精品汽车发动机齿轮材料的选择及工艺设计毕业论文.docx
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精品汽车发动机齿轮材料的选择及工艺设计毕业论文
专业课程设计任务书
姓名:
吕永丹班级:
材科102
设计题目:
汽车发动机齿轮材料的选择及工艺设计
设计内容:
1、根据零件工作原理,服役条件,提出机械性能要求和技术要求。
2、选材,并分析选材依据。
3、制订零件加工工艺路线,分析各热加工工序的作用。
4、制订热处理工艺卡,画出热处理工艺曲线,对各种热处理工艺进行分析,并分析所得到的组织,说明组织及性能的检测方法与使用的仪器设备。
5、分析热处理过程中可能产生的缺陷及补救措施。
6、分析零件在使用过程中可能出现的失效方式及修复措施。
目录
1前言3
2汽车发动机齿轮工作条件及性能要求4
2.1汽车发动机齿轮工作条件4
2.2汽车发动机齿轮的机械性能要求及技术要求4
2.3汽车发动机齿轮材料的选择及分析6
2.3.1汽车发动机齿轮材料的选择6
2.3.2汽车发动机齿轮材料的分析7
3汽车发动机齿轮加工工艺8
3.1汽车发动机齿轮加工工艺流程及各工序作用8
3.2汽车发动机齿轮具体热处理工艺及分析9
3.2.1锻造9
3.2.2正火10
3.2.3渗碳+淬火11
3.2.4低温回火12
3.2.5各热处理工艺后的金相组织分析13
3.2.6热处理工艺过程中可能产生的缺陷及处理措施15
4汽车发动机齿轮使用过程中可能出现的失效方式及预防措施17
5心得体会19
6参考文献20
1前言
本课程设计了20CrMnTi适用于汽车发动机齿轮的可靠性。
汽车发动机齿轮作为汽车发动机中的重要零部件,其材料是保证其本身工作性能和可靠性的基础。
对发动机齿轮的失效形式分析,其主要承受交变载荷,冲击载荷,剪切应力和接触应力大等,因此对齿轮在材料、精度、强度、耐久性和可靠性等方面提出了更高要求。
20CrMnTi合金钢是一种优良的渗碳钢,有高的淬透性,经渗碳淬火加低温回火后,表面硬度很高,心部强度和塑性,韧性配合很好。
关键词:
发动机齿轮,20CrMnTi,锻造,淬火+低温回火
2汽车发动机齿轮工作条件及性能要求
2.1汽车发动机齿轮工作条件
发动机和汽车的起动系统、燃油系统、滑油系统、液压系统等主要附件都是由发动机转子通过齿轮传动装置带动的。
在整个行驶过程中,齿轮传动都必须可靠地工作,以保证发动机和汽车所有附件的转速、转向和所需功率符合设计要求。
随着汽车发动机性能和可靠性要求的不断提高,齿轮承受的交变载荷和剧烈冲击载荷在不断增加,所受应力复杂,工况恶劣。
因此,要使齿轮在工作时,从它的失效形式方面的考虑,就必须保证它能在一定的高温环境中工作。
齿轮是机械工业中应用最广泛的重要零件之一。
其主要作用是传递动力,改变运动速度和方向。
是主要零件。
其服役条件如下:
齿轮工作时,通过齿面的接触来传递动力。
两齿轮在相对运动过程中,既有滚动,又有滑动。
因此,齿轮表面受到很大的接触疲劳应力和摩擦力的作用。
在齿根部位受到很大的弯曲应力作用;在运转过程中的过载产生振动,承受一定的冲击力或过载;变速齿轮在换档时,端部受冲击,承受一定冲击力;在一些特殊环境下,受介质环境的影响而承受其它特殊的力的作用。
2.2汽车发动机齿轮的机械性能要求及技术要求
根据齿轮的受力情况和失效分析可知,齿轮一般都需经过适当的热处理,以提高承载能力和延长使用寿命,齿轮在热处理后应满足下列性能要求:
①高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度(抗疲劳点蚀)。
②齿面具有较高的硬度和耐磨性。
③齿轮心部具有足够的强度和韧性。
高的淬透性。
20CrMnTi钢属于合金渗碳钢,有高的淬透性,经渗碳淬火加低温回火后,表面硬度很高,心部强度和韧、塑性配合很好,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%。
另外,钢退火后硬度低、塑性好。
为提高发动机齿轮的耐磨性,齿轮开齿后需要进行渗碳处理,然后再进行淬火和低温回火,从而保证齿轮表面具有高硬度、高耐磨性而心部具有很好的韧性。
对20CrMnTi钢的硬度要求齿面硬度:
58~64HRC;心部硬度:
ms≤8mm时,32~45HRC;ms>8mm时,29~45HRC。
需要进行渗碳,渗碳层深度:
ms≤5mm时,0.9~1.3mm;5mm<ms<8mm时,1.0~1.4mm;ms>8mm时,1.2~1.6mm。
(ms—端面模数)
表120CrMnTi钢的技术要求
试样取样位置
力学性能
条钢按GB2975,锻件按图样
零件表面
σbMPa
930
σ0.2MPa
685
δ5%
11
Ψ%
50
AkuJ
88
HB
≤217
HRC28~45
HRC≥56
2.3汽车发动机齿轮材料的选择及分析
2.3.1汽车发动机齿轮材料的选择
22CrMnMo、20CrMnMoH和20CrMoH钢由于有着较高淬透性而用于中型汽车齿轮。
此类钢可采用渗碳后直接淬火工艺。
由于铬锰钼钢和铬钼钢中含有铬和钼等形成碳化物的元素,在渗碳过程中将促使轮齿表面碳含量增加,容易在渗碳层组织中出现大量碳化物,使渗碳层性能恶化。
因此,齿轮采用铬锰钼钢和铬钼钢渗碳时,宜采用弱渗碳气氛,以防止形成过量碳化物。
22CrMnMo和20CrMnMoH齿轮锻坯正火后在650~670℃进行高温回火处理,金相组织为细片状珠光体+少量铁素体,硬度为171~229HB。
20CrMnH齿轮锻坯最好在连续式等温正火炉中处理,935~945℃加热,640~650℃先预冷后等温,可获得均匀的铁素体+珠光体组织,硬度为156~207HB。
文献指出,20CrMoTi钢冶炼工艺稳定,淬透性带较窄且易于控制,与20CrMnH钢齿轮比较,具有热处理畸变小;渗层有良好、稳定的淬透性;金相组织、渗碳淬火后的表面和心部硬度,均能较好地满足技术要求;疲劳性能好,比较适合汽车中小模数齿轮。
20CrMnTi是典型的中淬透性钢,该钢由于Cr、Mn多元复合合金化的作用,淬透性好,油淬临界直径为40mm左右。
渗碳后淬火回火具有较高耐磨性和抗弯强度以及高的强韧性,特别是良好的低温冲击韧性,钢的渗碳工艺性较好,晶粒长大倾向小,热处理工艺简单,但高温回火时有回火脆性倾向,渗碳后可直接淬火,变形比较小。
20CrMnTi的热加工和冷加工性能较好,正火后硬度为HB180~230,相对切削性能好,并可获得光洁的表面。
一般可用于制造截面在30mm以下的承受高速、中速及重载荷以及冲击和摩擦的重要渗碳零件,如齿轮、齿轮圈、离合器轴、液压马达转子等。
综合考虑齿轮的服役条件,既保证齿轮的疲劳寿命,又减少齿轮的热处理畸变,采用20CrMnTi作为本次课设的汽车发动机齿轮的材料。
2.3.2汽车发动机齿轮材料的分析
表220CrMnTi的化学成分(质量分数,%)
C
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
Cu
Ti
0.17~0.23
0.17~0.37
0.80~1.10
≤0.035
≤0.035
1.00~1.30
≤0.030
≤0.030
0.04~0.10
成分分析:
钢的含碳量可保证形成大量的合金碳化物,淬火加热时,一部分融入奥氏体中,提高其稳定性,同时也使马氏体中的合金元素含量增加,保证其硬度;而未溶的碳化物则起细化晶粒、提高韧性的作用.并提高钢的耐磨性。
Cr是20CrMnTi合金钢中主要的合金元素,它使钢的淬透性大大增加,提高其回火稳定性,并产生二次硬化现象。
钛与碳形成高硬度的碳化物,加热时未溶的碳化物可细化晶粒、提高钢的耐磨性的作用。
锰和硅是炼钢过程中必须加入的脱氧剂,用以去除溶于钢液中的氧。
它还把钢液中的氧化铁还原成铁,并形成氧化锰和二氧化硅。
锰除了脱氧作用外,还有除硫作用,即与钢液中的硫结合成MnS,从而在相当大成度上消除硫在钢中的有害影响。
这些反应产物大部分进入炉渣,小部分残留与钢中,成为非金属夹杂物。
脱氧剂中的锰和硅会有一部分溶于钢液中,冷至室温后即溶于铁素体中,提高铁素体的强度。
硅溶于铁素体中后有很强的固溶强化作用,显著提高钢的强度和硬度。
Ti也是20CrMnTi合金钢中的主要元素。
它的存在提高了钢的强度,而不降低其塑性,改善了钢铁的低温韧性降低了钢铁的临界冷却速度,提高铁的淬透性扩大奥氏体区,是奥氏体化的有效元素,此外其本身具有一定耐蚀性,对一些还原性酸类有良好的耐蚀能力。
3汽车发动机齿轮加工工艺
3.1汽车发动机齿轮加工工艺流程及各工序作用
(1)工艺路线
汽车发动机齿轮的制造工序基本上相同,对于不同的钢种,在其热处理时有些许差异。
一般都采用棒料经锻造—粗车—调质—半精车—粗磨基准—开齿(包括插齿、刨齿、滚齿、铣齿等)—磨齿—局部渗碳(渗氮或氰化)—低温回火(渗碳后扩散处理)—淬火—喷丸--精磨基准—磨齿。
(2)各工序作用
①锻造的作用:
通过锻造能消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷,优化微观组织结构,同时由于保存了完整的金属流线,锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件。
②正火的作用:
用于低碳钢,正火后硬度略高于退火,韧性也较好,可作为切削加工的预处理;用于中碳钢,可代替调质处理作为最后热处理,也可作为用感应加热方法进行表面淬火前的预备处理;用于工具钢、轴承钢、渗碳钢等,可以消降或抑制网状碳化物的形成,从而得到球化退火所需的良好组织;用于铸钢件,可以细化铸态组织,改善切削加工性能;用于大型锻件,可作为最后热处理,从而避免淬火时较大的开裂倾向;用于球墨铸铁,使硬度、强度、耐磨性得到提高,如用于制造汽车、拖拉机、柴油机的曲轴、连杆等重要零件;过共析钢球化退火前进行一次正火,可消除网状二次渗碳体,以保证球化退火时渗碳体全部球粒化。
③渗碳的作用:
是对金属表面处理的一种,采用渗碳的多为低碳钢或低合金钢,具体方法是将工件置入具有活性渗碳介质中,加热到900~950℃的单相奥氏体区,保温足够时间后,使渗碳介质中分解出的活性碳原子渗入钢件表层,从而获得表层高碳,心部仍保持原有成分。
相似的还有低温渗氮处理。
这是金属材料常见的一种热处理工艺,它可以使渗过碳的工件获得很高的硬度,提高其耐磨程度。
④淬火的作用:
获得强度,硬度和塑性,韧性都较好的综合机械性能。
⑤回火的作用:
消除工件淬火时产生的残留应力,防止变形和开裂;调整工件的硬度、强度、塑性和韧性,达到使用性能要求;稳定组织与尺寸,保证精度;改善和提高加工性能。
⑥喷丸的作用:
是把金属毛坯,一般是铸件或锻件放入密闭的喷丸室内,金属颗粒(喷丸)在压力空气的作用下,撞击毛坯表面。
其作用是去除毛坯表面氧化皮,消除毛坯内部应力。
3.2汽车发动机齿轮具体热处理工艺及分析
3.2.1锻造
造齿轮的毛坯经过锻造后获得基本的形状。
锻造是利用锻压机械对金属坯料施加压力,使其产生塑性变形,已获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸的锻件的加工方法。
齿轮的锻造工艺是用棒料镦经切削加工制成的,其纤维组织弯曲呈放射状,所有齿部的正应力都平行于纤维组织的方向,力学性能得到很大的提高。
20CrMnTi合金钢的始锻温度为1180℃,中锻温度为850℃,锻后进行缓慢冷却。
接触疲劳试样由棒料,弯曲疲劳试样从GF齿圈上截取,改锻成齿轮式样毛坯。
20CrMnTi合金钢的终锻温度为850℃,锻后经880~920℃正火(空冷)和650~780℃退火(炉冷)处理。
表3锻造热处理温度
始锻温度
终锻温度
正火温度
退火温度
1180℃
850℃
880~920℃
650~780℃
3.2.2正火
锻坯等温正火是为消除内应力,改善、细化组织,为后续加做准备,便于切削加工。
①正火温度:
正火是
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