CrNiA航天发动机齿轮的热处理工艺的设计说明.docx

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CrNiA航天发动机齿轮的热处理工艺的设计说明

攀枝花学院

学生课程设计（论文）

题目：

12CN3A航天发动机齿轮热工艺设计

学生姓名：

xxx学号：

xxxxxxxxxxxx

所在院（系）：

材料工程学院

专业：

材料成型及控制工程

班级：

2010级材料成型及控制工程2班

指导教师：

xxx职称：

xxx

年月日

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、设计12CrNi3A航天发动机齿轮的热处理生产工艺，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、热处理设备选用和齿轮设计等。

（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：

进行齿轮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，做出热处理工艺卡。

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做出说明。

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。

3、主要参考文献

[1]陈光等.航空燃气涡轮发动机结构设计.北京：

北京航空学报出版社，1988

[2]徐颖强.赵宁.吕国志.航天硬化齿轮材料性能研究.机械科学技术，2002,21（4）:

602～606

[3]崔忠圻.覃耀春。

金属学与热处理，2007,5：

123～124，283～284.

[4]陈宗民．统计方法在铸造工序及产品质量中的应用[J].铸造设

备研究，2003，f51：

22～25．

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）

日期

年月日

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。

课程设计（论文）指导教师成绩评定表

题目名称

评分项目

分值

得分

评价内涵

工作

表现

20%

01

学习态度

6

遵守各项纪律，工作刻苦努力，具有良好的科学工作态度。

02

科学实践、调研

7

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。

03

课题工作量

7

按期圆满完成规定的任务，工作量饱满。

能力

水平

35%

04

综合运用知识的能力

10

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。

05

应用文献的能力

5

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。

06

设计（实验）能力，方案的设计能力

5

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。

07

计算及计算机应用能力

5

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。

08

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）

10

具有较强的数据收集、分析、处理、综合的能力。

成果

质量

45%

09

插图（或图纸）质量、篇幅、设计（论文）规范化程度

5

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。

10

设计说明书（论文）质量

30

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。

11

创新

10

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

摘要

本课程设计了12CrNi3A航天发动机齿轮的热处理工艺设计。

航天发动机齿轮作为航天飞行器中的重要部件，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。

12CrNi3A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，12CrNi3A,，锻造，淬火+低温回火

1.设计任务

1.1设计任务

12CrNi3A航天发动机齿轮的热处理工艺。

1.2设计的技术要求

12CrNi3A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12CrNi3A钢的技术要求如表1.2所示。

表112CrNi3A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

HRC28～40

HRC≥56

2、设计方案

2.112CN3A航天发动机齿轮的设计的分析

2.1.1工作条件

发动机和飞机的起动系统、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[1]。

在整个飞行过程中，齿轮传动都必须可靠地工作，以保证发动机和飞机所有附件的转速、转向和所需功率符合设计要求。

随着航空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。

2.1.2失效形式

轮轴在转动时主要承受剪切应力，交变弯曲应力，传递动载荷等工作，受到多次冲击应力。

在工作过程中，由于不同的应力作用，导致不同的失效形式，主要有疲劳磨损，裂纹，表面点蚀，弯曲疲劳折断，冲击折断,内齿圈断裂、齿轮断齿、齿面剥落齿等。

2.1.3性能要求

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。

2.2钢种材料

12CrNi3A钢属于合金渗碳钢，比12CrNi2A钢有更高的淬透性，因此，可以用于制造比12CrNi2A钢截面稍大的零件。

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%。

另外，钢退火后硬度低、塑性好，因此，既可以采用切削加工方法制造模具，也可以采用冷挤压成型方法制造模具。

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。

12CrNi3A高级渗碳钢的淬透性较高,退火困难,一般采用调质处理，使硬度降低到35HRC以下,改善切削加工性能。

由于不渗碳表面未经镀铜防渗,因此渗碳后进行高温回火,降低硬度,便于切去不渗碳表面的渗碳层。

材料加工成航天发动机齿轮需进行复杂的化学热处理，使心部硬度为HRC31～HRC41，表面硬度不低于HRC60，从而使齿轮表面有较高硬度，心部呈现一定的韧性，以适应齿轮的工作环境；并且严格规定了表层的含碳量、组织均匀性、晶粒度及化学热处理等[2]。

3设计说明

3.1加工工艺流程

航天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—精磨基准—磨齿。

12CrNi3A钢的化学成分见表3.1。

表212CrNi3A的化学成分（质量分数，%）

C

Si

Mn

P

S

Cr

Ni

Cu

0.10～0.17

0.17～0.37

0.30～0.60

≤0.025

≤0.025

0.60～0.90

2.75～3.15

≤0.03

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12CrNi3A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。

铬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【3】。

Ni也是12CrNi3A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。

3.2具体热处理工艺

3.2.1锻造工艺

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。

12CrNi3A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。

试样的终锻温度为850℃，锻后经880～920℃正火（空冷）和650～780℃退火（炉冷）处理。

锻造热处理温度见表3.2.

表3锻造热处理温度

始锻温度

终锻温度

正火温度

退火火温度

1180℃

850℃

880～920℃

650～780℃

3.2.2试样热处理工艺

锻件经退火后消除残余应力，而后进行粗车，然后进行调质处理。

当锻件的碳化物偏析比较严重，常规球化退火工艺效果不理想时,可采用锻后调质处理，即锻后稍作停留或在精加工前增加一道调质工序，也可利用锻后余热直接进行球化退火或循环球化退火。

调质处理后锻件能获得均匀细致的索氏体组织,不仅可保证工件最后淬火具有均匀的硬度,而且有利于淬火后减小工件的变形,增加工件的尺寸稳定性。

12CrNi3A齿轮试样经调质、感应加热淬火和低温回火后获得显微组织表面为细马氏体、残余奥氏体和碳化物，心部组织为回火索氏体。

回火后不仅消除了淬火时产生的残余应力，降低了脆性，防止变形和开裂，调整了强度，硬度，塑性和韧性，而且稳定了显微组织和工件尺寸，使其达到了使用性能和工艺要求。

3.2.3渗碳处理

调质完成后，对试样进行半精车，初磨基准线，开齿，磨齿。

对齿轮的半精车是使齿轮的表面精度逐渐接近零件的初步操作。

初磨基准线是为了确定好齿轮尺寸，为下一步的开齿和精加工做准备。

12CrNi3A合金钢渗碳处理一般在初磨之后，精磨之前。

其渗碳温度一般在900～920℃表面渗碳处理:

将含碳的钢放到碳势高的环境介质中,通过让活性高的碳原子扩散到钢的内部,形成一定厚度的碳含量较高的渗碳层,再经过淬火\回火,使工件的表面层得到碳含量高的钢,而心部因碳含量保持原始浓度而得到碳含量低的合金钢,合金钢的硬度主要与其碳含量有关,故经渗碳处理和后续热处理可使工件获得外硬内韧的性能.渗碳处理的作用是:

提高表面层的耐磨性,同时保持心部有高的耐冲击能力,即强韧性。

渗碳后的冷却方式一般采用空冷。

3.2.4淬火+低温回火热处理

钢的淬火与回火是热处理工艺中最重要，也是用途最广泛的工序。

淬火可以显著提高钢的强度和硬度。

为了消除钢的残留内应力，得到不同强度，硬度和韧性配合的性能，需要配以不同温度的回火。

所以淬火和回火又是不可分割的，紧密联系在一起的两种热处理工艺。

淬火的主要目的是使奥氏体化后的工件获得尽量多的马氏体，然后配以不同温度的回火获得各种需要的性能。

【3】

112CrNi3A齿轮的淬火。

淬火加热规范决定了奥氏体的实际晶粒度及碳化和合金元素的固溶度．对马氏体的形态及回火的性能（硬度、强度、塑性、回火稳定性、淬火回火时的体积变形）都有显著的影响。

当加热到Ac1温度（约810℃）以上时。

原始组织索氏体和碳化物转变为奥氏体和碳化物。

随着加热温度升高，合金碳化物继续向奥氏体中溶解．增加了奥氏体中C和Cr的浓度，淬火马氏体的硬度增加，其耐磨性也越强，冲击韧度逐渐升高。

12CrNi3A齿轮的淬火在井式炉中加热至930±10℃滴注甲醇或煤油渗碳，时间为4h，降温至800±10℃，保温0.5h,直接淬冷于油槽中。

②12CrNi3A齿轮的低温回火。

低温回火的温度为200℃，保温1h。

回火中的主要组织为回火马氏体。

回火马氏体既保持了钢的高硬度，高强度和良耐磨性，又适当提高了韧性。

经淬火并低温回火后得到隐晶回火马氏体和均匀细小的粒状碳化物组织，具有很高的硬度和耐磨性，同时降低了钢的淬火应力和脆性【3】。

3.2.5物理性能工艺

12CrNi3A钢属于合金渗碳钢，比12CrNi2A钢有更高的淬透性，因此，可以用于制造比12CrNi2A钢截面稍大的零件。

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%。

另外，钢退火后硬度低、塑性好，因此，既可以采用切削加工方法制造模具，也可以采用冷挤压成型方法制造模具。

4、分析与讨论

12CrNi3A钢在860℃第一次淬火加热时，碳化物的熔解少，基体的含碳量在0.10%~0.17%左右，Cr在0.6%~0.9%，硫和磷的碳化物熔解更少，Ni为主要元素。

12CrNi3A钢齿轮由900℃～920℃渗碳→650℃～700℃回火（高温）→780℃～800℃油淬→（-40℃）～（-70℃）冰冷处理→150℃～200℃回火（低温）后，渗碳层硬度HRC≥58。

渗碳层碳化物扩散层较浅，约0.15mm。

淬透性d≤50mm，心部组织较粗大。

16X3HBMФσ钢齿轮由930℃～950℃渗碳→650℃～680℃回火→900±20℃油淬→（-70℃）冰冷处理→250℃～350℃回火后，渗碳层硬度HRC≥6l（渗碳层接触强度极限约为1569MPa）。

渗碳层碳化物扩散层较深，约0.30mm～0.45mm，渗碳层硬度由表及里递减平缓，心部组织较细小。

明显的变形量产生于热处理工序，尤其是在渗碳淬火冷却过程中，渗碳淬火处理时，稍有不慎会受到一些不良因素的影响，使工艺加工质量出现异常波动，未及时发现就可能造成这一天加工的整批齿轮变形超差，甚至全部报废。

需要着重控制的几个主要因素是：

①渗碳齿轮的表面碳浓度，渗层深度会对渗层组织的膨胀系数产生影响，渗碳齿轮的表面碳浓度、渗层深度不同时，其公法线的变形就不一样。

如果渗碳时不对炉气碳势及工艺过程进行严格控制，每炉零件的表面碳浓度、渗层深度都不一样．而且波动很大，就会造成齿轮变形没有规律。

②装炉方式：

工件各部位冷却的不同步，决定了工件存在内应力，在一定条件下会产生变形。

③淬火温度：

共渗温度与淬火温度对变形有很大影响，共渗温度与淬火温度越高，花键孔的收缩量越大，且淬火温度的影响更明显。

这是因为淬火温度越高，产生的组织应力越大、变形越大，但淬火温度不宜过低，否则共渗层会出现非马氏体组织，对零件的性能不利。

④淬火介质：

淬火介质的冷却特性是影响齿轮缩孔的重要因素。

如果能合理地选择淬火介质，可把淬火齿轮的缩孔控制在工艺，条件规定的范围内。

通过长期摸索，得到合适的热处理工艺，可以将变形量控制到最小[4]。

5、结束语

通过分析可知，12CrNi3A钢经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。

目前导致模具损坏的因素很多，但主要的还是锻造工艺或热处理工艺不尽合理而造成的。

零件的综合性能处理与组成其本身的元素基体外，最主要的影响因素是热处理工艺。

通过良好的热加工工艺，可以有效的将合金材料的综合性能提高。

从而使零件的寿命得以延长，从而获得更好的效益。

6、热处理工艺卡片

零件名称：

12CrNi3A航天发动机齿轮

热处理工艺卡

处理要求：

下料、锻造、退火、机械加工、渗碳，高温回火，机加工，淬火+低温回火、平磨、线切割加工、组装

热处理技术要求：

恰当控制温度和时间

硬度：

大于等于56HRC

材料：

12CrNi3A

工序号

名称

设备

工具

装料

工艺规范

冷却

备注

工具数量

一工具装数量/

件

温度/℃

加热时间

保温时/h间

合计

介质

温度/℃

1

预加热

1000~1050

--

--

--

炉冷

2

锻造温度

1180

5min

1

1h

油，盐浴

3

正火温度

920±10

--

2h

2h

空气

4

退火温度

660~780

2h

2h

炉冷

5

渗碳温度

900~920

4h

0.5h

4.5h

空冷

6

高温回火

650~700

1h

1h

空冷

7

淬火温度

860

油淬

8

低温回火

200

2h

2h

水冷

参考文献

[1]陈光等.航空燃气涡轮发动机结构设计.北京：

北京航空学报出版社，1988

[2]徐颖强.赵宁.吕国志.航天硬化齿轮材料性能研究.机械科学技术，2002,21（4）:

602～606

[3]崔忠圻.覃耀春。

金属学与热处理，2007,5：

123～124，283～284.

[4]陈宗民．统计方法在铸造工序及产品质量中的应用[J].铸造设

备研究，2003，f51：

22～25．