20CrMnTi钢渗碳齿轮轴轴热处理工艺

来源:金属材料及热处理作者:夏立芳

摘要:通过对齿轮轴轴工作条件的分析,提出工艺要求并选定材料为20CrMnTi。然后通过锻造.940±10℃正火.900~920℃渗碳+淬火以及180±10℃回火等一系列工艺,最终得到满足工艺要求的齿轮轴轴。

关键词:20CrMnTi   齿轮轴轴   热处理

前言:减速箱上的一些零件既要求表面有较高的硬度,保持高的耐磨性,又要求零件的心部有较高的韧性,以确保整个零件获得足够大的强度,因此该零件大多采用低碳钢或低碳合金钢制造。齿轮轴轴是减速箱结构中的重要零件,担负着传递动力`改变运动速度和运动方向的任务。根据齿轮轴轴工作的特点,应选用低碳合金钢或中碳钢等,齿轮轴轴经过正火或调质,最后进行渗碳或化学热处理,既保证了齿轮轴区基体组织的综合力学性能,又增加了齿轮轴轴的耐磨性`抗咬合性,提高了齿轮轴轴的疲劳强度和冲击韧性,延长了齿轮轴轴的使用寿命。

一.齿轮轴轴工作条件和性能要求

减速箱中齿轮轴轴,担负着传递动力`改变运动速度和运动方向的任务。在速度变化和承受载荷时通常受到弯曲应力,摩擦应力,扭转应力等。与齿轮轴配合带动其它机件运动和向外输出动力(功率)。

对于轴部分来说,传递动力过程中主要承受弯曲——扭转载荷和一定的冲击载荷的作用,要求有较高的静扭转强度和扭转疲劳寿命,良好的耐疲劳性能及冲击韧性。通常在齿轮轴和轴的交界部位会产生应力集中,在长期的运转和工作当中,在应力集中区易产生疲劳破坏,因此,弯曲和疲劳断裂是齿轮轴轴的主要破坏形式。[4]

对于齿轮轴部分来说,其工作时通过齿面的接触来传递动力,其承受主要载荷作用在齿轮轴牙顶上,而齿根受到弯曲应力的作用,其周期性的变化应力使牙齿疲劳断裂或脆性折断,而齿面受到接触应力的作用,在压力过大而润滑又不充分时易发生粘着磨损,严重的会使齿面撕裂,因此受力状态十分复杂,必须经过化学热处理才能满足其工作要求。

对要求表面硬度高,而心部具有良好韧性的工件,如齿轮轴,齿轮轴轴,活塞销,以及其它轴类零件,一般采用低碳钢加工成型后对其进行渗碳处理。在工作过程中齿面的磨损最大,而且齿根承受变载后的冲击及周期性交变弯曲载荷,使用过程中有时出现脆性断裂或疲劳断裂,工作齿面受到较大的脉冲式接触压应力及摩擦应力作用,在传递动力的过程中既有滚动也有滑动,加上外来硬质点的磨损,因而会造成接触疲劳麻点急深层的快状剥落,另外在承载时受到变动的载荷扭矩和冲击作用,使齿端损坏。归纳起来有三种应力的作用,即弯曲应力,摩擦应力和接触应力。

齿轮轴的主要失效形式为断齿、磨损、疲劳断裂及齿面蚀坑等,一般具体表现如下。

①齿轮轴齿面磨损。是指在咬合过程中,齿面上会产生很大的压强,使其表面发生了塑性变形而变得凸凹不平,金属之间发生接触和黏合,齿轮轴在滑动过程中,二者之间产生磨损,因此又产生了新的摩擦力,齿面磨损是齿轮轴面相互摩擦的结果。

②弯曲疲劳断裂。是齿轮轴咬合在齿根部会受到最大振幅的脉动作用,或交变弯曲应力的作用,造成齿部的断裂。

③齿面磨损断裂。齿轮轴在工作过程中,由于齿面上的接触应力超过了材料本身的疲劳极限强度,会产生接触疲劳断裂。

④表面麻点剥落、浅层剥落和深层剥落等。[6]

综上所述,齿轮轴轴应具有以下的力学性能:

具有足够的强度,减少轴颈的翘曲变形,提高自抗震能力。

表面有高的硬度`弯曲疲劳强度`扭转强度和耐磨性。

良好的抗疲劳强度和冲击韧性,心部有最佳的强度和冲击韧性。

从齿轮轴轴的工作条件来看,在耐磨性`疲劳强度与心部强度`冲击韧性等方面配合要求比较高,在某种程度上高频淬火或调质很难满足使用要求,而渗碳钢经过渗碳`淬火和低温回火就能很好的保证工作的需要。因此,对齿轮轴轴进行表面处理,可提高表面硬度和耐磨性,同时耐腐蚀和疲劳强度明显提高。

齿轮轴轴渗碳的技术要求:表面含碳量为0﹒8﹪~1﹒05﹪,渗碳层厚度为0﹒9㎜~1﹒3㎜,渗碳淬火表面硬度不小于58~63HRC;低温回火表面硬度为58~64HRC,心部硬度为32~45HRC;变形量小和心部组织符合要求。

图() 齿轮轴轴零件图