齿轮传动轴的热处理工艺.doc

渤海船舶职业学院（毕业论文）专用纸渤海船舶职业学院毕业设计（论文） 题目：42CrMo齿轮传动轴的热处理工艺 系：材料工程系 专业：金属材料与热处理姓名： 吴超 指导教师：王学武班级：11G541 评阅教师：学号： 17 完成日期：1942CrMo齿轮传动轴的热处理工艺摘要：本文阐明42CrMo齿轮传动轴热处理工艺路线的选用及工艺参数的确定，具体包括，材料的选择、正火、调制处理、低温回火及齿轮的感应淬火等工艺内容。满足轧机齿轮传动轴的基本技术要求。热处理工艺的制定有利于提高传动轴的质量及加工效率。关键词：42CrMo齿轮传动轴；调制处理；感应淬火目 录2 42CrMo齿轮传动轴热处理工艺设计52.1 齿轮传动轴的服役条件、失效形式及性能要求52.1.1 服役条件、失效形式52.1.2 性能要求52.2 齿轮轴材料的选择52.3 42CrMo齿轮传动轴的热处理工艺设计62.3.1 42CrMo的工艺流程62.3.2 42CrMo钢的热处理工艺设计7（1）预备热处理工序-正火7感应加热淬火工艺原理102.4选择设备112.6 42CrMo齿轮传动轴热处理质量检验项目、内容及要求132.8 42CrMo齿轮传动轴热处理常见缺陷的预防和补救方法142.8.1加热时常见的缺陷的预防及补救方法14（1）过热现象及其预防、补救142.8.2调质时常见的缺陷的预防及补救方法152.8.3感应加热淬火缺陷与预防、补救163.结论174.致谢185.参考文献201齿轮传动轴热处理概述齿轮传动轴是轧机中重要的传动部分,主要承受交变载荷，冲击载荷，剪切应力和接触应力大。轴部易产生裂纹，齿部易磨损。因此对齿轮轴的心部要求有一定的强度和韧性，有较高的疲劳极限和抗多次冲击能力。表面还应具有一定的硬度和耐磨性。为了满足这些性能要求，材料要有很好的力学性能，常采用42CrMo钢经正火，调质，感应加热淬火加低温回火已达到所要求的性能。42CrMo为中碳合金钢，预备热处理是正火，主要目的是为了获得一定的硬度，便于钢坯的切削加工，为调质做好组织准备。调质的目的是为了提高轧机齿轮传动轴的综合力学性能。中频感应加热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强度及较高的塑性、韧性。通过对42CrMo钢热处理工艺的分析，就是通过正确的热处理工艺，达到所需要的性能，保证质量。根据齿轮传动轴的工作条件，失效形式及性能要求，大部分材料选择为合金中碳钢，本设计借鉴了热处理实用数据速查手册，钢的热处理，机床零件用钢，金属工艺学等。根据工艺设计的理论基础设定了完整的热处理工艺流程，使热处理的42CrMo中碳合金结构钢表面除具有高硬度，高耐磨性外，高的疲劳强度，在高温下的强度，还要使心部具有高的的强度和韧性，从而满足齿轮轴的质量要求。2 42CrMo齿轮传动轴热处理工艺设计2.1 齿轮传动轴的服役条件、失效形式及性能要求2.1.1 服役条件、失效形式 齿轮传动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，冲击折断等。2.1.2 性能要求 （1）具有高的疲劳极限 （2）具有高的抗弯强度（3）具有较高的韧性 （4）具有高的耐磨性 （5）具有抗多次冲击能力（6）具有高温下的高强度 （7）具有一定的精度2.2 齿轮轴材料的选择齿轮传动轴材料的选用根据齿轮传动轴的工作条件，要求以及性能来确定。根据要求42CrMo钢的性能符合度非常好，其经过正火，调质，感应加热淬火加低温回火后表面硬度可达HRC50的高硬度，表面耐磨性好，心部硬度可达HRC3545。42CrMo钢，具有高强度和高韧性，淬透性好，调质后有较高的疲劳极限和抗多次冲击的能力。淬火时变形小，高温时具有高的蠕变强度和持久强度，且无明显的回火脆性。42CrMo钢中含有的合金元素Cr，Mo。其中铬能增加钢的淬透性并有二次硬化作用。可提高碳钢的硬度和耐磨性. 而含量超过12%时。使钢有良好的高温抗氧化性和耐氧化性介质腐蚀的作用。铬在调质结构钢中的主要作用是提高淬透性。使钢经淬火回火后具有较好的综合力学性能，在渗碳钢中还可以形成含铬的碳化物，从而提高材料表面的耐磨性。而钼在钢中能提高淬透性和热强性。在调质钢中，钼能使较大断面的零件淬深、淬透，提高钢的抗回火性或回火稳定性，使零件可以在较高温度下回火，从而更有效地消除（或降低）残余应力，提高塑性。所以在生产中常常选用42CrMo作为轧机齿轮传动轴的材料。其综合力学性能优良符合质量要求。 表1 42CrMo钢的化学成分化学成分(质量分数）%CSiMnPSCrNiCuMo42CrMo0.420.270.650.0050.0051.100.0050.0050.202.3 42CrMo齿轮传动轴的热处理工艺设计2.3.1 42CrMo的工艺流程 （1）加工路线 备料锻造正火粗、半精加工制齿调质感应加热淬火、低温回火精机加工磨齿。 （2）锻造工艺设计锻造齿轮传动轴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。查阅热处理工艺规范数据手册可以找出42CrMo钢的锻造工艺的加热温度、始锻温度冷却方式，本设计具体的锻造工艺参数如表2所示。表2 42CrMo钢的热加锻造工艺规范项目Ac1Ac3加热温度始锻温度终锻温度钢坯7308001150120011301180850经锻造后其最大直径约为80mm，采用缓冷。图2 42CrMo齿轮传动轴示意图2.3.2 42CrMo钢的热处理工艺设计 （1）预备热处理工序-正火一般均安排在毛坯生产之后，切削加工之前，或粗加工之后，半精加工之前。正火的目的是为了细化晶粒、改善组织，提高切削加工性能，为淬火和最终热处理做好准备。通常对于亚共析钢正火的加热温度通常为Ac3以上3050,而对于中碳合金钢的正火温度正火温度通常为Ac3以上50100，。42CrMo的加热温度范围为850900。加热温度过低先共析铁素体未能全部溶解而达不到细化晶粒的作用，加热温度过高会造成晶粒粗化恶化钢的力学性能，所以我们可以选着870。保温1小时。正火工艺曲线如图3所示。870温度/时间T1h空冷图3 42CrMo钢热处理正火工艺曲线 （2）42CrMo钢的调质处理淬火后高温回火的方法为调质。调质可以使钢的性能，材质得到很大程度的调整，其强度、塑性和韧性都较好，具有良好的综合机械性能。调质处理后得到回火索氏体，Cr能增加钢的淬透性，提高钢的强度和回火稳定性，具有优良的机械性能。截面尺寸大或重要的调质工件，应采用42CrMo钢工件淬火后油冷，42CrMo钢的淬透性较好，在油中冷却能淬硬，而且工件的变形、开裂倾向小。所以42CrMo钢采用淬油，再回火处理。硬度可达HRC35-45。由亚共析钢淬火温度要求T=Ac3+3050（）可得，淬火温度T=830850（），回火温度达到480HRC 35-45 我们可以设定在840图4为调质工艺曲线。 840480温度/时间油冷空冷1h3h图4 42CrMo调质工艺曲线图 （3）最终热处理工序感应加热表面淬火、低温回火零件经调质后具有良好的综合力学性能，但不满足其工艺要求，所以要进行感应表面淬火已达到所要求的力学性能，感应加热淬火后硬度较高，除磨削外不宜再进行其他切削加工，因此工序位置一般安排在半精加工后，磨削加工前。根据所要求的性能，可设定淬温度T=900。不同钢含碳量的硬度与回火温度关系不同42CrMo在150180回火可满足使用要求。图5 为调质后感应淬火加低温回火热处理工艺曲线。图5 42CrMo钢感应加热淬火加回火工艺曲线900150180空冷油温度/时间3h约35s 感应加热淬火工艺原理感应加热淬火加热速度快，淬火质量好，较一般淬火硬度高，得到极细马氏体，且淬硬层深度易于控制，易实现机械化和自动化。涡流在工件截面上的分布是不均匀的，心部几乎等于零，而表面电流密度极大，称为“集肤效应”，频率愈高，电流密度极大的表面层愈薄。依靠这种电流和工件本身的电阻，使工件表面迅速加热到淬火温度，而心部温度仍接近室温，然后立即喷水冷却，使工件表面淬硬。 （1）感应加热淬火加频率的选择 感应加热可分为三类： (1)高频加热 常用频率为（200300）KHZ，淬硬层深度为（0.52.5）mm。 (2)中频加热 常用频率为（25008000）HZ，淬硬层深度为（210）mm。 (3)工频加热 电流频率为50HZ，不需要频设备，城市用交流电即可，硬层深度为（1020）mm以上，城市用交流电即。根据工件尺寸可知，一般硬化层深（1020）较为合适，其中为工件的有效直径，=80mm可得8，所以我们选择中频感应加热表面淬火。 （4）感应加热淬火的目的表面感应加热淬火是为了使钢件达到所要求的表面高硬度，高耐磨性，而心部保持较好的塑性和韧性，且呈现低的缺口敏感性，高的冲击韧性和疲劳强度，已达到最优的使用性能和工艺性能。 （3）回火的目的42CrMo钢经调质、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。2.4选择设备 （1）正火设备本次热处理根据工艺参数温度可选用中温箱式电阻炉。RX-45-9中温箱式电阻炉图11 箱式电阻炉 （2）调质设备。为方便操作也可选择RX-45-9中温箱式电阻炉淬火。回火时选用井式回火炉如图12。图12 井式回火炉 （3）感应加热淬火设备GC-1205感应淬火电炉。图13 中频感应淬火电炉 （4）回火设备同样，井式回火炉。 2.6 42CrMo齿轮传动轴热处理质量检验项目、内容及要求 （1）外观形检查检查工件表面有无腐蚀或氧化皮。不得有裂纹及碰伤，表面不得有锈蚀。 （2）工件变形检查根据图样技术要求检查工件的挠曲变形、尺寸及几何形状的变化。 （3）淬硬层深度检查感应加热淬火后应检查淬硬层深度，42CrMo淬硬层深度应在8mm左右。 （4）硬度检查 在淬火后检查包括淬硬层表面及心部硬度，一般用洛氏硬度HRC标尺测量。42CrMo 钢在调质,感应淬火，低温回火后，表面硬度可达HRC50以上，心部硬度可达3545。 （5）金相组织检查按技术要求检查淬硬层的显微组织：残留奥氏体数量，有无反常组织，心部组织是否粗大及铁素体是否超出技术要求等。2.8 42CrMo齿轮传动轴热处理常见缺陷的预防和补救方法2.8.1加热时常见的缺陷的预防及补救方法 （1）过热现象及其预防、补救 形成原因及防止措施钢在加热过程中，由于加热温度过高或保温时间过长，引起奥氏体晶粒粗大，即为过热。防止措施主要是严格控制加热温度和保温时间。 返修方法可通过重新退火，正火或多次高温回火来补救。 （2）过烧缺陷及其预防、补救 形成原因及防止措施钢加热时，由于加热温度过高，造成晶界氧化或局部熔化的组织缺陷。防止过烧主要措施也是严格控制加热温度和加热时间。 返修方法工件过烧无法挽救只能报废。 （3）组织粗大缺陷及其预防、补救 形成原因及防止措施钢加热时，由于加热温度过高，形成魏氏体，或者加热缓慢同样奥氏体粗大。预防方法主要是采用适当温度和冷却速度。 返修方法魏氏体可通过双重正火消除。粗大的奥氏体可通过多次高温回火消除。 （4）脱碳和氧化缺陷及其预防、补救 形成原因及防止措施钢加热时，表层的碳与介质（或气氛）中的氧、氢、二氧化碳和水蒸气发生化学反应，降低了表层碳浓度成为脱碳。加热时，钢表层的铁及合金与元素与介质（或气氛）中的氧、二氧化碳、水蒸气等发生反应生成氧化物膜的现象为氧化。防止措施：工件表面涂料，用不锈钢箔包装密封加热、采用盐浴加热、采用保护气氛加热等。 返修方法只能加工前预防。2.8.2调质时常见的缺陷的预防及补救方法 （1）淬火变形与裂纹缺陷及预防，补救 形成原因及防止措施对合金钢而言，由于其导热性较差，若加热速度太快，不仅零件变形大，甚至有开裂的危险。在冷却过程中由于热应力与组织应力的共同作用，零件常出现变形，有的甚至出现表面裂纹。热应力是加热或冷却过程中，零件由表面至心部各层的加热或冷却速度不一样造成的。淬火冷却过程中零件表面存在的组织应力常为拉应力，它是在冷却过程中零件由表层至心部各层奥氏体转变为马氏体先后不一样造成的。零件淬火后出现变形、开裂，热处理工艺不当是重要因素。如加热温度过高造成奥氏体晶粒粗大，合金钢加热速度快造成热应力加大，加热时工件氧化、脱碳严重，以及冷却介质选择不当，工件入冷却介质的方式不对等诸因素都会导致工件变形甚至开裂。但是在正常的淬火工艺下要从材质本身及前序冷热加工中寻找原因，诸如钢材内在夹杂物含量、化学成份、异常组织等超过标准要求，淬火之前工件表面存在裂纹、以及零件形状分布不合理等因素都会导致淬火过程中零件变形甚至开裂。防止淬火工艺过程零件变形、开裂的措施：a）正确选材和合理设计。对于形状复杂、截面变化大的零件，应选用淬透性好的钢材，以便采用较缓和的淬火冷却方式。在零件结构设计中，应注意热处理结构工艺性。b）淬火前进行相应的退火或正火，以细化晶粒并使组织均匀化，减少淬火内应力。c）严格控制淬火加热温度，防止过热缺陷，同时也可减少淬火时的热应力。d）采用适当的冷却方法，如双液淬火、马氏体分级淬火或贝氏体等温淬火。淬火后应立即回火，以消除应力，降低工件的脆性。 返修方法无法补救。 （2）硬度不足或出现软点缺陷及其预防、补救 形成原因及防止措施经淬火后零件硬度偏低和出现软点的主要原因是：亚共析钢加热温度低或保温时间不充分，淬火组织中有残留铁素体；加热过程中钢件表面发生氧化、脱碳，淬火后局部生成非马氏体组织；淬火时，冷却速度不足或冷却不均匀，未全部得到马氏体组织；淬火介质不清洁，工作表面不干净，影响了工件的冷却速度，致使未能全部淬硬。防治措施：为防止淬火后零件硬度偏低最重要的是防止加热时零件表面脱碳。其中最有效的办法是采用盐浴或可控气氛或真空加热。若在一般空气电阻炉中加热，在确保零件烧透及组织转变的前提下力求尽量缩短加热时间。 返修方法回炉重新加热回火。 （4）回火脆性缺陷及其预防、补救 形成原因及防止措施主要原因是由于所选回火温度不当，或回火冷却速度不够（第二类回火脆性）所致。防止回火脆性的出现应正确选择回火温度和冷却方式。 返修方法一旦出现回火脆性，对于第一类回火脆性，只能通过加热淬火，令选回火温度回火：对于第二类回火脆性，可采取重新加热回火，然后加速回火冷却速度的方法消除。2.8.3感应加热淬火缺陷与预防、补救 （1）表层大量残余奥氏体缺陷及其预防、补救 形成原因及防止措施 淬火温度过高，奥氏体中碳及合金元素含量较高，降低直接淬火或重新加热榨火的温度。 返修方法冷处理；高温回火后，重新加热淬火。 （2）硬化层过浅或过深其防止措施 1）形成原因a）频率选择不合适。率过高，加热深度越浅，则硬化层过浅。反之则硬化层过深。b）加热单位功率选择不合适。位功率过高，加热速度过快，表面热量向里传递时间短，也会引起加热深度浅，造成硬化层过；反之硬化层过深。c)感应器与工件间隙不合适。感应器与工件间隙过小，涡流集中于表面，加热深度过浅，则硬化层过浅；反之则硬化层过深。d）加热时间过短。热量传递不足，加热深度过浅，则硬化层过浅；反之则硬化层过深。 2) 防治措施合理选择频率、单位功率；合理选择加热时间；调整间隙。 （3）硬化层不均匀及其预防 形成原因 同时加热淬火时，工件位置偏心；感应器喷水孔不均匀；淬火机床不同心。 防止方法调整定位装置，防止工件偏心；改善感应器喷水孔分布，使其分布均匀；调整淬火机床上、下顶针，使其对中。 3.结论热处理时，不可避免的就会发生变形，甚至是开裂，因此提高产品质量，降低废品率，减小热处理变形，防止开裂是关键。减小热处理变形、防止开裂仅仅靠热处理工作者是不够的，要求设计人员充分考虑热处理工艺性。冷热加工要相互配合。在生产、设计过程中，综合分析，找出问题的关键，抓住主要矛盾，采取有效措施，就能明显减小热处理变形，避免开裂，达到提高产品质量，降低消耗，增加经济效益的目的。4.致谢大学三年学习时光已经接近尾声，这三年是我人生中重要的三年，是难以忘却的三年，是影响我一身的三年。在毕业即将来临之际，心里的感激之情难以言表，我不能忘记在一起的老师和同学们，在此我想对我的母校，我的父母、亲人们，我的老师和同学们表达我由衷的谢意。感谢我的家人对我大学三年学习的默默支持；感谢我的母校给了我来大学学习、深造的机会；感谢同学和老师们三年来的关心和鼓励。老师课堂上的激情洋溢，课堂下的谆谆教导；同学们在学习中的热情认真，生活上的热心主动，所有这些都让我的三年充满了感动。在此我要特别感谢王学武老师，感谢他们在忙碌的教学工作中抽出时间来审查、修改我的论文。 5.参考文献1 热处理实用数据速查手册叶卫平，张覃铁.北京:机械工业出版社,2010,11.2 金属材料及热处理赵忠，丁仁亮，周尔康.北京:机械工业出版社,2004.3 机械工程材料许德珠.北京:高等教育出版社,2001.4 热处理原理与工艺侯旭明.北京.机械工业出版社，2010.85 金属材料学文九巴.北京.机械工业出版社，2011.86 金属热处理工艺方法500种.雷廷权.北京:机械工业出版社,1998,10.