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渤海船舶職業(yè)學院（畢業(yè)論文）專用紙 渤海船舶職業(yè)學院 畢業(yè)設計（論文） 題目：42CrMo齒輪傳動軸的熱處理工藝 系：材料工程系 專業(yè)：金屬材料與熱處理 姓名： 吳超 指導教師：王學武 班級：11G541 評閱教師： 學號： 17 完成日期： 19 42CrMo齒輪傳動軸的熱處理工藝 摘要：本文闡明42CrMo齒輪傳動軸熱處理工藝路線的選用及工藝參數的確定，具體包括，材料的選擇、正火、調制處理、低溫回火及齒輪的感應淬火等工藝內容。滿足軋機齒輪傳動軸的基本技術要求。熱處理工藝的制定有利于提高傳動軸的質量及加工效率。 關鍵詞：42CrMo齒輪傳動軸；調制處理；感應淬火 目 錄 2 42CrMo齒輪傳動軸熱處理工藝設計 5 2.1 齒輪傳動軸的服役條件、失效形式及性能要求 5 2.1.1 服役條件、失效形式 5 2.1.2 性能要求 5 2.2 齒輪軸材料的選擇 5 2.3 42CrMo齒輪傳動軸的熱處理工藝設計 6 2.3.1 42CrMo的工藝流程 6 2.3.2 42CrMo鋼的熱處理工藝設計 7 （1）預備熱處理工序--正火 7 感應加熱淬火工藝原理 10 2.4選擇設備 11 2.6 42CrMo齒輪傳動軸熱處理質量檢驗項目、內容及要求 13 2.8 42CrMo齒輪傳動軸熱處理常見缺陷的預防和補救方法 14 2.8.1加熱時常見的缺陷的預防及補救方法 14 （1）過熱現象及其預防、補救 14 2.8.2調質時常見的缺陷的預防及補救方法 15 2.8.3感應加熱淬火缺陷與預防、補救 16 3.結論 17 4.致謝 18 5.參考文獻 20 1齒輪傳動軸熱處理概述 齒輪傳動軸是軋機中重要的傳動部分,主要承受交變載荷，沖擊載荷，剪切應力和接觸應力大。軸部易產生裂紋，齒部易磨損。因此對齒輪軸的心部要求有一定的強度和韌性，有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力。表面還應具有一定的硬度和耐磨性。為了滿足這些性能要求，材料要有很好的力學性能，常采用42CrMo鋼經正火，調質，感應加熱淬火加低溫回火已達到所要求的性能。 42CrMo為中碳合金鋼，預備熱處理是正火，主要目的是為了獲得一定的硬度，便于鋼坯的切削加工，為調質做好組織準備。調質的目的是為了提高軋機齒輪傳動軸的綜合力學性能。中頻感應加熱表面淬火是使零件表面得到高的硬度和耐磨性，而心部仍保持一定的強度及較高的塑性、韌性。 通過對42CrMo鋼熱處理工藝的分析，就是通過正確的熱處理工藝，達到所需要的性能，保證質量。 根據齒輪傳動軸的工作條件，失效形式及性能要求，大部分材料選擇為合金中碳鋼，本設計借鑒了《熱處理實用數據速查手冊》，《鋼的熱處理》，《機床零件用鋼》，《金屬工藝學》等。根據工藝設計的理論基礎設定了完整的熱處理工藝流程，使熱處理的42CrMo中碳合金結構鋼表面除具有高硬度，高耐磨性外，高的疲勞強度，在高溫下的強度，還要使心部具有高的的強度和韌性，從而滿足齒輪軸的質量要求。 2 42CrMo齒輪傳動軸熱處理工藝設計 2.1 齒輪傳動軸的服役條件、失效形式及性能要求 2.1.1 服役條件、失效形式 齒輪傳動軸在轉動時主要承受剪切應力，交變彎曲應力，傳遞動載荷等工作，受到多次沖擊應力。在工作過程中，由于不同的應力作用，導致不同的失效形式，主要有疲勞磨損，裂紋，表面點蝕，彎曲疲勞折斷，沖擊折斷等。 2.1.2 性能要求 （1）具有高的疲勞極限 （2）具有高的抗彎強度 （3）具有較高的韌性 （4）具有高的耐磨性 （5）具有抗多次沖擊能力 （6）具有高溫下的高強度 （7）具有一定的精度 2.2 齒輪軸材料的選擇 齒輪傳動軸材料的選用根據齒輪傳動軸的工作條件，要求以及性能來確定。 根據要求42CrMo鋼的性能符合度非常好，其經過正火，調質，感應加熱淬火加低溫回火后表面硬度可達HRC50的高硬度，表面耐磨性好，心部硬度可達HRC35~45。42CrMo鋼，具有高強度和高韌性，淬透性好，調質后有較高的疲勞極限和抗多次沖擊的能力。淬火時變形小，高溫時具有高的蠕變強度和持久強度，且無明顯的回火脆性。 42CrMo鋼中含有的合金元素Cr，Mo。其中鉻能增加鋼的淬透性并有二次硬化作用?？商岣咛间摰挠捕群湍湍バ? 而含量超過12%時。使鋼有良好的高溫抗氧化性和耐氧化性介質腐蝕的作用。鉻在調質結構鋼中的主要作用是提高淬透性。使鋼經淬火回火后具有較好的綜合力學性能，在滲碳鋼中還可以形成含鉻的碳化物，從而提高材料表面的耐磨性。而鉬在鋼中能提高淬透性和熱強性。在調質鋼中，鉬能使較大斷面的零件淬深、淬透，提高鋼的抗回火性或回火穩(wěn)定性，使零件可以在較高溫度下回火，從而更有效地消除（或降低）殘余應力，提高塑性。所以在生產中常常選用42CrMo作為軋機齒輪傳動軸的材料。其綜合力學性能優(yōu)良符合質量要求。 表1 42CrMo鋼的化學成分 化學成分(質量分數）% C Si Mn P S Cr Ni Cu Mo 42CrMo 0.42 0.27 0.65 0.005 0.005 1.10 0.005 0.005 0.20 2.3 42CrMo齒輪傳動軸的熱處理工藝設計 2.3.1 42CrMo的工藝流程 （1）加工路線 備料→鍛造→正火→粗、半精加工→制齒→調質→感應加熱淬火、低溫回火→精機加工磨齒。 （2）鍛造工藝設計 鍛造齒輪傳動軸的毛坯經過鍛造后獲得基本的形狀。鍛造是利用鍛壓機械對金屬坯料施加壓力，使其產生塑性變形，已獲得具有一定機械性能、一定形狀和尺寸的鍛件的加工方法。查閱《熱處理工藝規(guī)范數據手冊》可以找出42CrMo鋼的鍛造工藝的加熱溫度、始鍛溫度冷卻方式，本設計具體的鍛造工藝參數如表2所示。 表2 42CrMo鋼的熱加鍛造工藝規(guī)范 項目 Ac1 Ac3 加熱溫度 始鍛溫度 終鍛溫度 鋼坯 730℃ 800℃ 1150～1200℃ 1130～1180℃ ＞850℃ 經鍛造后其最大直徑約為80mm，采用緩冷。 圖2 42CrMo齒輪傳動軸示意圖 2.3.2 42CrMo鋼的熱處理工藝設計 （1）預備熱處理工序--正火 一般均安排在毛坯生產之后，切削加工之前，或粗加工之后，半精加工之前。正火的目的是為了細化晶粒、改善組織，提高切削加工性能，為淬火和最終熱處理做好準備。 通常對于亞共析鋼正火的加熱溫度通常為Ac3以上30～50℃,而對于中碳合金鋼的正火溫度正火溫度通常為Ac3以上50～100℃，。42CrMo的加熱溫度范圍為850～900℃。加熱溫度過低先共析鐵素體未能全部溶解而達不到細化晶粒的作用，加熱溫度過高會造成晶粒粗化惡化鋼的力學性能，所以我們可以選著870℃。保溫1小時。 正火工藝曲線如圖3所示。 870℃ 溫度/℃ 時間T 1h 空冷 圖3 42CrMo鋼熱處理正火工藝曲線 （2）42CrMo鋼的調質處理 淬火后高溫回火的方法為調質。調質可以使鋼的性能，材質得到很大程度的調整，其強度、塑性和韌性都較好，具有良好的綜合機械性能。調質處理后得到回火索氏體，Cr能增加鋼的淬透性，提高鋼的強度和回火穩(wěn)定性，具有優(yōu)良的機械性能。截面尺寸大或重要的調質工件，應采用42CrMo鋼工件淬火后油冷，42CrMo鋼的淬透性較好，在油中冷卻能淬硬，而且工件的變形、開裂傾向小。所以42CrMo鋼采用淬油，再回火處理。硬度可達HRC35-45。由亞共析鋼淬火溫度要求T=Ac3+30~50（℃）可得，淬火溫度T=830~850（℃），回火溫度達到480℃HRC 35-45 我們可以設定在840℃圖4為調質工藝曲線。 840℃ 480℃ 溫度/℃ 時間 油冷 空冷 1h 3h 圖4 42CrMo調質工藝曲線圖 （3）最終熱處理工序—感應加熱表面淬火、低溫回火 零件經調質后具有良好的綜合力學性能，但不滿足其工藝要求，所以要進行感應表面淬火已達到所要求的力學性能，感應加熱淬火后硬度較高，除磨削外不宜再進行其他切削加工，因此工序位置一般安排在半精加工后，磨削加工前。根據所要求的性能，可設定淬溫度T=900℃。不同鋼含碳量的硬度與回火溫度關系不同42CrMo在150~180℃回火可滿足使用要求。 圖5 為調質后感應淬火加低溫回火熱處理工藝曲線。 圖5 42CrMo鋼感應加熱淬火加回火工藝曲線 900℃ 150~180℃ 空冷 油 溫度/℃ 時間 3h 約35s 感應加熱淬火工藝原理 感應加熱淬火加熱速度快，淬火質量好，較一般淬火硬度高，得到極細馬氏體，且淬硬層深度易于控制，易實現機械化和自動化。 渦流在工件截面上的分布是不均勻的，心部幾乎等于零，而表面電流密度極大，稱為“集膚效應”，頻率愈高，電流密度極大的表面層愈薄。依靠這種電流和工件本身的電阻，使工件表面迅速加熱到淬火溫度，而心部溫度仍接近室溫，然后立即噴水冷卻，使工件表面淬硬。 （1）感應加熱淬火加頻率的選擇 感應加熱可分為三類： 　(1)高頻加熱 常用頻率為（200～300）KHZ，淬硬層深度為（0.5～2.5）mm。 　(2)中頻加熱 常用頻率為（2500～8000）HZ，淬硬層深度為（2～10）mm。 (3)工頻加熱 電流頻率為50HZ，不需要頻設備，城市用交流電即可，硬層深度為（10～20）mm以上，城市用交流電即。 根據工件尺寸可知，一般硬化層深δ＝（10～20）％Φ較為合適，其中Φ為工件的有效直徑，Φ=80mm可得δ≈8，所以我們選擇中頻感應加熱表面淬火。 （4）感應加熱淬火的目的 表面感應加熱淬火是為了使鋼件達到所要求的表面高硬度，高耐磨性，而心部保持較好的塑性和韌性，且呈現低的缺口敏感性，高的沖擊韌性和疲勞強度，已達到最優(yōu)的使用性能和工藝性能。 （3）回火的目的 42CrMo鋼經調質、感應加熱淬火和低溫回火后獲得顯微組織表面為細馬氏體、殘余奧氏體和碳化物，心部組織為回火索氏體?；鼗鸷蟛粌H消除了淬火時產生的殘余應力，降低了脆性，防止變形和開裂，調整了強度，硬度，塑性和韌性，而且穩(wěn)定了顯微組織和工件尺寸，使其達到了使用性能和工藝要求。 2.4選擇設備 （1）正火設備 本次熱處理根據工藝參數溫度可選用中溫箱式電阻爐。RX-45-9中溫箱式電阻爐 圖11 箱式電阻爐 （2）調質設備。 為方便操作也可選擇RX-45-9中溫箱式電阻爐淬火。回火時選用井式回火爐如圖12。 圖12 井式回火爐 （3）感應加熱淬火設備 GC-1205感應淬火電爐。 圖13 中頻感應淬火電爐 （4）回火設備 同樣，井式回火爐。 2.6 42CrMo齒輪傳動軸熱處理質量檢驗項目、內容及要求 （1）外觀形檢查 檢查工件表面有無腐蝕或氧化皮。不得有裂紋及碰傷，表面不得有銹蝕。 （2）工件變形檢查 根據圖樣技術要求檢查工件的撓曲變形、尺寸及幾何形狀的變化。 （3）淬硬層深度檢查 感應加熱淬火后應檢查淬硬層深度，42CrMo淬硬層深度應在8mm左右。 （4）硬度檢查 在淬火后檢查包括淬硬層表面及心部硬度，一般用洛氏硬度HRC標尺測量。42CrMo 鋼在調質,感應淬火，低溫回火后，表面硬度可達HRC50以上，心部硬度可達35~45。 （5）金相組織檢查 按技術要求檢查淬硬層的顯微組織：殘留奧氏體數量，有無反常組織，心部組織是否粗大及鐵素體是否超出技術要求等。 2.8 42CrMo齒輪傳動軸熱處理常見缺陷的預防和補救方法 2.8.1加熱時常見的缺陷的預防及補救方法 （1）過熱現象及其預防、補救 ?形成原因及防止措施 鋼在加熱過程中，由于加熱溫度過高或保溫時間過長，引起奧氏體晶粒粗大，即為過熱。防止措施主要是嚴格控制加熱溫度和保溫時間。 ?返修方法 可通過重新退火，正火或多次高溫回火來補救。 （2）過燒缺陷及其預防、補救 ?形成原因及防止措施 鋼加熱時，由于加熱溫度過高，造成晶界氧化或局部熔化的組織缺陷。防止過燒主要措施也是嚴格控制加熱溫度和加熱時間。 ?返修方法 工件過燒無法挽救只能報廢。 （3）組織粗大缺陷及其預防、補救 ?形成原因及防止措施 鋼加熱時，由于加熱溫度過高，形成魏氏體，或者加熱緩慢同樣奧氏體粗大。預防方法主要是采用適當溫度和冷卻速度。 ?返修方法 魏氏體可通過雙重正火消除。粗大的奧氏體可通過多次高溫回火消除。 （4）脫碳和氧化缺陷及其預防、補救 ?形成原因及防止措施 鋼加熱時，表層的碳與介質（或氣氛）中的氧、氫、二氧化碳和水蒸氣發(fā)生化學反應，降低了表層碳濃度成為脫碳。加熱時，鋼表層的鐵及合金與元素與介質（或氣氛）中的氧、二氧化碳、水蒸氣等發(fā)生反應生成氧化物膜的現象為氧化。 防止措施：工件表面涂料，用不銹鋼箔包裝密封加熱、采用鹽浴加熱、采用保護氣氛加熱等。 ?返修方法 只能加工前預防。 2.8.2調質時常見的缺陷的預防及補救方法 （1）淬火變形與裂紋缺陷及預防，補救 ?形成原因及防止措施 對合金鋼而言，由于其導熱性較差，若加熱速度太快，不僅零件變形大，甚至有開裂的危險。在冷卻過程中由于熱應力與組織應力的共同作用，零件常出現變形，有的甚至出現表面裂紋。熱應力是加熱或冷卻過程中，零件由表面至心部各層的加熱或冷卻速度不一樣造成的。淬火冷卻過程中零件表面存在的組織應力常為拉應力，它是在冷卻過程中零件由表層至心部各層奧氏體轉變?yōu)轳R氏體先后不一樣造成的。零件淬火后出現變形、開裂，熱處理工藝不當是重要因素。如加熱溫度過高造成奧氏體晶粒粗大，合金鋼加熱速度快造成熱應力加大，加熱時工件氧化、脫碳嚴重，以及冷卻介質選擇不當，工件入冷卻介質的方式不對等諸因素都會導致工件變形甚至開裂。但是在正常的淬火工藝下要從材質本身及前序冷熱加工中尋找原因，諸如鋼材內在夾雜物含量、化學成份、異常組織等超過標準要求，淬火之前工件表面存在裂紋、以及零件形狀分布不合理等因素都會導致淬火過程中零件變形甚至開裂。 防止淬火工藝過程零件變形、開裂的措施：a）正確選材和合理設計。對于形狀復雜、截面變化大的零件，應選用淬透性好的鋼材，以便采用較緩和的淬火冷卻方式。在零件結構設計中，應注意熱處理結構工藝性。b）淬火前進行相應的退火或正火，以細化晶粒并使組織均勻化，減少淬火內應力。c）嚴格控制淬火加熱溫度，防止過熱缺陷，同時也可減少淬火時的熱應力。d）采用適當的冷卻方法，如雙液淬火、馬氏體分級淬火或貝氏體等溫淬火。淬火后應立即回火，以消除應力，降低工件的脆性。 ?返修方法 無法補救。 （2）硬度不足或出現軟點缺陷及其預防、補救 ?形成原因及防止措施 經淬火后零件硬度偏低和出現軟點的主要原因是：亞共析鋼加熱溫度低或保溫時間不充分，淬火組織中有殘留鐵素體；加熱過程中鋼件表面發(fā)生氧化、脫碳，淬火后局部生成非馬氏體組織；淬火時，冷卻速度不足或冷卻不均勻，未全部得到馬氏體組織；淬火介質不清潔，工作表面不干凈，影響了工件的冷卻速度，致使未能全部淬硬。 防治措施：為防止淬火后零件硬度偏低最重要的是防止加熱時零件表面脫碳。其中最有效的辦法是采用鹽浴或可控氣氛或真空加熱。若在一般空氣電阻爐中加熱，在確保零件燒透及組織轉變的前提下力求盡量縮短加熱時間。 ?返修方法 回爐重新加熱回火。 （4）回火脆性缺陷及其預防、補救 ?形成原因及防止措施 主要原因是由于所選回火溫度不當，或回火冷卻速度不夠（第二類回火脆性）所致。防止回火脆性的出現應正確選擇回火溫度和冷卻方式。 ? 返修方法 一旦出現回火脆性，對于第一類回火脆性，只能通過加熱淬火，令選回火溫度回火：對于第二類回火脆性，可采取重新加熱回火，然后加速回火冷卻速度的方法消除。 2.8.3感應加熱淬火缺陷與預防、補救 （1）表層大量殘余奧氏體缺陷及其預防、補救 ?形成原因及防止措施 淬火溫度過高，奧氏體中碳及合金元素含量較高，降低直接淬火或重新加熱榨火的溫度。 ? 返修方法 冷處理； 高溫回火后，重新加熱淬火。 （2）硬化層過淺或過深其防止措施 1）形成原因 a）頻率選擇不合適。率過高，加熱深度越淺，則硬化層過淺。反之則硬化層過深。 b）加熱單位功率選擇不合適。位功率過高，加熱速度過快，表面熱量向里傳遞時間短，也會引起加熱深度淺，造成硬化層過；反之硬化層過深。 c)感應器與工件間隙不合適。感應器與工件間隙過小，渦流集中于表面，加熱深度過淺，則硬化層過淺；反之則硬化層過深。 d）加熱時間過短。熱量傳遞不足，加熱深度過淺，則硬化層過淺；反之則硬化層過深。 2) 防治措施 合理選擇頻率、單位功率；合理選擇加熱時間；調整間隙。 （3）硬化層不均勻及其預防 ?形成原因 同時加熱淬火時，工件位置偏心；感應器噴水孔不均勻；淬火機床不同心。 ? 防止方法 調整定位裝置，防止工件偏心；改善感應器噴水孔分布，使其分布均勻；調整淬火機床上、下頂針，使其對中。 3.結論 熱處理時，不可避免的就會發(fā)生變形，甚至是開裂，因此提高產品質量，降低廢品率，減小熱處理變形，防止開裂是關鍵。減小熱處理變形、防止開裂僅僅靠熱處理工作者是不夠的，要求設計人員充分考慮熱處理工藝性。冷熱加工要相互配合。在生產、設計過程中，綜合分析，找出問題的關鍵，抓住主要矛盾，采取有效措施，就能明顯減小熱處理變形，避免開裂，達到提高產品質量，降低消耗，增加經濟效益的目的。 4.致謝 大學三年學習時光已經接近尾聲，這三年是我人生中重要的三年，是難以忘卻的三年，是影響我一身的三年。在畢業(yè)即將來臨之際，心里的感激之情難以言表，我不能忘記在一起的老師和同學們，在此我想對我的母校，我的父母、親人們，我的老師和同學們表達我由衷的謝意。感謝我的家人對我大學三年學習的默默支持；感謝我的母校給了我來大學學習、深造的機會；感謝同學和老師們三年來的關心和鼓勵。老師課堂上的激情洋溢，課堂下的諄諄教導；同學們在學習中的熱情認真，生活上的熱心主動，所有這些都讓我的三年充滿了感動。 在此我要特別感謝王學武老師，感謝他們在忙碌的教學工作中抽出時間來審查、修改我的論文。 5.參考文獻 [1] 《熱處理實用數據速查手冊》葉衛(wèi)平，張覃鐵..北京:機械工業(yè)出版社,2010,11. [2] 《金屬材料及熱處理》趙忠，丁仁亮，周爾康.北京:機械工業(yè)出版社,2004. [3] 《機械工程材料》許德珠.北京:高等教育出版社,2001. [4] 《熱處理原理與工藝》侯旭明.北京.機械工業(yè)出版社，2010.8 [5] 《金屬材料學》文九巴.北京.機械工業(yè)出版社，2011.8 [6] 《 金屬熱處理工藝方法500種》.雷廷權.北京:機械工業(yè)出版社,1998,10.