品质量、大幅度延长机器零件使用寿命。
任何一种热解决工艺都不是绝对完美，因此经热解决后材料会有不同限度缺陷，对零件缺陷进行分析也也是零件设计必不可少环节。合理选取检查设备以及对的检查办法是做好检查必要条件。
通过课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要，只有理论知识是远远不够，只有把所学理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，咱们才干从中获得真正知识，有了真正知识，才干提高自己实际动手能力和独立思考能力。
2 零件图分析
图1 零部件图
技术参数：端面模数m=12，齿轮齿数Z=41，节圆直径D=192mm，压力角为20度，齿全高h=14，螺旋角=30度，端面弧齿厚s=17mm。
技术规定：总渗碳层深度为1.8～2.3mm，渗层表面碳浓度w（c）为0.85%～1%，渗碳淬火回火后表面硬度为58～62HRC，心部硬度为36HRC，有效渗碳硬化层深度测至50HRC处不不大于1.2mm。
2.1 零件服役条件、失效形式及性能规定
（1）服役条件：螺旋锥齿轮是石油钻机中重要传动零件，是一种可以按稳定传动比平稳、低噪音传动传动零件。有较高传动速度（空载最高线速度为30m/s，加载线速度为25m/s），受重载和冲击。（2）失效形式：重要失效形式为磨损、点蚀和断裂。螺旋锥齿轮由于摩擦或使用而导致磨损；随工作时间越来越长在齿轮表面部地区浮现纵深发展腐蚀小孔，别的地区不腐蚀或腐蚀轻微，这种腐蚀形态叫点蚀；随工作时间增长齿轮产生断裂失效。（3）性能规定：为了防止螺旋锥齿轮失效以及保证传动比稳定所用材料应具备如下性能规定：a、良好力学性能；b、良好渗碳淬火性能；c、良好抗冲击性能；d、良好心部硬度；e、良好热变形性能。
3 材料选取
3.1 初步选材
依照螺旋锥齿轮技术规定：总渗碳层深度为1.8～2.3mm，渗层表面碳浓度w（c）为0.85%～1%，渗碳淬火回火后表面硬度为58～62HRC，心部硬度为36HRC，有效渗碳硬化层深度测至50HRC处不不大于1.2mm。选定材料应当具备高强度、高韧性以及良好淬透性。又依照螺旋锥齿轮性能规定：a、良好力学性能；b、良好渗碳淬火性能；c、良好抗冲击性能；d、良好心部硬度；e、良好热变形性能。为满足以上条件初步拟定符合规定材料为渗碳轴承钢【1】。
3.2 拟定材料
42CrMo、12CrNi3和20Cr2Ni4A都属于渗碳轴承钢，通过对各个材料性能进行分析对比选出最佳材料。
（1）42CrMo属于超高强度钢，具备高强度和韧性，淬透性也较好，无明显回火脆性。调制解决后有较高疲劳极限个抗多次冲击能力，低温冲击韧性良好。适当制造规定一定强度和韧性大、中型塑料模具。强度、淬透性高，韧性好，淬火时变形小，高温时有高蠕变强度和持久强度。用于制造规定较35CrMo钢强度更高和调质截面更大锻件，如机车牵引引用大齿轮、增压器传动齿轮、压力容器齿轮、后轴、受载荷极大地连杆及弹簧夹，也可用于m如下石油深井钻杆接头与打捞工具，并且可以用于折弯机模具等。
（2）12CrNi3钢属于合金渗碳钢有高淬透性。该钢淬火低温回火或高温回火后都具备良好综合力学性能，钢低温韧性好，缺口敏感性小，切削加工性能良好，当硬度为HB260～320时，相对切削加工性为60%～70%。此钢退火后硬度低、塑性好。为提高模具型腔耐磨性，模具成型后需要进行渗碳解决，然后再进行淬火和低温回火，从而保证模具表面具备高硬度、高耐磨性而心部具备较好韧性，该钢适当制造大、中型塑料模具。
（3）20Cr2Ni4A是优质合金钢有良好力学性能，强度高有良好心部硬度，韧性好有有良好抗冲击性能及热变形性能，淬透性好有良好渗碳淬火性能。渗碳后不能直接淬火，以减少表层参加奥氏体。切削性及冷变形塑性普通。用于大截面渗碳件，如大型齿轮、轴类以及规定强度高、韧性好调质零部件等。此轴承钢是特大型轴承用低碳高合金渗碳轴承钢，不论是在工艺性上还是经济性上都是很符合咱们规定，因而综合分析20Cr2Ni4A是最佳材料。
3.3 20Cr2Ni4A化学成分、相变点及合金元素作用
3.3.1 钢化学成分
表1 20Cr2Ni4A化学成分【2】

牌号
化学成分（%）
C
Si
Mn
S
P
Cr
Ni
20Cr2Ni4A
0.17～0.23
0.17～0.37
0.30～0.60
≤0.03
≤0.03
1.25～1.65
3.25～3.65
3.3.2 20Cr2Ni4A相变点
表2 20Cr2Ni4A相变点【3】
相变点
Ac1
Ac3
Ar1
温度/℃
720
780
575
3.3.3 化学元素作用
C元素：提高屈服点和抗拉强度，增长钢冷脆性和时效敏感性，减少塑性、冲击性以及耐大气腐蚀能力。
Si元素：提高钢回火稳定性、提高钢抗氧化性、提高钢淬透性和淬透温度。
Mn元素：提高钢淬透性，从基体组织中扩散到析出渗碳体中，形成合金渗碳体,改进其硬度。
S元素:使钢产生热脆性，减少钢延展性和韧性，改进切削加工性。
P元素：增长钢冷脆性，使焊接性变坏，减少塑性，使冷弯性能变坏。
Cr元素：提高钢淬透性,固溶强化基体组织，并改进基体组织回火性和硬度。
Ni元素：提高钢淬透性，有助于改进钢韧性。
4 拟定加工路线
拟定零件加工路线加工工艺重要涉及机加工和热解决工艺。机加工是指通过加工机械精准去除材料加工工艺。它直接变化毛坯形状、尺寸和表面质量等，使其成为零件过程称为机械加工工艺过程。 热解决工艺是将金属材料放在一定介质内加热、保温、冷却，通过变化材料表面或内部金相组织构造,来控制其性能一种金属热加工工艺。
4.1 初步拟定加工路线
依照20Cr2Ni4A材料性能以及技术规定，可初步拟定其加工路线为：下料→锻坯→预备热解决→高温回火→车齿坯→粗、精铣齿→渗碳→高温回火→淬火+低温回火→喷丸→磨端面及孔→磨齿→成品。
4.2 每个环节作用
（1）下料作用：提供原料；
（2）锻坯作用：获得原料；
（3）预备热解决作用：为随后机加或最后热解决提供一种良好机加性能或良好组织形态；
（4）高温回火作用：（1）消除淬火时产生残留内应力，提高材料塑性和韧性（2）获得良好综合力学性能（3）稳定工件尺寸，使钢组织在工件使用过程中不发生变化。
（5）车齿坯与粗、精铣齿作：对材料进行机械粗加工，是以迅速切除毛坯余量。
（6）渗碳作用：使机器零件获得高表面硬度、耐磨性及高接触疲劳强度和弯曲疲劳强度，渗碳后淬火、回火，心部保持良好韧性同步提高工件表面强度、耐磨性和硬度。
（7）高温回火作用：由于渗碳后表层组织为马氏体和大量残存奥氏体，对这种组织不能直接重新加热淬火，否则容易恢复渗碳时所形成较粗大奥氏体晶粒，即生成二次织构。因而在淬火加热之前，需先进行一次高温回火，使马氏体和残存奥氏体分解为回火索氏体，减少基体中碳、铬含量。这样重新加热淬火时，由于奥氏体中融入碳和铬等元素含量减少，淬火后不但残存奥氏体量减少，马氏体也细小。
（8）淬火+低温回火作用：通过淬火与不同温度回火配合，可以大幅度提高金属强度、韧性及疲劳强度，并可获得这些性能之间配合（综合机械性能）以满足不同使用规定。
（9）喷丸、磨端面及孔和磨齿作用：完毕各重要表面最后加工,使零件加工精度和加工表面质量达到图样规定规定。
5 热解决工艺办法选取
5.1 预备热解决工艺【4】选取
普通预备热解决有这几种：1、调质解决：一航背面要进行表面淬火解决，其预备热解决目是为了使工件表面淬火前得到强韧性结合优良心部性能，减少使用过程中心部疲劳开裂。2、正火解决：普通背面进行是化学热解决（渗碳+淬火）或者调质热解决，其预备热解决目就是细化晶粒、消除机加应力、均匀不平衡组织等，为背面最后热解决奠定良好组织基本。3、退火解决：背面最后热解决普通都是调质解决，其作为预备热解决目就是为了消除应力以及减少表面硬度。正火与退火工艺相比，其重要区别是正火冷却速度稍快，因此正火热解决生产周期短。故退火与正火同样能达到零件性能规定期，尽量选用正火。大某些中、低碳钢坯料普通都采用正火热解决。普通合金钢坯料常采用退火，若用正火，由于冷却速度较快，使其正火后硬度较高，不利于切削加工。因此在此选用正火对钢进行预备热解决。
5.2 渗碳工艺【5】选取
齿轮渗碳过程温度较低，时间较长，容易导致较粗大和严重热解决变形等缺陷。对其改进重要从两个方面入手。一是运用催渗办法催渗以减少温变和缩短时间。二是运用高温渗碳缩短时间。稀土渗碳办法是重要一种催渗办法，应用比较多，工艺成熟，高温渗碳普通状况下很少采用。由于高温下晶粒长大趋势严重且对设备有危害，如果可以排除这两项不利因素，则它也是可行。运用高温渗碳原理改进高温渗碳办法既具备渗速快长处，上述两项不利因素也不明显，在生产被采用越来越多。某些新型渗碳办法在简化热解决工艺同步也改进了齿轮质量。
5.3 最后热解决【6】选取
20Cr2Ni4A钢热解决工艺复杂重要体当前多次高温回火上，渗碳后冷却时以及淬火加热时在630～650℃均温均能达到高温回火目。但在这方面仍需要进一步研究。进行合理渗碳工艺选取，改进渗碳质量以达到直接淬火目是一种值得摸索方向。此外，为了消除过多残存奥氏体，深冷解决也是一种经常考虑办法。通过淬火与不同温度回火配合，可以大幅度提高金属强度、韧性及疲劳强度，并可获得这些性能之间配合（综合机械性能）以满足不同使用规定。在此咱们选取高温回火、淬火与低温回火。
6 制定热解决工艺制度
6.1 正火工艺制定
6.1.1 正火加热温度
正火是将钢加热到Ac3以上30-50℃，保温后在空气中冷却热解决工艺，由于该钢Ac3为780℃，因此其正火温度普通在910～930℃之间，但在实际生产中，正火加热温度普通要高于其理论正火温度，因此设定正火加热温度在950℃。
6.1.2 正火加热时间
金属材料和铁制品加热所需时间涉及从室温到炉温仪表批示达到所需温度升温时间、炉料表面和心部温度均匀所需均热时间以及内外达到温度后为了完毕相变所需保温时间三个某些。加热时间计算公式：
t=a×k×D
式中t——加热时间（min或s）、a——加热系数（min/mm或s/mm）、D——工件有效厚度（mm）、k——工件装炉条件修正系数，普通取1.0-1.5。
表3 碳钢和合金钢在各种介质中加热系数（a值）【7】
钢材
每1mm有效厚度加热时间
空气电阻炉
盐浴炉
碳钢
0.9-1.1min
25-30s
合金钢
1.3-1.6min
50-60s
15-20s(一次预热)
高速钢
--
8-15s（二次预热）
由上表可选用a=1.5min,通过查手册工件在炉内不同排布方式加热时间修正
值知K=1（单件），工件有效厚度D=80mm，可得：t=120min。
6.1.3 正火解决工艺表
表4 正火解决工艺
材料
加热温度（℃）
加热时间（h）
冷却方式
20Cr2Ni4A
950
2
空冷
6.2 高温回火工艺制定
6.2.1 高温回火温度
表5 各种工件回火温度及回火目【8】

由上表可知齿轮回火温度为500-600℃，在此设定高温回火温度为650℃。
6.2.2 高温回火时间
从工件入炉后炉温深至回火温度时开始计算。可参照经验公式加以拟定：
Tn=Kn+AnD
式中Tn——回火时间（min）、Kn——回火时间基数、An——回火时间系数、D——工件有效厚度（mm），Kn和An推荐值见下表
表6 Kn及An推荐值【9】

由上表可知。450℃以上箱式电炉Kn取10min，An值取1min/mm。得回火加热时间为90min。而高温回火保温时间普通为3-3.5h，则高温回火总加热时间为5h。
6.2.3 高温回火解决工艺表
表7 高温回火解决工艺
材料
加热温度（℃）
加热时间（h）
冷却方式
20Cr2Ni4A
650
5
空冷
6.3 渗碳工艺制定
6.3.1 渗碳温度
由式：D=0.162exp(-16575/T)可知，随渗碳温度升高，碳在钢中扩散系数呈指数上升，渗碳速度加快，但渗碳温度过高会导致晶粒长大，工件畸变增大，设备寿命减少等负面效应，因此渗碳温度常控制在900-950℃。选用惯用气体渗碳法，加热温度定为930℃。
6.3.2 渗碳时间
渗碳时间与渗碳深度呈平方根关系，渗碳时间越短，生产效率越高，能耗越低，但对于浅层渗碳而言，渗碳时间太短，渗层深度控制难以精确。应通过调节渗碳温度、碳势来延长渗碳时间，以便精准地来控制渗层深度。
表8 强渗时间、扩散时间及渗碳层深度【10】
规定渗层深度/mm
不同温度下强渗时间
强渗后渗层深度/mm
扩散时间/h
扩散后渗层深度/mm
（920±10）/℃
(930±10)/℃
(940±10)/℃
0.4-0.7
40min
30min
20min
0.20-0.25
1
0.5-0.6
0.6-0.9
1.5h
1h
30min
0.35-0.40
1.5
0.7-0.8
0.8-1.2
2h
1.5h
1h
0.45-0,55
2
0.9-1.1
注：若渗碳后直接降温淬火，则扩散时间应涉及降温及降温后停留时间。
经验计算按0.15-0.2mm/h来计算，因渗层深度为1.2mm，则渗碳时间 T=7h。
6.3.3 渗碳办法
甲醇-煤油滴注式渗碳法（甲醇为稀释剂，煤油为渗碳剂），甲醇-煤油滴注剂中煤油含量普通在15﹪-30﹪范畴内，高温下甲醇裂解产物水、二氧化碳和甲烷、碳氧化，可使炉气成分和碳势保持在一定范畴内，可以采用红外仪进行控制。
表9 惯用有机液体渗碳特性【11】

为了保证甲醇与煤油裂解反映充分进行，炉体应保证四个条件：①炉内静压不不大于1500pa；②滴注剂必要直接滴入炉内；③加溅油板；④滴注剂通过400-700℃温度区时间≦0.07s。渗碳设备为RTJ-75-9T型井式渗碳炉。滴注式可控氛围渗碳普通采用两种有机液体同步滴入炉内，一种液体产气愤体碳势较低，作为稀释气体；另一种液体产气愤体碳势较高，作为富化气，变化两种液体滴入比例，可使零件表面含碳量控制在规定范畴内。
采用红外仪控制碳势时，往往采用固定总滴量，调节稀释剂和渗碳剂相对滴量办法来调节炉内碳势。
表10 甲醇-煤油红外仪控制滴注式渗碳工艺【12】

6.3.4 渗碳解决工艺表
表11 渗碳解决工艺
材料
渗碳温度（℃）
渗碳时间（h）
渗碳办法
20Cr2Ni4A
930
7
甲醇-煤油滴注式渗碳法
6.4 高温回火工艺制定
由于渗碳后表层组织为马氏体和大量残存奥氏体，对这种组织不能直接重新加热淬火，否则容易恢复渗碳时所形成较粗大奥氏体晶粒，即生成二次织构。因而在淬火加热之前，需先进行一次高温回火，使马氏体和残存奥氏体分解为回火索氏体，减少基体中碳、铬含量。这样重新加热淬火时，由于奥氏体中融入碳和铬等元素含量减少，淬火后不但残存奥氏体量减少，马氏体也细小。下表为高温回火解决工艺温度、时间及冷却方式。
表12 高温回火解决工艺
材料
加热温度（℃）
加热时间（h）
冷却方式
20Cr2Ni4A
650
6
空冷
6.5 淬火工艺制定
6.5.1 淬火加热温度
钢淬火是将钢加热到临界温度Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上某一温度，保温一段时间，使之所有或某些奥氏体1化，然后以不不大于临界冷却速度冷速快冷到Ms如下（或Ms附近等温）进行马氏体（或贝氏体）转变热解决工艺。
由钢相变点在此设定淬火加热温度为800℃。高温下钢状态处在单相奥氏体(A)区内，故称为完全淬火。
6.5.2 淬火加热时间
淬火保温时间由设备加热方式、零件尺寸、钢成分、装炉量和设备功率等各种因素拟定。淬火加热时间应涉及工件整个截面加热到预定淬火温度，并使之在该温度下完毕组织转变、碳化物溶解和奥氏体成分均匀化所需时间，因而，淬火加热时间涉及升温和保温两段时间。在实际生产中，只有大型工件或装炉量诸多状况下，才把升温时间和保温时间分别进行考虑，普通状况下把升温时间和保温时间统称为淬火加热时间。在详细生产条件下，淬火加热时间惯用经验公式计算，通过实验最后拟定，惯用经验公式为：
t=a×k×D
式中，T——加热时间（min或s）、a——加热系数（min/mm或s/mm）、D——工件有效厚度（mm）、k——工件装炉条件修正系数，通惯用1.0-1.5
表13 惯用钢加热系数【13】
工件材料
工件直径/mm
＜600℃箱式炉中加热
750-850℃盐炉中加热或预热
800-900℃箱式炉或井式炉中加热
1000-1300℃高温盐炉中加热
碳钢
≤50
＞50

0.3-0.4
0.4-0.5
1.0-1.2
1.2-1.5

合金钢
≤50
＞50

0.45-0.50
0.50-0.55
1.2-1.5
1.5-1.8
由上表可选a为0.55，修正系数k取1，则加热时间为1h。
6.5.3 淬火加热速度
对于形状复杂，规定畸变形小，或用合金钢制造大型铸锻件，必要控制加热速度以保证减少淬火畸变及开裂倾向，普通以30-70℃/h速度升温到600-700℃，在均温一段时间后再以50-100℃/h速度升温。形状简朴中、低碳钢，直径不大于400mm中碳合金构造钢可直接到温入炉加热。
6.5.4 淬火冷却办法
工件在低温盐浴或碱浴炉中淬火，盐浴或碱浴温度在Ms点附近，工件在这一温度停留2min～5min，然后取出空冷，这种冷却方式叫分级淬火。对于形状复杂、畸变规定较严格高合金工具钢，可以采用多次分级淬火。分级冷却目，是为了使工件内外温度较为均匀，同步进行马氏体转变，可以大大减小淬火应力，防止变形开裂。分级温度此前都定在略高于Ms点，工件内外温度均匀后来进入马氏体区。当前改进为在略低于 Ms 点温度分级。实践表白，在Ms 点如下分级效果更好。例如，高碳钢模具在160℃碱浴中分级淬火，既能淬硬，变形又小，因此应用很广泛。
6.5.5 淬火冷却介质
要使钢中高温相——奥氏体在冷却过程中转变成低温亚稳相——马氏体，冷却速度必要不不大于钢临界冷却速度。工件在冷 淬火冷却却过程中，表面与心部冷却速度有-定差别，如果这种差别足够大，则也许导致不不大于临界冷却速度某些转变成马氏体，而不大于临界冷却速度心部不能转变成马氏体状况。为保证整个截面上都转变为马氏体需要选用冷却能力足够强淬火介质，以保证工件心部有足够高冷却速度。但是冷却速度大，工件内部由于热胀冷缩不均匀导致内应力，也许使工件变形或开裂。
冷却阶段不但为了零件获得合理组织，达到所需要性能，并且要保持零件尺寸和形状精度，在盐浴中进行。为了保证获得优秀性能，应采用油作为淬火介质。油冷却特性对各种合金钢淬火和薄壁碳钢零件淬火是很适当，且油在珠光体（或贝氏体）转变温度区间有足够冷却速度。
6.5.6 淬火解决工艺表
表14 淬火解决工艺
材料
加热温度（℃）
加热时间（h）
冷却办法
20Cr2Ni4A
800
1
马氏体分级淬火
6.6 低温回火工艺制定
6.6.1 低温回火温度
回火是将淬火后钢重新加热到Ac1如下某一温度，保温后冷却到室温热解决工艺。依照回火温度不同，可将回火分为低温回火、中温回火和高温回火。其中低温回火是工件在150～250℃进行回火。目是保持淬火工件高硬度和耐磨性，减少淬火残留应力和脆性，回火后得到回火马氏体，力学性能：58～64HRC，高硬度和耐磨性。20Cr2Ni4A钢是低碳钢，规定具备很高硬度、耐磨性，同步规定心部具备较好塑性和韧性，因而低温回火可以满足性能规定，故选取低温回火，T取200℃。
6.6.2 低温回火时间
回火时间是从工件入炉后炉温升至回火温度时开始开始计算，可参照经验公式加以拟定：
t=K+AD
T——回火时间（min）、K——回火时间基数、A——回火时间系数、D——工件有效厚度（mm）
表15 回火保温时间参数表【14】
回火条件
300℃以上
300-450℃
450℃以上
箱式电炉
盐浴炉
箱式电炉
盐浴炉
箱式电炉
盐浴炉
K/min
120
120
20
15
10
3
A/(min/mm)
1
0.4
1
0.4
1
0.4
低温回火（150-250℃）
有效厚度/mm
＜25
25-50
50-75
75-100
100-125
125-250
保温时间/min
30-60
60-120
120-180
180-240
240-270
270-300
6.2.3 低温回火工艺表
表16 低温回火热解决工艺
材料
加热温度（℃）
加热时间（h）
冷却方式
20Cr2Ni4A
200
6
空冷
7 热解决设备选取
7.1 箱式电阻炉选取
热解决电阻炉是以电为能源，通过炉内电热元件将电能转化为热能而加热工件炉子，是一种造价相对便宜炉子，以减少成本。高温回火、淬火及低温回火温度均不超过950℃，可以选用中温箱式电阻炉。由于工件正火温度过高，箱式炉炉温不均，中温箱式电阻炉无法满足温度规定，故选用高温电阻炉。高温箱式电阻炉最高工作温度有1200℃和1350℃两种，此类炉子特点是在此温度下重要依托辐射传热，因而电热元件直接布置在工作室内，，规定炉内有足够辐射面积。下表为各种电阻炉技术参数。螺旋锥齿轮尺寸为502mm×135mm，并且为单件生产。
表17 中温箱式电阻炉产品规格及技术参数【15】

表18 1200℃箱式电阻炉产品规格及技术参数【16】
（1）依照零件尺寸和加热温度条件，并综合考虑经济效益及生产方式，高温回火、淬火及低温回火选取RX-3-45-9型号箱式电阻炉。
（2）依照零件尺寸和正火温度，并综合考虑经济效益及生产方式，正火工艺选取RX-3-65-12型号箱式电阻炉。
7.2 井式渗碳炉选取
对于渗碳设备选用井式渗碳炉，此类炉子事实上是在井式炉炉膛中再加一密封炉罐，专为周期作业渗碳、渗氮、碳氮共渗等所用。
表19 井式气体渗碳炉技术数据【17】

依照零件尺寸和正火温度，并综合考虑经济效益及生产方式，渗碳工艺选取RQ3-90-9型号井式气体渗碳炉。
7.3 热解决冷却设备选取
热解决冷却设备应当能保证工件在冷却时具备相应冷却速度和冷却温度。由出于经济考虑，咱们选取油冷，普通淬火槽尺寸都能满足淬火规定，咱们选用普通淬火槽。

图2 普通间隙淬火作用淬火槽
1-溢流槽 2-排出管 3-供入管 4-事故排出管 5-淬火槽 6-工件
8 工装设计
8.1 热解决夹具选取
热解决夹具选取原则为：①符合热解决技术条件：保证零件热解决加热冷却，炉气成分均匀度，不致使零件在热解决过程中变形。②符合经济规定：在保证零件热解决质量复合热解决技术规定期，保证设备课程设计阐明书具备高生产能力，夹具应具备质量轻，吸热量少，热强度高及使用寿命长特点。 ③符合使用规定：保证装卸零件以便和操作安全。

图3 箱式炉装料盘

图4 井式渗碳炉星形吊具 a）吊具Ⅰ；b）吊具Ⅱ。
8.2 热解决辅具
8.2.1清洗设备选取
清洗设备是指对热解决先后工件清洗设备。零件在热解决前需清除锈斑、油演、污垢、切削冷却液和研磨剂等，以保证不阻碍加热和冷却不影响介质和氛围纯度，以防零件浮现软点、渗层不均匀、组织不均匀等影响热解决质量现象。热解决后也常需清洗以去除零件表面残油、残渣和炭黑等附着物，以保障热解决零件清洁度、防锈和不影响下道工序加工等规定。依照零件对清洁度规定、生产方式、生产批量及工件外形尺寸规定选用相应清洗设备。
惯用清洗设备有碱水溶液、磷酸水溶液。有机溶剂清洗槽和清洗机以及配合真空、超声波清洗装置。普通清洗机惯用于清除残油和残盐，可分为间歇式和持续式两种：前者有清洗槽、室式清洗机、强力加压喷射式清洗剂等；后者有传送带式清洗机及各类生产线、自动线配备悬挂输送链式、链板式、推杆式和往复式等各类专用清洗设备。室式清洗机它重要用于批量不大中小零件。输送带式清洗机，合用于批量较大小型零件。依照生产特点，小批量中小型零件，可以选用室内清洗机。

图5 室内清洗机
8.2.2 矫直设备
矫直设备用于矫正零件翘曲变形。热矫又有不同办法，一种是运用焊枪局部加热零件，另一种是运用零件仍在热解决余热（或奥氏体组织）状态下进行矫直，合用于大尺寸轴类、板件或矫直时易断裂零件，以及冷矫直后由于弹性作用容易反弹零件。因此选用热矫后种办法。合用于中、大型零件矫直用有液压矫直机。
表20 惯用矫正设备及合用范畴【18】

图6 单柱式液压矫直机
9 检查设备及办法选取
9.1 外观
正火与退火后工件表面不能有裂纹及伤痕等缺陷。普通热解决工件均用肉眼或低倍放大镜观测表面由无裂纹、烧伤、碰伤、麻点、腐蚀、锈斑等。重要工件检查裂纹可用碰力、着色、超声波探伤等办法，对表面容许喷砂铸工件可浸油后喷砂直接观测。
9.2 硬度
正火、退火、调质零件硬度检查用布氏硬度计。渗碳涉及渗层表面，防渗部位及心部硬度，普通用洛氏硬度，淬火解决零件用洛氏硬度计。对于本件硬度检查原则如下：最后热解决应使硬度值达到所规定58～62HRC。如果上述硬度计无法检查时，用超声波硬度计检查。对于规定不严格淬火件可用挫刀与原则试样进行比较。注意硬度检查位置，应在零件重要部位，依照工艺流程或由检查人员拟定，普通为 1-3 处，每处不少于三点，但必要注意，不得破坏工作面。检查硬度时应对的操作硬度计。被检查零件表面必要平滑，不能有氧化皮或油污，检查前零件可用砂纸或挫刀磨光，打硬度时零件应放平，使被测零件被测面垂直于压轴线。
9.3 金相检查
由于20Cr2Ni4A是低碳合金钢，其正火后组织为均匀分布珠光体和铁素体，若组织中有点状和细片状珠光体及粗片珠光体，都是不正常组织，碳化物网规定不大于等于2级，珠光体为2-5级。
渗层碳化物形态及分布，残留奥氏体数量，有无反常组织，心部组织与否粗大及铁素体与否超过技术规定等，普通在显微镜下400倍观测，淬火后普通得到马氏体组织，由于奥氏体温度不同，马氏体形态大小不同，普通分为8级，1级属于奥氏体化温度偏低，淬火组织是细针状马氏体和不不不大于5％铁素体，而8级属于过热组织，是粗大板条状马氏体和片状马氏体，正常淬火是2-4级，其组织为细小板条状马氏体和片状马氏体，之后用金相显微镜观测，拟定所属级别。
9.4 渗层深度
检查渗碳层深度有三种办法，即化学法、金相法、有效硬化层深度法。
  化学法是测量渗碳层总深度最精准办法。依照试件深度增量进行剥层,逐级分析碳含量,直到剥层含量与基体相似,此处距表面距离为渗碳层总深度。金相法是将试样经等温退火得到平衡组织,在光学显微镜下放大倍测量,渗碳层深度相称于原始组织至表面距离。有效硬化层深度法是测试试件从表面至硬度为58HRC处垂直距离,该硬度测量是在10N负荷下进行。由于硬度与强度关系成正比,因此有效硬化层深度法可直接地反映出渗碳件机械性能,是控制齿轮渗碳层最精确办法。因此采用有效硬化层深度法进行检查。检查工件与否合格即渗碳层深度在0.8～1.2mm之间。
10 热解决缺陷分析
10.1 正火缺陷分析
（1）网状碳化物
因素：过共析钢正火冷却度不够快时，碳化物呈网状或断续王状分布在奥氏体晶界。这种缺陷多发生在截面尺寸较大工件中，消除办法是加快冷却速度。
控制办法：采用鼓风机冷却、喷淋水冷等。
（2）粗大魏氏组织
因素;加热温度过高，奥氏体晶粒粗大，冷速又较快中碳钢中常浮现粗大魏氏体组织，其铁素体呈片状羽毛或三角形分布在原奥氏体晶粒内。
控制办法：通过完全退火或重新正火使晶粒细化完全消除。
（3）零件产生较大内应力和变形
因素：正火冷却速度较快，使零件产生较大内应力和变形，甚至开裂，可采用退火消除。
10.2 回火缺陷分析
表20 回火缺陷产生因素以及控制办法【19】

10.3 渗碳缺陷分析
（1）渗层不均
因素：炉温不均、固体渗碳时装箱体积过大、工件表面局部有炭黑或结焦及排气不充分等。
（2）渗层过浅
因素：工艺控制不当。
（3）网状或堆状碳化物
因素：炉气碳势过高或预冷温度过低。
控制办法：减少渗碳剂供应量，延长扩散时间或提高预冷温度。
（4）心部铁素体量过多
因素：预冷温度过低或一次加热淬火温度远低于心部Ac1。
（5）渗层残存奥氏体量过多
因素：炉气碳势高，工件表面碳氮浓度高，且预冷温度不够低。
控制办法：减少渗碳剂供应量，延长扩散时间、减少预冷温度，采用较低温度进行重新加热淬火或深冷解决。
（6）黑色组织
因素：钢中合金元素Cr、Mn等发生内氧化而导致贫化，且氧化物质点又可作为非马氏体相变核心，从而引起渗层淬透性下降。
（7）畸变
因素：热应力。
控制办法：1）采用热油淬火；2）重新加热淬火渗碳件，减少淬火加热温度等等。
（8）渗碳开裂
因素：合金元素在渗碳时发生内氧化，是渗层淬透性下降，空冷是表层拖尸体下面有一层发生了马氏体转变导致表层拖尸体区浮现拉应力，引起开裂。
控制办法：减少缓冷速度，使渗层所有完毕共析转变，不浮现马氏体。或加快冷却速度，使深层所有转变为马氏体加残存奥氏体。
10.4 淬火缺陷分析
10.4.1 淬火畸变
因素：1）加热温度不均匀，形成热应力引起畸变或工件在炉中放置不合理，在高温下常因自重产生蠕变畸变；2）加热时，随加热温度升高，钢屈服强度减少，已存在于工件内部残存应力达到高温下屈服强度时，就会引起工件不均匀塑性变形而导致形状畸变和残存应力松弛；3）淬火冷却不同步性形成热应力和组织应力使工件局部塑性变形等等。
减少淬火畸变途径：1）采用合理热解决工艺；2）合理设计；3）合理锻造和预先热解决等等。
10.4.2 淬火裂纹
因素：1）材料管理混乱；2）冷却不当；3）未淬透工件心部硬度为36-45HRC时，在淬硬层与非淬硬层交界处易形成淬火裂纹；4）严重表面脱碳易形成网状裂纹；5）淬火加热温度过高易开裂；6）大截面高合金钢工件淬火加热时未经预热或加热速度过快，易开裂；7）原始组织不良；8）过烧裂纹等等。
防止淬火开裂办法：1）改进工件构造；2）合理选取钢材；3）原材料应避免显微裂纹及严重非金属夹杂物和碳化物偏析；4）对的进行预先热解决；5）对的进行预先热解决；6）对的选取加热参数；7）合理选用淬火介质和淬火办法等等。
10.4.3 硬度局限性
工件淬火后表面硬度低于所用钢材应有淬火硬度值称为硬度局限性，其因素及控制办法如下表：
表21 淬火硬度局限性因素及控制办法【20】
序号
淬火硬度局限性因素
控制办法
1
介质冷却能力差，工作表面有铁素体、非马氏体组织
采用冷速较快淬火介质；恰当提高淬火加热温度
2
淬火加热温度低或预冷时间长，淬火冷速低，浮现非马氏体组织
保证淬火加热温度正常；减少预冷时间
3
碳钢或合金钢采用油水双介质淬火时，在水中停留时间局限性或从水中提出零件后在空气中停留时间过长
严格控制零件在水中停留时间及操作规范
4
钢淬透性差，工件截面尺寸大，不能淬硬
采用淬透性好钢
10.4.4 软点
淬火后工件表面局部区域浮现硬度偏低现象称为软点。产生软点因素及控制办法见下表。
表22 产生软点因素及控制办法【21】
11 小结
通过这次课程设计实习，我有如下几方面感触：
①通过读螺旋锥齿轮热解决工艺办法选取以及制定，我对螺旋锥齿轮理论知识有了更深理解。在设计过程中我翻阅了大量参照书及手册，让我对某些参数有一种全新更深结识。通过查看参照某些别人设计作品和查阅资料文本，吸取其中精华，去除糟粕，不但使自己纯熟掌握了word用法使自己对其有了更高技术，更学会如何迅速运用身边工具备效地得到自己有要有用东西。
②通过这次课程设计，让我懂得，模具设计和制造只有某些理论知识是不行，任何模