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四．零件的技术要求及选材 1. 技术要求
20CrMnTi钢制成的高速高载齿轮技术要求如下：
齿表硬度：50～56 HRC 渗碳层深度为： 1.0～1.2 mm 2. 零件图
3. 化学成分及合金元素的作用
20CrMnTi钢的化学成分 C 0.17～0.23 S ≤0.035 化学元素作用
⑴ C：保证形成碳化物所需要的碳和保证淬火马氏体能够获得的硬度， ⑵ Si：硅能阻止碳化物形核长大，使“C”曲线右移，提高钢的淬透性，还能提高钢的抗回火性，提高对钢的综合机械性能。
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Si 0.17～0.37 P ≤0.035 Mn 0.80～1.10 Ni ≤0.30 Cr 1.00～1.30 Cu ≤0.30 Ti 0.04～0.10 机械学院 材料0801
⑶ Mn：主要作用是提高钢的淬透性，增加钢的强度和硬度，有脱氧及脱硫的功效（形成MnS），防止热脆。还可以改善渗碳层，有利于渗碳层增厚，增加奥氏体冷却时的过冷度，细化珠光体组织以改善机械性能。
⑷ Cr：能够提高钢的淬透性并有二次硬化作用，还是碳化物形成元素，提高回火稳定性，增加钢的耐磨性。
⑸ Ti：是强碳化物形成元素，在钢中生成MC型碳化物，对提高钢的耐磨性和细化晶粒有一定的好处。
⑹ S：S是钢中的杂质元素，能明显降低钢的热塑性，但是S能改善钢的可切削性能。
⑺ P：P是钢中的有害杂质元素，能降低钢的强度和韧性。
⑻ Ni：降低相变驱动力，使“C”曲线右移，Cr-Ni符合效果更好，提高钢的淬透性。
⑼ Cu：铜元素比较稳定，不易被氧化，所以含有的铜元素能起到耐腐蚀作用。
4. 所选材料的相变临界点 20CrMnTi钢的淬透性曲线如下图
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20CrMnTi 钢热处理的临界转变温度如下表格
钢号 20CrMnTi 临界温度（近似值）（℃） Ac1 715 Ac2 843 Ar1 625
五．热处理工艺
1. 所选工艺的目的 ⑴ 正火
正火：将钢加热到一定的温度930±10℃，在空气中冷却或者进行风冷，喷雾冷却的热处理工艺。正火工艺的加热温度要求足够高，一般要求得到均匀的单相组织。
正火的目的：降低硬度，改善加工性能，细化晶粒，改善力学性能，获得比较均匀的组织。 ⑵ 渗碳
渗碳：将低碳钢工件放在富碳气氛的介质中进行加热（温度一般为880~950℃），保温，使活性碳原子渗入工件表面，从而提高表层碳浓度的过程，工件的表面被碳所饱和而获得高碳的渗层组织。
渗碳的目的：改变了材料的表面特性，使钢的表面具有高的耐磨性、疲劳强度和抗弯强度，心部具有足够的强度和韧性。 ⑶ 淬火
淬火：将工件加热到860℃左右的温度，保温一定时间，使之全部或部分奥氏体化后以适当的方式冷却，获得马氏体或和贝氏体组织的热处理工艺。淬火是强化钢材，充分发挥钢材性能潜力的重要手段，通常需与回火配合使用，才能获得各类零件或工具的使用性能要求。
淬火的目的：使过冷奥氏体进行马氏体转变，得到马氏体组织。提高钢的力学性能，如强韧性、耐磨性。改善钢的物理、化学性能。 ⑷ 回火
回火：将钢加热带180℃的温度，保温一定时间然后冷却到室温，是不稳定的组织（淬火马氏体+残余奥氏体）转变为稳定组织（回火马氏体）的热处理
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工艺。
回火的目的：减少或消除齿轮的淬火应力，消除脆性，改善韧性、塑性，满足其力学性能要求。稳定组织和尺寸，使亚稳定的淬火马氏体和残余奥氏体进一步转变为稳定的回火组织。
2. 热处理工艺 ⑴ 正火
将材料为20CrMnTi钢的齿轮放进中温箱式炉加热到930±10℃，保温3个小时，使钢中达到完全奥氏体化，然后取出齿轮，在空气中冷却到室温。冷却后的组织是片状珠光体+铁素体。其目的是在于使齿轮的硬度降低，消除毛坯的锻造应力，均匀组织，改善切削加工性能，同时还为以后的热处理做好金相组织上的准备。钢中的S是杂质元素，能明显降低钢的热塑性，但是S能改善钢的可切削性能。正火还使钢中晶粒细化和碳化物分布均匀化。经正火后，齿轮的表面硬度为156～207HBW。 ⑵ 渗碳
渗碳淬火工艺过程中，要防止齿轮变形，要严格控制渗碳齿轮的表面碳浓度和渗层深度。因它们会对渗层组织的膨胀系数产生影响，渗碳后若表面形成不良碳化物分布，将增加齿形、齿向的变形,因此必须控制渗碳时的碳势，以防止表面碳浓度过高和碳量不均匀。渗碳层深度越厚,也将使畸变加大。表面含碳量影响渗碳淬火齿轮的淬透性，而材料的淬透性对组织、性能、畸变有直接的影响。因此应使渗碳层深度及其表面含碳量控制在合理适宜的范围内。齿轮渗碳的方法较多，常用气体渗碳,目前应用电解质气相离子(ECA)催渗技术控制渗碳变形也取得较好效果。现以可控井式炉中气体渗碳为例优化工艺，滴入煤油、苯、甲醇等渗碳剂，加热温度从一般采用的930℃。这些介质在高温下分解，产生活性碳原子，主要化学分解式如下：
2CO→[C]+CO2 CH4→2H2+[C]
活性碳原子溶入钢表面奥氏体中，并向内部扩散,最后形成一定深度的渗碳层。 一般渗碳层深度取决于保温时间，可按每小时渗入0.2mm～0.25mm的速度估算。
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渗碳时要控制渗碳的时间、活性碳的浓度,使表面的含碳量控制在0.80 %～1.0 %范围内，并从表面到心部逐渐减小，心部仍保持原来低碳钢的含碳量。渗碳的温度越高，时间越长，奥氏体晶粒越大，齿轮的畸变越大，把加热温度控制930℃左右，目的是控制奥氏体晶粒长大，获得细小的奥氏体晶粒，淬火后获得细小的马氏体组织。由于渗碳只改变工件表面的含碳量，要使渗碳齿轮表面具有高的硬度、高的耐磨性和心部良好韧性渗碳后必须进行热处理。 ① 渗碳剂的选择
滴注式气体渗碳的渗碳剂一般为甲醇（形成载气），煤油、丙酮、醋酸乙酯（形成富化气）等，作为渗碳剂的有机溶剂，要求其单位液体加热分解后能产生的气体体积大，碳氧比大，碳当量（产生1mol活性碳所需的有机液体的质量）小，气氛中的CO和H2的含量稳定，价格低廉、货源充足、安全性好。下表列出了几种常用作渗碳剂的几种有机溶剂的碳当量、碳氧比。
常用的有机液体的渗碳特性
名称 甲醇 以纯 丙酮 乙酸乙酯 分子式 CH3OH C2H5OH CH3COCH3 CH3COOC2H5 航空煤油、灯用煤油主要成分：C9～C14和C11～C17的烷烃 碳当量/g — 46 29 44 碳氧比 1 2 3 2 用途 稀释剂 渗碳剂 强渗碳剂 渗碳剂 煤油 — 强渗碳剂
煤油是传统的渗碳滴注剂，如图显示了煤油热分解气成分与稳定的关系。煤油价格低廉，渗碳能力强，但单独使用煤油渗碳会在高温裂解后产生大量CH4和[C]，炉内积碳严重，炉内气氛的成分和碳势不稳定，不易控制。现在，采用甲醇—煤油混合液作为渗碳滴注剂，其中甲醇是稀释剂，煤油是渗碳剂，可以明显的减少炭黑。为了保证甲醇和煤油裂解反应充分进行，应保证四个条件： 一是炉气静压＞1500Pa；二是滴注剂必须直接滴入炉内；三是加溅油板；四是滴注剂通过400～700℃温度区的时间≤0.07s。
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