螺旋锥齿轮热处理生产工艺过程设计模板.doc

1 序言
零件设计是一个工程技术人员应该含有最基础专业技能。零件分析是认识零件过程，是确定零件表示方案前提，一个好视图表示方案离不开对零件全方面、透彻、正确分析。零件分析也是确定零件尺寸标注和确定零件技术要求前提，所以，零件分析是绘制零件图依据。零件工艺结构分析就是要求设计者从零件材料、铸造工艺、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，方便在零件视图选择过程中，考虑这些工艺结构标准化等特殊要求和要求，使零件视图表示更趋完整、合理。
课程设计能够培养学生综合利用所学知识，发觉、提出、分析和处理实际问题能力，是锻炼实践能力关键步骤，是对学生实际工作能力具体训练和考察过程。热处理生产工艺过程设计是金属材料工程专业课程教学一个关键步骤。经过这一步骤，能够使我们初步掌握经典零部件生产工艺过程；掌握经典零件选材、热处理标准和工艺制订原理；理论联络实际，综合利用基础课及专业课程多方面知识去认识和分析零部件热处理生产过程实际问题，培养处理问题能力。
热处理工艺是整个机器零件和工模具制造一部分，热处理是经过改变钢内部组织结构，以改善钢性能，经过合适热处理能够显著提升钢机械性能，延长机器零件使用寿命。热处理工艺不仅能够强化金属材料、充足挖掘材料性能潜力、降低结构重量、节省和能源，而且能够提升机械产品质量、大幅度延长机器零件使用寿命。
任何一个热处理工艺全部不是绝正确完美，所以经热处理后材料会有不一样程度缺点，对零件缺点进行分析也也是零件设计必不可少步骤。合理选择检验设备和正确检验方法是做好检验必需条件。
经过课程设计使我知道了理论和实际相结合是很关键，只有理论知识是远远不够，只有把所学理论知识和实践相结合起来，从理论中得出结论，我们才能从中取得真正知识，有了真正知识，才能提升自己实际动手能力和独立思索能力。
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。
技术要求：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处大于1.2mm。
2.1 零件服役条件、失效形式及性能要求
（1）服役条件：螺旋锥齿轮是石油钻机中关键传动零件，是一个能够按稳定传动比平稳、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：关键失效形式为磨损、点蚀和断裂。螺旋锥齿轮因为摩擦或使用而造成磨损；随工作时间越来越长在齿轮表面部地域出现纵深发展腐蚀小孔，其它地域不腐蚀或腐蚀轻微，这种腐蚀形态叫点蚀；随工作时间增加齿轮产生断裂失效。（3）性能要求：为了预防螺旋锥齿轮失效和确保传动比稳定所用材料应含有以下性能要求：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 材料选择
3.1 初步选材
依据螺旋锥齿轮技术要求：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处大于1.2mm。选定材料应该含有高强度、高韧性和良好淬透性。又依据螺旋锥齿轮性能要求：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确定符合要求材料为渗碳轴承钢【1】。
3.2 确定材料
42CrMo、12CrNi3和20Cr2Ni4A全部属于渗碳轴承钢，经过对各个材料性能进行分析对比选出最好材料。
（1）42CrMo属于超高强度钢，含有高强度和韧性，淬透性也很好，无显著回火脆性。调制处理后有较高疲惫极限个抗数次冲击能力，低温冲击韧性良好。适宜制造要求一定强度和韧性大、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。用于制造要求较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以下石油深井钻杆接头和打捞工具，而且能够用于折弯机模具等。
（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全部含有良好综协力学性能，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。为提升模具型腔耐磨性，模具成型后需要进行渗碳处理，然后再进行淬火和低温回火，从而确保模具表面含有高硬度、高耐磨性而心部含有很好韧性，该钢适宜制造大、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，以降低表层参与奥氏体。切削性及冷变形塑性通常。用于大截面渗碳件，如大型齿轮、轴类和要求强度高、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，不管是在工艺性上还是经济性上全部是很符合我们要求，所以综合分析20Cr2Ni4A是最好材料。
3.3 20Cr2Ni4A化学成份、相变点及合金元素作用
3.3.1 钢化学成份

表1 20Cr2Ni4A化学成份【2】

牌号
化学成份（%）
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：提升屈服点和抗拉强度，增加钢冷脆性和时效敏感性，降低塑性、冲击性和耐大气腐蚀能力。
Si元素：提升钢回火稳定性、提升钢抗氧化性、提升钢淬透性和淬透温度。
Mn元素：提升钢淬透性，从基体组织中扩散到析出渗碳体中，形成合金渗碳体,改善其硬度。
S元素:使钢产生热脆性，降低钢延展性和韧性，改善切削加工性。
P元素：增加钢冷脆性，使焊接性变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。
Cr元素: 提升钢淬透性,固溶强化基体组织，并改善基体组织回火性和硬度。
Ni元素：提升钢淬透性，有利于改善钢韧性。
4 确定加工路线
确定零件加工路线加工工艺关键包含机加工和热处理工艺。机加工是指经过加工机械正确去除材料加工工艺。它直接改变毛坯形状、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。 热处理工艺是将金属材料放在一定介质内加热、保温、冷却，经过改变材料表面或内部金相组织结构,来控制其性能一个金属热加工工艺。
4.1 初步确定加工路线
依据20Cr2Ni4A材料性能和技术要求，可初步确定其加工路线为：下料→锻坯→预备热处理→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 每个步骤作用
（1）下料作用：提供原料；
（2）锻坯作用：取得原料；
（3）预备热处理作用：为随即机加或最终热处理提供一个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，提升材料塑性和韧性（2）取得良好综协力学性能（3）稳定工件尺寸，使钢组织在工件使用过程中不发生改变。
（5）车齿坯和粗、精铣齿作：对材料进行机械粗加工，是以快速切除毛坯余量。
（6）渗碳作用：使机器零件取得高表面硬度、耐磨性及高接触疲惫强度和弯曲疲惫强度，渗碳后淬火、回火，心部保持良好韧性同时提升工件表面强度、耐磨性和硬度。
（7）高温回火作用：因为渗碳后表层组织为马氏体和大量残余奥氏体，对这种组织不能直接重新加热淬火，不然轻易恢复渗碳时所形成较粗大奥氏体晶粒，即生成二次织构。所以在淬火加热之前，需优异行一次高温回火，使马氏体和残余奥氏体分解为回火索氏体，降低基体中碳、铬含量。这么重新加热淬火时，因为奥氏体中融入碳和铬等元素含量降低，淬火后不仅残余奥氏体量降低，马氏体也细小。
（8）淬火+低温回火作用：经过淬火和不一样温度回火配合，能够大幅度提升金属强度、韧性及疲惫强度，并可取得这些性能之间配合（综合机械性能）以满足不一样使用要求。
（9）喷丸、磨端面及孔和磨齿作用：完成各关键表面最终加工,使零件加工精度和加工表面质量达成图样要求要求。
5 热处理工艺方法选择
5.1 预备热处理工艺【4】选择
通常预备热处理有这多个：1、调质处理：一航后面要进行表面淬火处理，其预备热处理目标是为了使工件表面淬火前得到强韧性结合优良心部性能，降低使用过程中心部疲惫开裂。2、正火处理：通常后面进行是化学热处理（渗碳+淬火）或调质热处理，其预备热处理目标就是细化晶粒、消除机加应力、均匀不平衡组织等，为后面最终热处理奠定良好组织基础。3、退火处理：后面最终热处理通常全部是调质处理，其作为预备热处理目标就是为了消除应力和降低表面硬度。正火和退火工艺相比，其关键区分是正火冷却速度稍快，所以正火热处理生产周期短。故退火和正火一样能达成零件性能要求时，尽可能选择正火。大部分中、低碳钢坯料通常全部采取正火热处理。通常合金钢坯料常采取退火，若用正火，因为冷却速度较快，使其正火后硬度较高，不利于切削加工。所以在此选择正火对钢进行预备热处理。
5.2 渗碳工艺【5】选择
齿轮渗碳过程温度较低，时间较长，轻易造成较粗大和严重热处理变形等缺点。对其改善关键从两个方面入手。一是利用催渗方法催渗以降低温变和缩短时间。二是利用高温渗碳缩短时间。稀土渗碳方法是关键一个催渗方法，应用比较多，工艺成熟，高温渗碳通常情况下极少采取。因为高温下晶粒长大趋势严重且对设备有危害，假如能够排除这两项不利原因，则它也是可行。利用高温渗碳原理改善高温渗碳方法既含有渗速快优点，上述两项不利原因也不显著，在生产被采取越来越多。部分新型渗碳方法在简化热处理工艺同时也改善了齿轮质量。
5.3 最终热处理【6】选择
20Cr2Ni4A钢热处理工艺复杂关键表现在数次高温回火上，渗碳后冷却时和淬火加热时在630～650℃均温均能达成高温回火目标。但在这方面仍需要深入研究。进行合理渗碳工艺选择，改善渗碳质量以达成直接淬火目标是一个值得探索方向。另外，为了消除过多残余奥氏体，深冷处理也是一个常常考虑方法。经过淬火和不一样温度回火配合，能够大幅度提升金属强度、韧性及疲惫强度，并可取得这些性能之间配合（综合机械性能）以满足不一样使用要求。在此我们选择高温回火、淬火和低温回火。
6 制订热处理工艺制度
6.1 正火工艺制订
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处理工艺，因为该钢Ac3为780℃，所以其正火温度通常在910～930℃之间，但在实际生产中，正火加热温度通常要高于其理论正火温度，所以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包含从室温到炉温仪表指示达成所需温度升温时间、炉料表面和心部温度均匀所需均热时间和内外达成温度后为了完成相变所需保温时间三个部分。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，通常取1.0-1.5。
表3 碳钢和合金钢在多种介质中加热系数（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）
由上表可选择a=1.5min,经过查手册工件在炉内不一样排布方法加热时间修正
值知K=1（单件），工件有效厚度D=80mm，可得：t=120min。
6.1.3 正火处理工艺表

表4 正火处理工艺
材料
加热温度（℃）
加热时间（h）
冷却方法
20Cr2Ni4A
950
2
空冷
6.2 高温回火工艺制订
6.2.1 高温回火温度
表5 多种工件回火温度及回火目标【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。可参考经验公式加以确定：
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通常为3-3.5h，则高温回火总加热时间为5h。
6.2.3 高温回火处理工艺表
表7 高温回火处理工艺
材料
加热温度（℃）
加热时间（h）
冷却方法
20Cr2Ni4A
650
5
空冷
6.3 渗碳工艺制订
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，渗碳速度加紧，但渗碳温度过高会造成晶粒长大，工件畸变增大，设备寿命降低等负面效应，所以渗碳温度常控制在900-950℃。选择常见气体渗碳法，加热温度定为930℃。
6.3.2 渗碳时间
渗碳时间和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，渗层深度控制难以正确。应经过调整渗碳温度、碳势来延长渗碳时间，方便正确地来控制渗层深度。
表8 强渗时间、扩散时间及渗碳层深度【10】
要求渗层深度/mm
不一样温度下强渗时间
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，则扩散时间应包含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 渗碳方法
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通常在15﹪-30﹪范围内，高温下甲醇裂解产物水、二氧化碳和甲烷、碳氧化，可使炉气成份和碳势保持在一定范围内，能够采取红外仪进行控制。
表9 常见有机液体渗碳特征【11】

为了确保甲醇和煤油裂解反应充足进行，炉体应确保四个条件：①炉内静压大于1500pa；②滴注剂必需直接滴入炉内；③加溅油板；④滴注剂经过400-700℃温度区时间≦0.07s。渗碳设备为RTJ-75-9T型井式渗碳炉。滴注式可控气氛渗碳通常采取两种有机液体同时滴入炉内，一个液体产生气体碳势较低，作为稀释气体；另一个液体产生气体碳势较高，作为富化气，改变两种液体滴入百分比，可使零件表面含碳量控制在要求范围内。
采取红外仪控制碳势时，往往采取固定总滴量，调整稀释剂和渗碳剂相对滴量措施来调整炉内碳势。

表10 甲醇-煤油红外仪控制滴注式渗碳工艺【12】

6.3.4 渗碳处理工艺表
表11 渗碳处理工艺
材料
渗碳温度（℃）
渗碳时间（h）
渗碳方法
20Cr2Ni4A
930
7
甲醇-煤油滴注式渗碳法
6.4 高温回火工艺制订
因为渗碳后表层组织为马氏体和大量残余奥氏体，对这种组织不能直接重新加热淬火，不然轻易恢复渗碳时所形成较粗大奥氏体晶粒，即生成二次织构。所以在淬火加热之前，需优异行一次高温回火，使马氏体和残余奥氏体分解为回火索氏体，降低基体中碳、铬含量。这么重新加热淬火时，因为奥氏体中融入碳和铬等元素含量降低，淬火后不仅残余奥氏体量降低，马氏体也细小。下表为高温回火处理工艺温度、时间及冷却方法。
表12 高温回火处理工艺
材料
加热温度（℃）
加热时间（h）
冷却方法
20Cr2Ni4A
650
6
空冷
6.5 淬火工艺制订
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，使之全部或部分奥氏体1化，然后以大于临界冷却速度冷速快冷到Ms以下（或Ms周围等温）进行马氏体（或贝氏体）转变热处理工艺。
由钢相变点在此设定淬火加热温度为800℃。高温下钢状态处于单相奥氏体(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法、零件尺寸、钢成份、装炉量和设备功率等多个原因确定。淬火加热时间应包含工件整个截面加热到预定淬火温度，并使之在该温度下完成组织转变、碳化物溶解和奥氏体成份均匀化所需时间，所以，淬火加热时间包含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很多情况下，才把升温时间和保温时间分别进行考虑，通常情况下把升温时间和保温时间统称为淬火加热时间。在具体生产条件下，淬火加热时间常见经验公式计算，经过试验最终确定，常见经验公式为：
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，通常见1.0-1.5
表13 常见钢加热系数【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，要求畸变形小，或用合金钢制造大型铸锻件，必需控制加热速度以确保降低淬火畸变及开裂倾向，通常以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。形状简单中、低碳钢，直径小于400mm中碳合金结构钢可直接到温入炉加热。
6.5.4 淬火冷却方法
工件在低温盐浴或碱浴炉中淬火，盐浴或碱浴温度在Ms点周围，工件在这一温度停留2min～5min，然后取出空冷，这种冷却方法叫分级淬火。对于形状复杂、畸变要求较严格高合金工具钢，能够采取数次分级淬火。分级冷却目标，是为了使工件内外温度较为均匀，同时进行马氏体转变，能够大大减小淬火应力，预防变形开裂。分级温度以前全部定在略高于Ms点，工件内外温度均匀以后进入马氏体区。现在改善为在略低于 Ms 点温度分级。实践表明，在Ms 点以下分级效果愈加好。比如，高碳钢模具在160℃碱浴中分级淬火，既能淬硬，变形又小，所以应用很广泛。
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，冷却速度必需大于钢临界冷却速度。工件在冷 淬火冷却却过程中，表面和心部冷却速度有-定差异，假如这种差异足够大，则可能造成大于临界冷却速度部分转变成马氏体，而小于临界冷却速度心部不能转变成马氏体情况。为确保整个截面上全部转变为马氏体需要选择冷却能力足够强淬火介质，以确保工件心部有足够高冷却速度。不过冷却速度大，工件内部因为热胀冷缩不均匀造成内应力，可能使工件变形或开裂。
冷却阶段不仅为了零件取得合理组织，达成所需要性能，而且要保持零件尺寸和形状精度，在盐浴中进行。为了确保取得优异性能，应采取油作为淬火介质。油冷却特征对多种合金钢淬火和薄壁碳钢零件淬火是很适宜，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 淬火处理工艺表
表14 淬火处理工艺
材料
加热温度（℃）
加热时间（h）
冷却方法
20Cr2Ni4A
800
1
马氏体分级淬火
6.6 低温回火工艺制订
6.6.1 低温回火温度
回火是将淬火后钢重新加热到Ac1以下某一温度，保温后冷却到室温热处理工艺。依据回火温度不一样，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。目标是保持淬火工件高硬度和耐磨性，降低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，要求含有很高硬度、耐磨性，同时要求心部含有很好塑性和韧性，所以低温回火能够满足性能要求，故选择低温回火，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，可参考经验公式加以确定：
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 低温回火热处理工艺
材料
加热温度（℃）
加热时间（h）
冷却方法
20Cr2Ni4A
200
6
空冷
7 热处理设备选择
7.1 箱式电阻炉选择
热处理电阻炉是以电为能源，经过炉内电热元件将电能转化为热能而加热工件炉子，是一个造价相对廉价炉子，以降低成本。高温回火、淬火及低温回火温度均不超出950℃，能够选择中温箱式电阻炉。因为工件正火温度过高，箱式炉炉温不均，中温箱式电阻炉无法满足温度要求，故选择高温电阻炉。高温箱式电阻炉最高工作温度有1200℃和1350℃两种，这类炉子特点是在此温度下关键依靠辐射传热，所以电热元件直接部署在工作室内，，要求炉内有足够辐射面积。下表为多种电阻炉技术参数。螺旋锥齿轮尺寸为502mm×135mm，而且为单件生产。
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）依据零件尺寸和加热温度条件，并综合考虑经济效益及生产方法，高温回火、淬火及低温回火选择RX-3-45-9型号箱式电阻炉。
（2）依据零件尺寸和正火温度，并综合考虑经济效益及生产方法，正火工艺选择RX-3-65-12型号箱式电阻炉。
7.3 井式渗碳炉选择
对于渗碳设备选择井式渗碳炉，这类炉子实际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】

依据零件尺寸和正火温度，并综合考虑经济效益及生产方法，渗碳工艺选择RQ3-90-9型号井式气体渗碳炉。
7.3 热处理冷却设备选择
热处理冷却设备应该能确保工件在冷却时含有对应冷却速度和冷却温度。由出于经济考虑，我们选择油冷，通常淬火槽尺寸全部能满足淬火要求，我们选择一般淬火槽。

图2 一般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 热处理夹具选择
热处理夹具选择标准为：①符合热处理技术条件：确保零件热处理加热冷却，炉气成份均匀度，不致使零件在热处理过程中变形。②符合经济要求：在确保零件热处理质量复合热处理技术要求时，确保设备课程设计说明书含有高生产能力，夹具应含有质量轻，吸热量少，热强度高及使用寿命长特点。 ③符合使用要求：确保装卸零件方便和操作安全。

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 热处理辅具
8.2.1清洗设备选择
清洗设备是指对热处理前后工件清洗设备。零件在热处理前需清除锈斑、油演、污垢、切削冷却液和研磨剂等，以确保不阻碍加热和冷却不影响介质和气氛纯度，以防零件出现软点、渗层不均匀、组织不均匀等影响热处理质量现象。热处理后也常需清洗以去除零件表面残油、残渣和炭黑等附着物，以保障热处理零件清洁度、防锈和不影响下道工序加工等要求。依据零件对清洁度要求、生产方法、生产批量及工件外形尺寸要求选择对应清洗设备。
常见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和配合真空、超声波清洗装置。通常清洗机常见于清除残油和残盐，可分为间歇式和连续式两种：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、自动线配置悬挂输送链式、链板式、推杆式和往复式等各类专用清洗设备。室式清洗机它关键用于批量不大中小零件。输送带式清洗机，适适用于批量较大小型零件。依据生产特点，小批量中小型零件，能够选择室内清洗机。

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。热矫又有不一样方法，一个是利用焊枪局部加热零件，另一个是利用零件仍在热处理余热（或奥氏体组织）状态下进行矫直，适适用于大尺寸轴类、板件或矫直时易断裂零件，和冷矫直后因为弹性作用轻易反弹零件。所以选择热矫后种方法。适适用于中、大型零件矫直用有液压矫直机。

表20 常见矫正设备及适用范围【18】

图6 单柱式液压矫直机
9 检验设备及方法选择
9.1 外观
正火和退火后工件表面不能有裂纹及伤痕等缺点。通常热处理工件均用肉眼或低倍放大镜观察表面由无裂纹、烧伤、碰伤、麻点、腐蚀、锈斑等。关键工件检验裂纹可用碰力、着色、超声波探伤等方法，对表面许可喷砂铸工件可浸油后喷砂直接观察。
9.2 硬度
正火、退火、调质零件硬度检验用布氏硬度计。渗碳包含渗层表面，防渗部位及心部硬度，通常见洛氏硬度，淬火处理零件用洛氏硬度计。对于本件硬度检验标准以下：最终热处理应使硬度值达成所要求58～62HRC。假如上述硬度计无法检验时，用超声波硬度计检验。对于要求不严格淬火件可用挫刀和标准试样进行比较。注意硬度检验位置，应在零件关键部位，依据工艺步骤或由检验人员确定，通常为 1-3 处，每处不少于三点，但必需注意，不得破坏工作面。检验硬度时应正确操作硬度计。被检验零件表面必需平滑，不能有氧化皮或油污，检验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 金相检验
因为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，全部是不正常组织，碳化物网要求小于等于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，有没有反常组织，心部组织是否粗大及铁素体是否超出技术要求等，通常在显微镜下400倍观察，淬火后通常得到马氏体组织，因为奥氏体温度不一样，马氏体形态大小不一样，通常分为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小于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，以后用金相显微镜观察，确定所属等级。
9.4 渗层深度
检验渗碳层深度有三种方法，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正确方法。依据试件深度增量进行剥层,逐层分析碳含量,直到剥层含量和基体相同,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,渗碳层深度相当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。因为硬度和强度关系成正比,所以有效硬化层深度法可直接地反应出渗碳件机械性能,是控制齿轮渗碳层最正确方法。所以采取有效硬化层深度法进行检验。检验工件是否合格即渗碳层深度在0.8～1.2mm之间。
10 热处理缺点分析
10.1 正火缺点分析
（1）网状碳化物
原因：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。这种缺点多发生在截面尺寸较大工件中，消除方法是加紧冷却速度。
控制方法：采取鼓风机冷却、喷淋水冷等。
（2）粗大魏氏组织
原因;加热温度过高，奥氏体晶粒粗大，冷速又较快中碳钢中常出现粗大魏氏体组织，其铁素体呈片状羽毛或三角形分布在原奥氏体晶粒内。
控制方法：经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
原因：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，可采取退火消除。
10.2 回火缺点分析
表20 回火缺点产生原因和控制方法【19】

10.3 渗碳缺点分析
（1）渗层不均
原因：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足等。
（2）渗层过浅
原因：工艺控制不妥。
（3）网状或堆状碳化物
原因：炉气碳势过高或预冷温度过低。
控制方法：降低渗碳剂供给量，延长扩散时间或提升预冷温度。
（4）心部铁素体量过多
原因：预冷温度过低或一次加热淬火温度远低于心部Ac1。
（5）渗层残余奥氏体量过多
原因：炉气碳势高，工件表面碳氮浓度高，且预冷温度不够低。
控制方法：降低渗碳剂供给量，延长扩散时间、降低预冷温度，采取较低温度进行重新加热淬火或深冷处理。
（6）黑色组织
原因：钢中合金元素Cr、Mn等发生内氧化而造成贫化，且氧化物质点又可作为非马氏体相变关键，从而引发渗层淬透性下降。
（7）畸变
原因：热应力。
控制方法：1）采取热油淬火；2）重新加热淬火渗碳件，降低淬火加热温度等等。
（8）渗碳开裂
原因：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造成表层拖尸体区出现拉应力，引发开裂。
控制方法：降低缓冷速度，使渗层全部完成共析转变，不出现马氏体。或加紧冷却速度，使深层全部转变为马氏体加残余奥氏体。
10.4 淬火缺点分析
10.4.1 淬火畸变
原因：1）加热温度不均匀，形成热应力引发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，钢屈服强度降低，已存在于工件内部残余应力达成高温下屈服强度时，就会引发工件不均匀塑性变形而造成形状畸变和残余应力松弛；3）淬火冷却不一样时性形成热应力和组织应力使工件局部塑性变形等等。
降低淬火畸变路径：1）采取合理热处理工艺；2）合理设计；3）合理铸造和预先热处理等等。
10.4.2 淬火裂纹
原因：1）材料管理混乱；2）冷却不妥；3）未淬透工件心部硬度为36-45HRC时，在淬硬层和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。
预防淬火开裂方法：1）改善工件结构；2）合理选择钢材；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）正确进行预先热处理；5）正确进行预先热处理；6）正确选择加热参数；7）合理选择淬火介质和淬火方法等等。
10.4.3 硬度不足
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不足，其原因及控制方法以下表：
表21 淬火硬度不足原因及控制方法【20】
序号
淬火硬度不足原因
控制方法
1
介质冷却能力差，工作表面有铁素体、非马氏体组织
采取冷速较快淬火介质；合适提升淬火加热温度
2
淬火加热温度低或预冷时间长，淬火冷速低，出现非马氏体组织
确保淬火加热温度正常；降低预冷时间
3
碳钢或合金钢采取油水双介质淬火时，在水中停留时间不足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
采取淬透性好钢
10.4.4 软点
淬火后工件表面局部区域出现硬度偏低现象称为软点。产生软点原因及控制方法见下表。
表22 产生软点原因及控制方法【21】
11 小结
经过这次课程设计实习，我有以下几方面感慨：
①经过读螺旋锥齿轮热处理工艺方法选择和制订，我对螺旋锥齿轮理论知识有了更深了解。在设计过程中我翻阅了大量参考书及手册，让我对部分参数有一个全新更深认识。经过查看参考部分她人设计作品和查阅资料文本，吸收其中精华，去除糟粕，不仅使自己熟练掌握了word使用方法使自己对其有了更高技术，更学会怎样快速利用身边工含有效地得到自己有要有用东西。
②经过这次课程设计，让我知道，模具设计和制造只有部分理论知识是不行，任何模具设计全部要有一定实际经验才能够设计出更合理模具。
③经过这次课程设计我认识到为取得理想组织和性能，确保零件在生产过程中质量稳定性和使用寿命，就必需从工件特点﹑要求和技术条件，认真分析产品在使用过程中受力情况和可能失效形式，正确选择材料；最终依据其经济性﹑方便性﹑质量稳定性和便于管理﹑降低成本等原因，确定出一个最好方案。
通用热处理工艺卡

零件名称：螺旋锥齿轮
热处理工艺卡片
处理前要求：正火
零件号：27
材料：20Cr2Ni4A
工序号：
装炉方法及数量：1
热处理技术要求：
硬度：表面 58-62HRC 心部 36HRC
硬化层深度：1.2mm
热处理工艺曲线：

工
步
号
名称
设备
工装、夹具
加 热
保 温
冷 却
零件图：

温度/℃
时间/min
温度/℃
时间/min
介质
温度/℃
1
正火
RX-3-65-12型箱式电阻炉
箱式炉装料盘
950

950
120
空气

2
高温回火
RX-3-45-9型箱式电阻炉
箱式炉装料盘
650
90
650
300
空气

3
渗碳
RQ3-90-9型井式气体渗碳炉
井式渗碳炉星形吊具
930
90
930
420
空气
860
4
高温回火
RX-3-45-9型箱式电阻炉
箱式炉装料盘
650

650
360
空气
350
5
淬火
RX-3-45-9型箱式电阻炉
箱式炉装料盘
800

800
30
油

6
低温回火
RX-3-45-9型箱式电阻炉
箱式炉装料盘
200

200
240
空气

备注：

确定者：XXX
日期：1月14日
审核者：曹士锐

参考文件
【1】 中国机械工程学会热处理专业会编 热处理手册（第四版）第一卷 工艺
基础 北京：机械工业出版社 43
【2】 热处理手册（第三版