20CrMnTi齿轮轴加工的热处理问题

我这里有一篇用20CrMnTi做差速器十字轴的论文，热处理部分发给你看下，希望对你有帮助

3.8热处理概述及作用

十字轴在工作时，四个行星齿轮在十字轴的轴颈处转动，因此对十字轴四个轴颈有很高的要求：表面硬度要高，有较高的耐磨性和疲劳强度；心部要有较好的塑性和韧性。十字轴的材料为20CrMnTi，是性能良好的渗碳钢，淬透性较高，经渗碳淬火后具有硬而耐磨的表面与坚韧的心部。因此，零件经过表面热处理，可以满足零件的要求。
热处理是指将金属或合金在固态下进行加热、保温和冷却，以改变其整体或表面组织，从而获得所需性能的一种工艺。
热处理不仅可以强化金属材料，充分发挥其内部潜力，提高或改善共建的使用性能和可加工性，而且还是提高加工质量延长工件使用寿命的重要手段，因此，凡是重要的机械零部件都要进行热处理。根据应用特点；常用的热处理工艺大致可以分为以下四大类：
（1）整体热处理是指对工件进行穿透性加热，以改善整体的组织和性能的热处理工艺，又分为退货、正火、淬火、回火、稳定化处理、水韧处理、固定处理+时效等。
（2）表面热处理是指进队工件表层进行热处理，以改变其组织和性能啊工艺，又分为表面淬火、物理气象沉淀、化学气象沉积、等离子化学气象沉积等四类。
（3）化学热处理是指将工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺，根据渗入成分的不同又分为渗碳、渗氮、碳氮共渗、氮碳共渗、渗其他金属或非金属、多元共渗、熔渗等。
（4）其他热处理包括可控气氮热处理、真空热处理和形变热处理等。
尽管热处理的种类很多，但任何一种热处理工艺都是由加热、保温、冷却三个基本阶段组成的，如图3-5为最基本的热处理工艺曲线组成。
图3-5 热处理工艺曲线图
本设计加工方案中为了提高行星齿轮轴的切削性能、可加工性和轴的工作寿命而涉及到了一些热处理方法，其中有正火、渗碳、淬火和磷化处理。
3.9正火处理
正火又叫常化，是将钢加热到AC3 （对于亚共析钢）以上30—500C，保温适当时间后，从炉中取出在空气中或喷水、喷雾或风冷却的金属热处理工艺。其目的是在于十字轴中的晶粒细化和碳化物分布均匀。正火与退火的不同点是正火冷却速度比退火冷却速度稍快，因而正火组织要比退火组织更细一些，其机械加工性能也有所提高。另外，正火炉外冷却不占用设备，生产率较高，因此生产中尽可能采用正火来代替退火。其加热温度范围如图3-6所示：
图3-6 正火及退火热处理温度范围
正火冷却速度比退火快；过冷温度较大，因此组织中珠光体的片间距更小，一般认为是索氏体，正火后的强度、硬度、韧性都高于退火切塑性基本不降低。
正火的主要目的是调整锻件和铸钢件的硬度、细化晶粒、消除网状渗碳体并为淬火做好组织准备。通过正火细化晶粒，钢的韧性可显著改善，对低碳钢正火可提高硬度以改善可加工性。
本设计运用正火热处理的主要作用有一下几个方面：
（1）去除材料应力；降低材料硬度；为接下来的加工做准备。
（2）改善低碳钢的切削工性能，对于Wc小于0.25%的20CrMnTi钢，切削加工时容易“粘刀”或断屑不良，通过正火可得到较多而细小的珠光体组织，使硬度提高至140-190HBW，接近于最佳切削加工硬度，改善可加工性。
（3）中碳结构钢件的预备热处理，中碳钢经正火后可有效地消除工件经热加工后产生的组织缺陷，获得细小的组织，以保证最佳热处理的质量。
（4）普通结构零件的最终热处理由于正火后的工件比退火状态具有更好的综合力学性能，对于一些受力不大性能要求不高的普通结构零件可将正火作为最终热处理，以减少工序、节约能源、调高生产效率。
（5） 消除对于过共析钢的碳化物，对于过共析钢在碳化前要进行球化退火，但当其中存在网状碳化物时，会造成球化不良。
（6）用于某些碳钢、低合金钢的淬化返修件以消除内应力和细化组织，防止重淬产生变形与开裂。
3.10渗碳
3.10.1渗碳概念
渗碳是对金属表面处理的一种，采用渗碳的多为低碳钢或合金钢；是将Wc=0.10%~0.25%的钢件在渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗入表层可使零件的表层和心部分别具有高碳和低碳组织，经随后的淬火+低温回火热处理后，使高碳钢和低碳钢的不同性能结合在一个零件上，主要用于表面受严重磨损并在较大冲击载荷、交变载荷下工作的零件。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表面获得很高的硬度，提高其耐磨程度。
渗碳方法：根据渗碳剂的状态的状态不同，渗碳方法分为气体渗碳、液体渗碳和固体渗碳三种，其中气体渗碳应用最广，而液体渗碳极少使用，各种渗碳方法工艺参数及优缺点和适用范围如下图：
表3-10 渗碳方法及优缺点和适用范围
渗碳方法
原理
渗碳过程
渗碳剂
渗碳厚度
渗碳温度
优缺点
适用范围
气体渗碳
指工件在含碳的气体中进行渗碳的工艺将
将工件装在密封的渗碳炉中，加热到900-9500C，向炉内滴入煤油等有机液体，在高温下分解成CO、CO2、H2及CH4等气体组成的渗碳气体，与其体接触时，便在工件表面下进行下列反应，生成活性碳原子：
2CO→[C]+CO2
CH4→[C]+2H2
CO+H2→[C]+H2O
以天然气、丙烷、丁烷等气体为主剂的渗碳法
0.5mm——2.5mm
900-9500C
是生产率高，劳动条件好，渗碳过程容易，控制容易实现机械化、自动化
用于大批量生产
固体渗碳
将工件放在填充粒状渗碳剂的密封箱中进行渗碳工艺。
将工件和渗碳剂装入渗碳箱中，密封后放入炉中加热到900-9500C保温渗碳工件表面下进行下列反应，生成活性碳原子：
2CO→[C]+CO2
CH4→[C]+2H2
CO+H2→[C]+H2O
以木炭为主剂的渗碳法
0.5mm——2.5mm
900-9500C保温渗碳
设备简单容易实现但生产率低劳动条件差质量不容易控制，加热用热源，可用电气、瓦斯、燃料油。大小工件均适，尤其对大形或需原渗碳层者有利，渗碳深度及表面碳浓度不易正确调节，有过剩渗碳的倾向。处理件变形大。
渗碳终了时，不易直接淬火，需再加热。作业环境不良，作业人员多
主要用于单件小批量生产
液体渗碳
将工作件浸渍於盐浴中行渗碳之方法
液体渗碳反应是利用氰化物（NaCN）分解，先在浴面与空气中的氧、水分、二氧化碳反应变成氰酸盐 2 NaCN + O2 = 2 NaCNO
NaCN + CO2= NaCNO + CO
4NaCNO =2NaCNO + Na2 CO3 + CO +2 N 5 NaCNO =3NaCNO + Na2 CO3 + CO2 + 2N
Fe + 2 CO= { Fe -C}+ CO2
Fe + N = {Fe- C }
以氰化钠（NaCN）为主剂之渗碳法
0.5mm——2.5mm
700℃以上
适中小量生产，设备费便宜，不需高度技术，容易均热、急速加热，可直接淬火，适小件、薄渗碳层处理件，渗碳均匀，表面光辉状态，不适於大形处理件的深渗碳，盐浴组成易变动，管理上麻烦，有毒、排气或公害问题应有对策，处理后，表面附著盐类不易洗净，易生锈，难以防止渗碳。有喷溅危险设备费昂贵，处理量少时成本高，需要专门作业知识
适小件、薄渗碳层处理件不适於大形处理件的深渗碳
综上所述本次设计对十字轴采用滴注式气体渗碳方法进行渗碳，在渗碳炉中渗碳温度应达到9300C，用木炭做主剂进行渗碳；渗碳厚度为0.9-1.3mm，的具体工艺工艺流程如下图：
（1）对渗碳炉进行各方面的检查，如管道、滴油器、排气管。
（2）升温：
炉子先升温，6000C启动风扇，8000C时滴注煤油。并一直升温到渗碳温度9300C。
（3）装炉：
装入工件应保证料筐中有充足的间隙，以便气体流通。料筐吊入炉膛，盖上炉盖，锁紧炉盖上的螺母，使炉盖密封。
（4）送电、升温、开风扇并开滴油器以160-190滴/分的速度，滴入炉内排气。同时点燃排气管，经30分钟后，炉内排气结束，火焰稳定，一般为90-110mm长，呈浅黄色。
（5）保温及强渗碳
炉温控制在9300C，滴油改为130-160滴/分，保温130分钟。
（6）扩散
改滴油为50-70滴/分，开始扩散，炉内保持9300C，保温70分钟。
（7）降温
温度降至830-8500C均热30分钟，停止供油，打开炉盖，出炉冷却。
3.10.2渗碳常见的缺陷及防止
1碳浓度过高
产生原因及危害：如果渗碳时急剧加热，温度又过高或固体渗碳时用全新渗碳剂，或用强烈的催渗剂过多都会引起渗碳浓度过高的现象。随着渗碳浓度过高，工作表面出现块状粗大的碳化物或网状碳化物。由于这种硬脆组织产生，使渗碳层的韧性急剧下降。并且淬火时形成高碳马氏体，在磨削时容易出现磨削裂纹。
防止的方法：
（1）不能急剧加热，需采用适当的加热温度，不使钢的晶粒长大为好。如果渗碳时晶粒粗大，则应在渗碳后正火或两次淬火处理来强化晶粒。
（2）严格控制炉温均匀性，不能波动过大。
2碳浓度过低
产生的原因及危害：温度波动很大或催化剂过少都会引起表面的碳浓度不足。最理想的碳浓度为0.9—1.0%之间，低于0.8%C，零件容易磨损。
防止的方法：渗碳温度一般采用920——9400C，渗碳温度过低就会引起碳浓度过低，且延长渗碳时间；渗碳温度过高会引起晶粒粗大。催化剂的用量不低于4%。
3渗碳后表面局部贫碳
产生原因及危害：木炭晶粒过大或夹杂有石块等杂质，或催化剂与木炭拌的不均匀，或工件表面所接触都会引起局部无碳或贫碳。工件表面的污染物也可引起贫碳。
防止办法：固体渗碳剂一定要按比例配制，搅拌均匀；装炉的工件注意不要有接触；去除表面污物。
4渗碳浓度加剧过渡
产生原因及危害：渗碳浓度突然过渡是表面与中心的碳浓度变化加剧，不是由高到低的均匀过渡，而是突然过渡。产生此缺陷的原因是渗碳剂的作用很强烈（如新配制的木炭，旧渗碳剂加的很少），同时钢中有Cr、Mn、Mo等合金元素是促使碳化物形成强烈，而造成表面高浓度，中心低浓度，并无过渡层。产生此缺陷后造成表里相当大的内应力，在淬火过程中或磨削过程中产生裂纹或剥落现象。
防止办法：渗碳剂新旧按规定配比制，使渗碳缓和。
5磨加工时产生回火及裂纹
产生原因及危害：渗碳层经磨削加工后表面引起软化的现象，称之为磨加工产生的回火。这是由于磨削时加工进给量太快，砂轮硬度和粒度或转速选择不当，或磨削过程中冷却不充分，都容易产生此类缺陷。这是因为磨削时的热量使表面软化的缘故。磨削时产生回火缺陷则零件耐磨性降低。
防止办法：淬火后必须经过充分或多次回火，消除内应力；采用40-60粒度的软质或中质氧化铝砂轮，磨削进给量不大；磨削时先开冷却液，并注意磨削过程中的充分冷却。
3.11淬火热处理
十字轴在工作时，四个行星齿轮在十字轴的轴颈处转动，因此对十字轴四个轴颈有很高的要求：表面硬度较高，有较高的耐磨性和疲劳强度；心部要有较好的塑性和韧性。十字轴的材料为20CrMnTi，是性能良好的渗碳钢，淬透性较高，经渗碳淬火后具有硬而耐磨的表面与坚韧的心部。渗碳后的十字轴表面化学成分接近于高碳钢。一次工件渗碳后还要经过淬火，以获得高的表面硬度、高的耐磨性和疲劳强度，并保持心部有低碳钢淬火后的强韧性，使工件能承受冲击载荷。表3-11是工件经过渗碳后进行淬火的几种方法及淬火后的组织性能特点和适用范围：
表3-11 渗碳方法
方法
温度
组织性能及特点
适用范围
直接淬火低温回火
850-880摄氏度
不能细化钢的晶粒，工件淬火变形较大，合金表面残余奥氏体多，表面硬度低
操作简单，成本低廉用来处理对变形和承受冲击载荷不大的零件，适用于气体渗碳和液体渗碳工艺
预冷直接淬火、低温回火
800-850摄氏度
可以减少工件淬火变形，渗碳层中残余奥氏体量也可稍有降低，表面硬度略有提高，使奥氏体晶粒没有变化
操作简单，工件氧化、脱碳及淬火变形均小，广泛应用于细晶粒钢制造的各种工具
一次加热淬火低温回火
820-850摄氏度或780-810摄氏度
对心部强度要求较高者，采用820-850摄氏度淬火，心部为低碳M，要求硬度高者，采用780-810摄氏度淬火可以细化晶粒
适用于固体渗碳后的碳钢和低合金钢工件、气体、液体渗碳的晶粒粒钢，某些渗碳后不宜直接淬火的工件及渗碳后需机械加工的零件
渗碳高温回火一次加热淬火低温回火
840-860摄氏度
高温回火使M和残余A分解，渗碳层中碳和合金元素以碳化物形式析出，便于淬火加工
主要用于Cr—Ni合金渗碳工件
二次淬火低温回火
第一次850-870摄氏度
第二次在Ac1-Ac3之间淬火
第一次淬火可以消除渗碳层网状碳化物及细化心部组织，第二次主要改善渗碳层组织
主要用于力学性能要求很高的重要渗碳件，特别是对粗晶粒粒钢。但在渗碳后需经过两次高温加热，使工件变形和氧化脱碳增加，热处理过程较复杂
二次淬火冷处理低温回火
高于Ac1或Ac3的温度淬火
淬火后高合金表层残余A较多经冷处理（-70/-80摄氏度）促使A转变从而提高表面硬度和耐磨性
主要用于渗碳后不进行机械加工的高合金钢工件
渗碳后感应加热淬火低温回火
可以细化渗层及靠近渗层处的组织淬火变形小，不允许硬化的部位不需要预先防渗
适用于各种齿轮和轴类
分析比较之后采用渗碳后感应加热淬火低温回火方式进行渗碳处理方式；感应淬火是利用感应电流通过工件所产生的热效应，使工件表面加热并进行快速冷却的淬火工艺。
感应加热表面淬火原理：
感应线圈中通以交流电时，即在其内部和周围产生一与交流电相同频率的交变磁场。若把工件置于磁场中，则在工件内部产生感应电流，并由于电阻的作用被加热。由于交流电的集肤效应，靠近工件表面的电流密度大，而中心几乎为零。工件表面温度快速升高到相变点以上，而心部温度仍在相变点以下。感应加热后，采用水、乳化液或聚乙烯醇水溶液喷射淬火，淬火后进行180-200摄氏度低温回火，以降低淬火应力，并保持高硬度和高耐磨性。感应表面淬火加工原理图如图3-6所示：
图3-7 感应表面淬火加工原理图
由于零件的尺寸较小，淬硬深度在0.2-2mm范围内，因此采用高频感应加热方式。高频感应加热频率为100-1000KHZ。
根据高频感应加热公式：
δ=20/f1/2
式中，f—为频率单位KHZ；
δ—为加热深度，单位为mm；
零件表面渗碳层深度为1.22-1.62mm，取δ　=1.4mm
所以，
F=（20/δ）2=（20/1.4）2=204.08（KHZ）
热处理工艺：淬火前先进行渗碳处理，渗碳温度为920-940摄氏度。淬火时专用高频淬火设备，加热频率为205KHZ，高频加热至830-870摄氏度直接淬火（乳化液淬），淬火后再在180-2000C回火。
3.12磷化处理
3.12.1磷化处理的原因与作用
1原因：
十字轴在工作过程中，行星齿轮安装在四个轴颈上，行星齿轮在轴颈上转动，这样行星齿轮与十字轴就会产生摩擦。十字轴经过磷化处理后，在轴颈表面上就会产生一层磷化膜，这层磷化膜可起到减摩作用，同时磷化膜在行星齿轮转动时还起到润滑作用。
2磷化膜的作用：
给基体金属提供保护，在一定程度上防止金属被腐蚀；用于涂漆前打底，提高漆膜层的附着力与防腐蚀能力；在金属冷加工工艺中起减摩润滑使用。
3.12.2磷化原理
（1）工件（钢铁或铝、锌件）浸入磷化液[由Fe(H2PO4)2 Mn(H2PO4)2 Zn(H2PO4)2 组成的酸性稀水溶液，PH值为1-3，溶液相对密度为1.05-1.10，在表面沉积形成一层不溶于水的结晶型磷酸盐转换膜的过程，称之为磷化。
（2）磷化膜的生成反应如下：
（3）金属的溶解过程
（4）当金属浸入磷化液中时，先与磷化液中的磷酸作用，生成一代磷酸铁，并有大量的氢气析出。其化学反应为；
（5）Fe+2H3PO4=Fe (H2PO4)+2H2↑ （1）
（6）上式表明，磷化开始时，仅有金属的溶解，而无膜生成。
（7）促进剂的加速
（8）上步反应释放出的氢气被吸附在金属工件表面上，进而阻止磷化膜的形成。因此加入氧化型促进剂以去除氢气。其化学反应式为：
（9）3Zn(H2PO4)2+Fe+2NaNO2=Zn3(PO4)2+2FePO4+N2↑+2NaH2PO4+4H2O （2）
（10）上式是以亚硝酸钠为促进剂的作用机理。
（11）水解反应与磷酸的三级离解
（12）磷化槽液中基本成分是一种或多种重金属的酸式磷酸盐，其分子式Me(H2PO4)2，这些酸式磷酸盐溶于水，在一定浓度及PH值下发生水解泛音法，产生游离磷酸：
（13）Me(H2PO4)2=MeHPO4+H3PO4
（14）3MeHPO4=Me3(PO4)2+H3PO4
（15）H3PO3=H2PO4+H+=HPO42+2H+=PO43+3H+
（16）由于金属工件表面的氢离子浓度急剧下降，导致磷酸根各级离解平衡向右移动，最终成为磷酸根。
（17）磷化膜的形成
（18）当金属表面离解出的三价磷酸根与磷化槽液中的（工件表面）的金属离子（如锌离子、钙离子、锰离子、二价铁离子）达到饱和时，即结晶沉积在金属工件表面上，晶粒持续增长，直至在金属工件表面上生成连续的不溶于水的黏结牢固的磷化膜。
（19）2Zn2++Fe2++2PO43++4H2O→Zn2Fe (PO4)2•4H2O↓
（20）3Zn2++2PO42++4H2O=Zn3 (PO4)2•4H2O ↓
（21）金属工件溶解出的二价铁离子一部分作为磷化膜的组成部分被消耗掉，而残留在磷化槽液中的二价铁离子，则氧化成三价铁离子，发生化学反应，形成的磷化沉渣其主要成分是磷酸亚铁，也有少量的Me3(PO4)2。
3.12.3磷化处理的工艺流程
（1）磷化工艺流程一般为：脱脂→水洗→除锈→表调→磷化→水洗→烘干。
（2）磷化前的处理：脱脂和除锈
（3）脱脂 零件在切削加工时要接触乳化液，热处理时可能接触冷却油，零件上还经常有操作者手上的油迹和汗迹，零件上的油脂还总是和灰尘等杂质掺和在一起的。零件上的油脂不仅阻碍了磷化膜的形成，而且在磷化后进行涂装时会影响涂层的结合力、干燥性能、装饰性能和耐蚀性。所以要脱去金属表面的油脂。脱脂是依靠脱脂剂对污物的溶解作用，皂化作用，依靠表面活性剂对污物的润湿、渗透、分散等物理作用等等，使污物成为可溶解的或可分散的。但还必须使污物离开金属表面，而让新的清洗剂占据表面，这样金属表面才能达到清洁。因固体表面有相对稳定的液膜，溶解后的污物自动离开金属表面以及表面上清洗剂的更新等都不是很容易的。这就要求加以搅拌、擦拭等方式，以完成清洗过程或提高清洗效果等。
（4）除锈、除氧化皮 钢铁热加工时受氧化产生硬而脆的氧化皮，零件在经过热处理，以及在加工过程中会产生局部温度过高的情况，这都会产生氧化皮。零件在存储过程中会发生电化学反应，在表面会形成氧化膜，称为锈 。一般采用化学方法除去这一层氧化皮，主要采用酸洗法。
3.12.4磷化及磷化后的处理
油脂和氧化皮除去后便可以进行磷化处理。磷化处理后还要进行钝化处理和烘干，这都可以提高零件的耐蚀性，便于存储。

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