螺旋锥齿轮热处理生产工艺过程设计.doc

中北大学课程设计说明书
1 前言
零件设计是一个工程技术人员应该具备的最基本的专业技能。零件分析是认识零件的过程，是确定零件表达方案的前提，一个好的视图表达方案离不开对零件的全面、透彻、正确分析。零件分析也是确定零件的尺寸标注以及确定零件的技术要求的前提，因此，零件分析是绘制零件图的依据。零件的工艺结构分析就是要求设计者从零件的材料、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，以便在零件的视图选择过程中，考虑这些工艺结构的标准化等特殊要求和规定，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的能力，是锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的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的一个重要环节。通过这一环节，可以使我们初步掌握典型零部件生产工艺过程；掌握典型零件的选材、热处理原则和工艺制定原理；理论联系实际，综合运用基础课及专业课程多方面的知识去认识和分析零部件热处理生产过程的实际问题，培养解决问题的能力。
热处理工艺是整个机器零件和工模具制造的一部分，热处理是通过改变钢的内部组织结构，以改善钢的性能，通过适当的热处理可以显著提高钢的机械性能，延长机器零件的使用寿命。热处理工艺不但可以强化金属材料、充分挖掘材料性能潜力、降低结构重量、节省和能源，而且能够提高机械产品质量、大幅度延长机器零件的使用寿命。
任何一种热处理工艺都不是绝对的完美，所以经热处理后的材料会有不同程度的缺陷，对零件的缺陷进行分析也也是零件设计必不可少的步骤。合理选择检验设备以及正确的检验方法是做好检验的必要条件。
通过课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，我们才能从中获得真正的知识，有了真正的知识，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
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处不小于1.2mm。
2.1 零件的服役条件、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的主要传动零件，是一种可以按稳定传动比平稳、低噪音传动的传动零件。有较高的传动速度（空载最高的线速度为30m/s，加载线速度为25m/s），受重载和冲击。（2）失效形式：主要失效形式为磨损、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区出现纵深发展的腐蚀小孔，其余地区不腐蚀或腐蚀轻微，这种腐蚀形态叫点蚀；随工作时间的增长齿轮产生断裂失效。（3）性能要求：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以下性能要求：a、良好的力学性能；b、良好的渗碳淬火性能；c、良好的抗冲击性能；d、良好的心部硬度；e、良好的热变形性能。
3 材料的选择
3.1 初步选材
根据螺旋锥齿轮的技术要求：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处不小于1.2mm。选定的材料应该具有高强度、高韧性以及良好的淬透性。又根据螺旋锥齿轮的性能要求：a、良好的力学性能；b、良好的渗碳淬火性能；c、良好的抗冲击性能；d、良好的心部硬度；e、良好的热变形性能。为满足以上条件初步确定符合要求的材料为渗碳轴承钢【1】。
3.2 确定材料
42CrMo、12CrNi3和20Cr2Ni4A都属于渗碳轴承钢，通过对各个材料的性能进行分析对比选出最佳材料。
（1）42CrMo属于超高强度钢，具有高强度和韧性，淬透性也较好，无明显的回火脆性。调制处理后有较高的疲劳极限个抗多次冲击能力，低温冲击韧性良好。适宜制造要求一定强度和韧性的大、中型塑料模具。强度、淬透性高，韧性好，淬火时变形小，高温时有高的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的锻件，如机车牵引引用的大齿轮、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2000m以下石油深井钻杆接头与打捞工具，并且可以用于折弯机的模具等。
（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有良好的综合力学性能，钢的低温韧性好，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。为提高模具型腔的耐磨性，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，从而保证模具表面具有高硬度、高耐磨性而心部具有很好的韧性，该钢适宜制造大、中型塑料模具。
（3）20Cr2Ni4A是优质合金钢有良好的力学性能，强度高有良好的心部硬度，韧性好有有良好的抗冲击性能及热变形性能，淬透性好有良好的渗碳淬火性能。渗碳后不能直接淬火，以减少表层参与奥氏体。切削性及冷变形塑性一般。用于大截面渗碳件，如大型齿轮、轴类以及要求强度高、韧性好的调质零部件等。此轴承钢是特大型轴承用的低碳高合金渗碳轴承钢，不管是在工艺性上还是经济性上都是很符合我们的要求，因此综合分析20Cr2Ni4A是最佳材料。
3.3 20Cr2Ni4A的化学成分、相变点及合金元素作用
3.3.1 钢的化学成分

表1 20Cr2Ni4A的化学成分【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的相变点
表2 20Cr2Ni4A的相变点【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，增加钢的冷脆性和时效敏感性，降低塑性、冲击性以及耐大气腐蚀能力。
Si元素：提高钢的回火稳定性、提高钢的抗氧化性、提高钢的淬透性和淬透温度。
Mn元素：提高钢的淬透性，从基体组织中扩散到析出的渗碳体中，形成合金渗碳体,改善其硬度。
S元素:使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，改善切削加工性。
P元素：增加钢的冷脆性，使焊接性变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。
Cr元素: 提高钢的淬透性,固溶强化基体组织，并改善基体组织的回火性和硬度。
Ni元素：提高钢的淬透性，有助于改善钢的韧性。
4 确定加工路线
确定零件加工路线加工工艺主要包括机加工和热处理工艺。机加工是指通过加工机械精确去除材料的加工工艺。它直接改变毛坯的形状、尺寸和表面质量等，使其成为零件的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的介质内加热、保温、冷却，通过改变材料表面或内部的金相组织结构,来控制其性能的一种金属热加工工艺。
4.1 初步确定加工路线
根据20Cr2Ni4A材料的性能以及技术要求，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 每个步骤的作用
（1）下料的作用：提供原料；
（2）锻坯的作用：获得原料；
（3）预备热处理的作用：为随后的机加或最终热处理提供一个良好的机加性能或良好的组织形态；
（4）高温回火的作用：（1）消除淬火时产生的残留内应力，提高材料的塑性和韧性（2）获得良好的综合力学性能（3）稳定工件尺寸，使钢的组织在工件使用过程中不发生变化。
（5）车齿坯与粗、精铣齿的作：对材料进行机械粗加工，是以快速切除毛坯余量。
（6）渗碳的作用：使机器零件获得高的表面硬度、耐磨性及高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度，渗碳后淬火、回火，心部保持良好韧性的同时提高工件的表面强度、耐磨性和硬度。
（7）高温回火的作用：由于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，否则容易恢复渗碳时所形成的较粗大的奥氏体晶粒，即生成二次织构。因此在淬火加热之前，需先进行一次高温回火，使马氏体和残余奥氏体分解为回火索氏体，降低基体中碳、铬的含量。这样重新加热淬火时，由于奥氏体中融入的碳和铬等元素的含量减少，淬火后不仅残余奥氏体量减少，马氏体也细小。
（8）淬火+低温回火的作用：通过淬火与不同温度的回火配合，可以大幅度提高金属的强度、韧性及疲劳强度，并可获得这些性能之间的配合（综合机械性能）以满足不同的使用要求。
（9）喷丸、磨端面及孔和磨齿的作用：完成各主要表面的最终加工,使零件的加工精度和加工表面质量达到图样规定的要求。
5 热处理工艺方法选择
5.1 预备热处理工艺【4】的选择
一般预备热处理有这几种：1、调质处理：一航后面要进行表面淬火处理，其预备热处理的目的是为了使工件表面淬火前得到强韧性结合优良的心部性能，降低使用过程中的心部疲劳开裂。2、正火处理：一般后面进行的是化学热处理（渗碳+淬火）或者调质热处理，其预备热处理的目的就是细化晶粒、消除机加应力、均匀不平衡组织等，为后面的最终热处理奠定良好的组织基础。3、退火处理：后面最终热处理一般都是调质处理，其作为预备热处理的目的就是为了消除应力以及降低表面硬度。正火与退火工艺相比，其主要区别是正火的冷却速度稍快，所以正火热处理的生产周期短。故退火与正火同样能达到零件性能要求时，尽可能选用正火。大部分中、低碳钢的坯料一般都采用正火热处理。一般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。所以在此选用正火对钢进行预备热处理。
5.2 渗碳工艺【5】的选择
齿轮渗碳过程温度较低，时间较长，容易造成较粗大和严重热处理变形等缺陷。对其改进主要从两个方面入手。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。稀土渗碳方法是主要的一种催渗方法，应用的比较多，工艺成熟，高温渗碳一般情况下很少采用。因为高温下晶粒长大趋势严重且对设备有危害，如果能够排除这两项不利因素，则它也是可行的。利用高温渗碳原理改进的高温渗碳方法既具有渗速快的优点，上述两项不利因素也不明显，在生产被采用的越来越多。一些新型渗碳方法在简化热处理工艺的同时也改善了齿轮的质量。
5.3 最终热处理【6】的选择
20Cr2Ni4A钢的热处理工艺的复杂主要体现在多次高温回火上，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的目的。但在这方面仍需要进一步研究。进行合理的渗碳工艺的选择，改善渗碳质量以达到直接淬火的目的是一个值得探索的方向。此外，为了消除过多的残余奥氏体，深冷处理也是一种经常考虑的方法。通过淬火与不同温度的回火配合，可以大幅度提高金属的强度、韧性及疲劳强度，并可获得这些性能之间的配合（综合机械性能）以满足不同的使用要求。在此我们选择高温回火、淬火与低温回火。
6 制定热处理工艺的制度
6.1 正火工艺的制定
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的热处理工艺，由于该钢Ac3为780℃，所以其正火温度一般在910～930℃之间，但在实际生产中，正火的加热温度一般要高于其理论正火温度，所以设定正火的加热温度在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括从室温到炉温仪表指示达到所需温度的升温时间、炉料表面和心部温度均匀所需的均热时间以及内外达到温度后为了完成相变所需的保温时间三个部分。加热时间的计算公式：
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 碳钢和合金钢在各种介质中的加热系数（a值）【7】
钢材
每1mm有效厚度的加热时间
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）
由上表可选取a=1.5min,通过查手册工件在炉内不同排布方式的加热时间修正
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）
冷却方式
20Cr2Ni4A
950
2
空冷
6.2 高温回火工艺的制定
6.2.1 高温回火温度
表5 各种工件的回火温度及回火目的【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℃以上箱式电炉的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一般为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）
冷却方式
20Cr2Ni4A
650
5
空冷
6.3 渗碳工艺的制定
6.3.1 渗碳温度
由式：D=0.162exp(-16575/T)可知，随渗碳温度的升高，碳在钢中的扩散系数呈指数上升，渗碳速度加快，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℃。选用常用的气体渗碳法，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，渗层深度控制难以准确。应通过调整渗碳温度、碳势来延长渗碳时间，以便精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】
要求的渗层深度/mm
不同温度下的强渗时间
强渗后的渗层深度/mm
扩散时间/h
扩散后的渗层深度/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，则扩散时间应包括降温及降温后停留的时间。
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-煤油滴注剂中煤油的含量一般在15﹪-30﹪范围内，高温下甲醇的裂解产物水、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围内，可以采用红外仪进行控制。
表9 常用有机液体的渗碳特性【11】

为了保证甲醇与煤油裂解反应充分进行，炉体应保证四个条件：①炉内静压大于1500pa；②滴注剂必须直接滴入炉内；③加溅油板；④滴注剂通过400-700℃温度区的时间≦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一般采用两种有机液体同时滴入炉内，一种液体产生的气体碳势较低，作为稀释气体；另一种液体产生的气体碳势较高，作为富化气，改变两种液体的滴入比例，可使零件表面含碳量控制在要求的范围内。
采用红外仪控制碳势时，往往采用固定总滴量，调整稀释剂和渗碳剂相对滴量的办法来调整炉内碳势。

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 高温回火工艺的制定
由于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，否则容易恢复渗碳时所形成的较粗大的奥氏体晶粒，即生成二次织构。因此在淬火加热之前，需先进行一次高温回火，使马氏体和残余奥氏体分解为回火索氏体，降低基体中碳、铬的含量。这样重新加热淬火时，由于奥氏体中融入的碳和铬等元素的含量减少，淬火后不仅残余奥氏体量减少，马氏体也细小。下表为高温回火处理工艺的温度、时间及冷却方式。
表12 高温回火处理工艺
材料
加热温度（℃）
加热时间（h）
冷却方式
20Cr2Ni4A
650
6
空冷
6.5 淬火工艺的制定
6.5.1 淬火加热温度
钢的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的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等温）进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理工艺。
由钢的相变点在此设定淬火加热温度为800℃。高温下钢的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、钢的成分、装炉量和设备功率等多种因素确定。淬火加热时间应包括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分均匀化所需的时间，因此，淬火加热时间包括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，一般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，淬火加热时间常用经验公式计算，通过实验最终确定，常用经验公式为：
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，通常用1.0-1.5
表13 常用钢的加热系数【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，或用合金钢制造的大型铸锻件，必须控制加热速度以保证减少淬火畸变及开裂倾向，一般以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。形状简单的中、低碳钢，直径小于400mm的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，盐浴或碱浴的温度在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、畸变要求较严格的高合金工具钢，可以采用多次分级淬火。分级冷却的目的，是为了使工件内外温度较为均匀，同时进行马氏体转变，可以大大减小淬火应力，防止变形开裂。分级温度以前都定在略高于Ms点，工件内外温度均匀以后进入马氏体区。现在改进为在略低于 Ms 点的温度分级。实践表明，在Ms 点以下分级的效果更好。例如，高碳钢模具在160℃的碱浴中分级淬火，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，冷却速度必须大于钢的临界冷却速度。工件在冷 淬火冷却却过程中，表面与心部的冷却速度有-定差异，如果这种差异足够大，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的心部不能转变成马氏体的情况。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的淬火介质，以保证工件心部有足够高的冷却速度。但是冷却速度大，工件内部由于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获得合理的组织，达到所需要的性能，而且要保持零件的尺寸和形状精度，在盐浴中进行。为了保证获得优异的性能，应采用油作为淬火介质。油的冷却特性对各种合金钢的淬火和薄壁碳钢零件淬火是很合适的，且油在珠光体（或贝氏体）转变温度区间有足够的冷却速度。
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 低温回火工艺的制定
6.6.1 低温回火温度
回火是将淬火后的钢重新加热到Ac1以下某一温度，保温后冷却到室温的热处理工艺。根据回火温度的不同，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℃进行的回火。目的是保持淬火工件高的硬度和耐磨性，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，高的硬度和耐磨性。20Cr2Ni4A钢是低碳钢，要求具有很高的硬度、耐磨性，同时要求心部具有较好的塑性和韧性，因此低温回火可以满足性能要求，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）
冷却方式
20Cr2Ni4A
200
6
空冷
7 热处理设备选择
7.1 箱式电阻炉的选择
热处理电阻炉是以电为能源的，通过炉内电热元件将电能转化为热能而加热工件的炉子，是一种造价相对便宜的炉子，以降低成本。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。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，这类炉子的特点是在此温度下主要依靠辐射传热，因此电热元件直接布置在工作室内，，要求炉内有足够的辐射面积。下表为各种电阻炉的技术参数。螺旋锥齿轮的尺寸为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）根据零件的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、淬火及低温回火选择RX-3-45-9型号的箱式电阻炉。
（2）根据零件尺寸和正火温度，并综合考虑经济效益及生产方式，正火工艺选择RX-3-65-12型号的箱式电阻炉。
7.3 井式渗碳炉的选择
对于渗碳设备选用井式渗碳炉，这类炉子实际上是在井式炉炉膛中再加一密封炉罐，专为周期作业的渗碳、渗氮、碳氮共渗等所用。
表19 井式气体渗碳炉的技术数据【17】

根据零件尺寸和正火温度，并综合考虑经济效益及生产方式，渗碳工艺选择RQ3-90-9型号的井式气体渗碳炉。
7.3 热处理冷却设备的选择
热处理冷却设备应该能保证工件在冷却时具有相应的冷却速度和冷却温度。由出于经济的考虑，我们选择油冷，一般的淬火槽的尺寸都能满足淬火要求，我们选用普通淬火槽。

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 热处理夹具的选择
热处理夹具的选择原则为：①符合热处理技术条件：保证零件热处理加热冷却，炉气成分均匀度，不致使零件在热处理过程中变形。②符合经济要求：在保证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具有高的生产能力，夹具应具有质量轻，吸热量少，热强度高及使用寿命长的特点。 ③符合使用要求：保证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清洗设备的选择
清洗设备是指对热处理前后工件清洗的设备。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，以保证不阻碍加热和冷却不影响介质和气氛的纯度，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的现象。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。根据零件对清洁度要求、生产方式、生产批量及工件外形尺寸的要求选用相应的清洗设备。
常用的清洗设备有碱水溶液、磷酸水溶液。有机溶剂的清洗槽和清洗机以及配合真空、超声波的清洗装置。一般清洗机常用于清除残油和残盐，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、自动线配置的悬挂输送链式、链板式、推杆式和往复式等各类专用清洗设备。室式清洗机它主要用于批量不大的中小零件。输送带式清洗机，适用于批量较大的小型零件。根据生产特点，小批量的中小型零件，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的翘曲变形。热矫又有不同的方法，一种是利用焊枪局部加热零件，另一种是利用零件仍在热处理的余热（或奥氏体组织）状态下进行矫直，适用于大尺寸的轴类、板件或矫直时易断裂的零件，以及冷矫直后由于弹性作用容易反弹的零件。所以选用热矫的后种方法。适用于中、大型零件矫直用的有液压矫直机。

表20 常用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
正火与退火后工件表面不能有裂纹及伤痕等缺陷。一般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。重要工件检查裂纹可用碰力、着色、超声波探伤等方法，对表面允许喷砂铸工件可浸油后喷砂直接观察。
9.2 硬度
正火、退火、调质零件的硬度检查用布氏硬度计。渗碳包括渗层表面，防渗部位及心部硬度，一般用洛氏硬度，淬火处理零件用洛氏硬度计。对于本件硬度检查标准如下：最终热处理应使硬度值达到所要求的58～62HRC。如果上述硬度计无法检验时，用超声波硬度计检查。对于要求不严格的淬火件可用挫刀与标准试样进行比较。注意硬度检查的位置，应在零件的主要部位，根据工艺流程或由检验人员确定，一般为 1-3 处，每处不少于三点，但必须注意，不得破坏工作面。检查硬度时应正确操作硬度计。被检验零件表面必须平滑，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，使被测零件的被测面垂直于压的轴线。
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的珠光体和铁素体，若组织中有点状和细片状珠光体及粗片珠光体，都是不正常的组织，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400倍观察，淬火后一般得到马氏体组织，由于奥氏体温度不同，马氏体形态的大小不同，一般分为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大于5％的铁素体，而8级属于过热组织，是粗大的板条状马氏体和片状马氏体，正常淬火是2-4级，其组织为细小的板条状马氏体和片状马氏体，之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精确的方法。根据试件深度的增量进行剥层,逐层分析碳含量,直到剥层的含量与基体相同,此处距表面的距离为渗碳层的总深度。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处的垂直距离,该硬度测量是在10N负荷下进行的。因为硬度与强度的关系成正比,所以有效硬化层深度法可直接地反映出渗碳件的机械性能,是控制齿轮渗碳层最准确的方法。所以采用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 热处理缺陷分析
10.1 正火缺陷分析
（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。这种缺陷多发生在截面尺寸较大的工件中，消除的方法是加快冷却速度。
控制措施：采用鼓风机冷却、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，冷速又较快的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。
控制措施：通过完全退火或重新正火使晶粒细化完全消除。
（3）零件产生较大的内应力和变形
原因：正火冷却速度较快，使零件产生较大的内应力和变形，甚至开裂，可采取退火消除。
10.2 回火缺陷分析
表20 回火缺陷产生原因以及控制措施【19】

10.3 渗碳缺陷分析
（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分等。
（2）渗层过浅
原因：工艺控制不当。
（3）网状或堆状碳化物
原因：炉气碳势过高或预冷温度过低。
控制措施：减少渗碳剂供给量，延长扩散时间或提高预冷温度。
（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的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。
控制措施：减少渗碳剂供给量，延长扩散时间、降低预冷温度，采用较低的温度进行重新加热淬火或深冷处理。
（6）黑色组织
原因：钢中的合金元素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的核心，从而引起渗层淬透性下降。
（7）畸变
原因：热应力。
控制措施：1）采用热油淬火；2）重新加热淬火的渗碳件，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导致表层拖尸体区出现拉应力，引起开裂。
控制措施：降低缓冷速度，使渗层全部完成共析转变，不出现马氏体。或加快冷却速度，使深层全部转变为马氏体加残余奥氏体。
10.4 淬火缺陷分析
10.4.1 淬火畸变
原因：1）加热温度不均匀，形成的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，钢的屈服强度降低，已存在于工件内部的残余应力达到高温下的屈服强度时，就会引起工件不均匀塑性变形而造成形状畸变和残余应力松弛；3）淬火冷却的不同时性形成热应力和组织应力使工件局部塑性变形等等。
减少淬火畸变的途径：1）采用合理的热处理工艺；2）合理设计；3）合理的锻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。
防止淬火开裂的措施：1）改进工件结构；2）合理选择钢材；3）原材料应避免显微裂纹及严重的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）合理选用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的淬火硬度值称为硬度不足，其原因及控制措施如下表：
表21 淬火硬度不足原因及控制措施【20】
序号
淬火硬度不足的原因
控制措施
1
介质冷却能力差，工作表面有铁素体、非马氏体组织
采用冷速较快的淬火介质；适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，出现非马氏体组织
确保淬火加热温度正常；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
钢的淬透性差，工件截面尺寸大，不能淬硬
采用淬透性好的钢
10.4.4 软点
淬火后工件表面局部区域出现硬度偏低的现象称为软点。产生软点的原因及控制措施见下表。
表22 产生软点的原因及控制措施【21】
11 小结
通过这次的课程设计实习，我有如下几方面的感触：
①通过读螺旋锥齿轮的热处理工艺方法的选择以及制定，我对螺旋锥齿轮的理论知识有了更深的理解。在设计的过程中我翻阅了大量的参考书及手册，让我对一些参数有一个全新的更深的认识。通过查看参考一些别人设计的作品和查阅资料文本，吸取其中的精华，去除糟粕，不仅使自己熟练的掌握了word的用法使自己对其有了更高的技术，更学会怎样快速的运用身边的工具有效地得到自己有要的有用的东西。
②通过这次课程设计，让我知道，模具的设计和制造只有一些理论知识是不行的，任何模具的设计都要有一定的实际经验才可以设计出更合理的模具。
③通过这次课程设计我认识到为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；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。
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