高速中等負(fù)荷機(jī)床齒輪的熱處理工藝設(shè)計(jì)

1、攀枝花學(xué)院學(xué)生課程設(shè)計(jì)（論文）題 目：高速中等負(fù)荷機(jī)床齒輪的熱處理工藝設(shè)計(jì)學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 所在院(系)： 材料工程學(xué)院 專 業(yè)： 級(jí)材料成型及控制工程 班 級(jí)： 材料成型及控制工程一班 指 導(dǎo) 教 師： 職稱： 講 師 2012年12月28日攀枝花學(xué)院教務(wù)處制攀枝花學(xué)院本科學(xué)生課程設(shè)計(jì)任務(wù)書題目高速中等負(fù)荷機(jī)床齒輪的熱處理工藝設(shè)計(jì)1、課程設(shè)計(jì)的目的使學(xué)生了解、設(shè)計(jì)高速中等負(fù)荷機(jī)床齒輪的熱處理工藝，融會(huì)貫通相關(guān)專業(yè)課程理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)、分析問題和解決問題的能力。2、課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）內(nèi)容 ：（1）明確設(shè)計(jì)任務(wù)（包括用途、服役條件及性

2、能要求）（2）繪出熱處理件零件圖（3）給出設(shè)計(jì)方案（4）寫出設(shè)計(jì)說明（5）設(shè)計(jì)質(zhì)量檢驗(yàn)項(xiàng)目（6）設(shè)計(jì)熱處理工藝卡片（7）高速中等負(fù)荷機(jī)床齒輪的熱處理缺陷及預(yù)防或補(bǔ)救措施要求：（1）要求齒表面有一定的硬度(52-58HRC)和輪齒的心部硬度(2528HRC)及韌性(K=4060J/cm2), 整體強(qiáng)度b=760800MPa 。變形要求：齒部公法線擺動(dòng)量小于0.055毫米；齒寬變形不超過0.05毫米；齒向變形不超過0.017毫米。（2）通過查找資料充實(shí)、完善各項(xiàng)給定的設(shè)計(jì)內(nèi)容。（3）分析熱處理過程中可能出現(xiàn)的缺陷，針對(duì)這些缺陷提出預(yù)防措施或補(bǔ)救措施。（4）提交設(shè)計(jì)說明書（報(bào)告），2千字以上。報(bào)告格

3、式請(qǐng)參照“畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）”格式。3、主要參考文獻(xiàn)1 夏立芳主編. 金屬熱處理工藝學(xué). 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社, 20052 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)熱處理分會(huì)熱處理工程師手冊(cè)機(jī)械工業(yè)出版社2003第一版.3 張玉庭主編熱處理技師手冊(cè)機(jī)械工業(yè)出版社2006第一版4 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)熱處理學(xué)會(huì)熱處理手冊(cè)機(jī)械工業(yè)出版社2003第三版.4、課程設(shè)計(jì)工作進(jìn)度計(jì)劃第十六周：對(duì)給定的題目進(jìn)行認(rèn)真分析，查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，做好原始記錄。第十七周：撰寫課程設(shè)計(jì)說明書，并進(jìn)行修改、完善，提交設(shè)計(jì)說明書。指導(dǎo)教師（簽字）日期年 月 日教研室意見：年 月 日學(xué)生（簽字）： 接受任務(wù)時(shí)間： 年 月 日注：任務(wù)書由指導(dǎo)教

4、師填寫。課程設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)教師成績(jī)?cè)u(píng)定表題目名稱高速中等負(fù)荷機(jī)床齒輪的熱處理工藝設(shè)計(jì)評(píng)分項(xiàng)目分值得分評(píng)價(jià)內(nèi)涵工作表現(xiàn)20%01學(xué)習(xí)態(tài)度6遵守各項(xiàng)紀(jì)律，工作刻苦努力，具有良好的科學(xué)工作態(tài)度。02科學(xué)實(shí)踐、調(diào)研7通過實(shí)驗(yàn)、試驗(yàn)、查閱文獻(xiàn)、深入生產(chǎn)實(shí)踐等渠道獲取與課程設(shè)計(jì)有關(guān)的材料。03課題工作量7按期圓滿完成規(guī)定的任務(wù)，工作量飽滿。能力水平35%04綜合運(yùn)用知識(shí)的能力10能運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和技能去發(fā)現(xiàn)與解決實(shí)際問題，能正確處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，能對(duì)課題進(jìn)行理論分析，得出有價(jià)值的結(jié)論。05應(yīng)用文獻(xiàn)的能力5能獨(dú)立查閱相關(guān)文獻(xiàn)和從事其他調(diào)研；能提出并較好地論述課題的實(shí)施方案；有收集、加工各種信息及獲取新知識(shí)的能力

5、。06設(shè)計(jì)（實(shí)驗(yàn)）能力，方案的設(shè)計(jì)能力5能正確設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，獨(dú)立進(jìn)行裝置安裝、調(diào)試、操作等實(shí)驗(yàn)工作，數(shù)據(jù)正確、可靠；研究思路清晰、完整。07計(jì)算及計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力5具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算與處理能力；能運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行資料搜集、加工、處理和輔助設(shè)計(jì)等。08對(duì)計(jì)算或?qū)嶒?yàn)結(jié)果的分析能力（綜合分析能力、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析能力）10具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)收集、分析、處理、綜合的能力。成果質(zhì)量45%09插圖（或圖紙）質(zhì)量、篇幅、設(shè)計(jì)（論文）規(guī)范化程度5符合本專業(yè)相關(guān)規(guī)范或規(guī)定要求；規(guī)范化符合本文件第五條要求。10設(shè)計(jì)說明書（論文）質(zhì)量30綜述簡(jiǎn)練完整，有見解；立論正確，論述充分，結(jié)論嚴(yán)謹(jǐn)合理；實(shí)驗(yàn)正確，分析處理科學(xué)。11創(chuàng)新1

6、0對(duì)前人工作有改進(jìn)或突破，或有獨(dú)特見解。成績(jī)指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)指導(dǎo)教師簽名： 年月日 摘 要本課題設(shè)計(jì)了高速中等負(fù)荷機(jī)床齒輪的熱處理工藝設(shè)計(jì)。主要的工藝過程包括毛坯制造一正火一齒坯粗加工一調(diào)質(zhì)一齒坯半精加工一齒面粗加工(半精加工)一齒面表面淬火一齒坯精加工一齒面精加工等過程。由于本身尺寸精確，因此要求具有高的硬度，高的耐磨性和高的尺寸穩(wěn)定性以及一定的韌性。為了滿足上述性能要求，選用低合金工具鋼（40Cr）。齒輪工作時(shí),通過齒面的接觸傳遞動(dòng)力,齒部承受很大的交變彎曲應(yīng)力和接觸應(yīng)力的作用,在相互嚙合的齒面上會(huì)有強(qiáng)烈的摩擦。嚙合不均勻時(shí),還會(huì)產(chǎn)生沖擊力。齒輪的損壞形式主要是齒部折斷和齒面的過度磨損。根據(jù)齒

7、輪的受力情況和失效分析,可知齒輪一般都需經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚?以提高承載能力和延長(zhǎng)使用壽命。關(guān)鍵詞：低合金工具鋼（40Cr），機(jī)床齒輪，調(diào)質(zhì)，熱處理 目 錄摘 要1、設(shè)計(jì)任務(wù)11.1設(shè)計(jì)任務(wù)11.2設(shè)計(jì)的技術(shù)要求12、設(shè)計(jì)方案32.1 高速中載機(jī)床齒輪的分析32.1.1工作條件32.1.2失效形式32.1.3性能要求32.2鋼種材料43、設(shè)計(jì)說明53.1加工工藝流程5 3.1.1成分分析5 3.1.2對(duì)鋼的力學(xué)性能的作用5 3.1.3對(duì)鋼的物理、化學(xué)及工藝性能的作用5 3.2預(yù)備熱處理63.2.1最終熱處理63.2.2熱處理工藝73.2.3熱處理工藝的確定8 3.2.4 40Cr鋼調(diào)質(zhì)熱處理84、

8、熱處理常見缺陷及補(bǔ)救措施11 4.1氧化和脫碳11 4.2過熱和過燒11 4.3淬火裂紋11 4.4回火缺陷12 4.5變形和開裂12 4.5.1減小變形及防止裂紋的措施12 4.5.2熱應(yīng)力與組織應(yīng)力的分布規(guī)律13 4.5.3熱處理工藝及曲線圖135、檢驗(yàn)項(xiàng)目156、分析與討論167、結(jié)束語(yǔ)178、熱處理工藝卡片189、參 考 文 獻(xiàn)19 1 設(shè)計(jì)任務(wù)1.1設(shè)計(jì)任務(wù)高速中等負(fù)荷機(jī)床齒輪的熱處理工藝設(shè)計(jì)1.2設(shè)計(jì)的技術(shù)要求 中碳調(diào)質(zhì)鋼，冷鐓模具鋼。該鋼價(jià)格適中，加工容易，經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚硪院罂色@得一定的韌性、塑性和耐磨性。正火可促進(jìn)組織球化，改進(jìn)硬度小于160HBS毛坯的切削性能。在溫度5505

9、70進(jìn)行回火，該鋼具有最佳的綜合力學(xué)性能。該鋼的淬透性高于45鋼，適合于高頻淬火，火焰淬火等表面硬化處理等。調(diào)質(zhì)處理后具有良好的綜合力學(xué)性能，良好的低溫沖擊韌性和低的缺口敏感性。鋼的淬透性良好，水淬時(shí)可淬透到2860mm,油淬時(shí)可淬透到1540mm。這種鋼除調(diào)質(zhì)處理外還適于氰化和高頻淬火處理。切削性能較好，當(dāng)硬度為HB174229時(shí)，相對(duì)切削加工性為60%。由于在使用過程中易磨損和碰撞，另外本身尺寸精確，因此要求具有高的硬度，高的耐磨性和高的尺寸穩(wěn)定性以及一定的韌性。但沒有單獨(dú)專用的鋼種，為了滿足上述性能要求，選用低合金工具鋼（40Cr）。40Cr機(jī)床齒輪規(guī)采用淬火及低溫回火熱處理工藝，其組織

10、是回火馬氏體和殘余奧氏體，并殘存一定的淬火應(yīng)力。這種組織狀態(tài)在長(zhǎng)期放置和使用過程中，將發(fā)生變化，從而使塊規(guī)的尺寸也發(fā)生變化，對(duì)于高精度的塊規(guī)，這種變化是不允許的。尺寸變化的原因主要是殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體使尺寸增大，以及殘留應(yīng)力在量具內(nèi)部重新分布和消失所引起的組織變化。為使40Cr機(jī)床齒輪規(guī)尺寸和形狀穩(wěn)定，確保其精度，對(duì)要求較高的精密的，淬火溫度應(yīng)低些。同時(shí)在淬火后立即將其冷卻到-80左右，甚至在液氮中進(jìn)行冷處理，然后取出再進(jìn)行正?；鼗稹榱诉M(jìn)一步提高40Cr機(jī)床齒輪規(guī)尺寸穩(wěn)定性，在精磨或研磨前，必須進(jìn)行時(shí)效處理，進(jìn)一步消除內(nèi)應(yīng)力，必要時(shí)，這種處理要重復(fù)多次。 調(diào)制鋼在加熱后，必須經(jīng)過預(yù)備熱處

11、理降低硬度，以利于切削加工，預(yù)備熱處理還可以消除加工缺陷，改善組織委淬火做好準(zhǔn)備。對(duì)合金含量較低的鋼，可采用正火或者完全退火，對(duì)合金含量較高的鋼采用正火加高溫回火做預(yù)備熱處理，高溫回火可使正火處理得到馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榱钪楣怏w。 最終熱處理為調(diào)質(zhì)，碳鋼淬火溫度為AC3+(3050)攝氏度，合金鋼可適當(dāng)提高淬火溫度，回火溫度為500650攝氏度，具體回火溫度按硬度取，要求強(qiáng)度好的選下限。合金調(diào)質(zhì)鋼有較大高溫的回脆傾向，為防止高溫脆性發(fā)生，高溫回火后要采用水冷或油冷，對(duì)于大鍛件體要采用合金化方法防止回脆，調(diào)質(zhì)鋼不一定都進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，因?yàn)榛鼗鹚魇象w組織不能充分發(fā)揮碳提高鋼的強(qiáng)度方面的潛力，所以可采用淬火

12、加低溫回火代替調(diào)質(zhì)。低合金超高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)和合金鋼調(diào)質(zhì)鋼經(jīng)淬火加低溫回火后，其韌性與碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)。例如低合金高強(qiáng)度鋼當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.3%，雖然隨著談的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增高強(qiáng)度持續(xù)增高，但鋼的韌性特別是斷裂韌度顯著下降。所以應(yīng)合理控制碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以得到最佳強(qiáng)度與塑性的配合。 齒表面有一定的硬度(52-58HRC)和輪齒的心部硬度(2528HRC)及韌性(K=4060J/cm2), 整體強(qiáng)度b=760800MPa 。變形要求：齒部公法線擺動(dòng)量小于0.055毫米；齒寬變形不超過0.05毫米；齒向變形不超過0.017毫米。 2 設(shè)計(jì)方案2.1高速中等負(fù)荷機(jī)床齒輪的分析2.1.1工作條件由于是機(jī)床齒輪，

13、因此其工作環(huán)境較為惡劣，為密閉狀態(tài)。軋機(jī)是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的重要機(jī)械，而軋機(jī)的齒輪軸是軋機(jī)中重要的傳動(dòng)部分,主要承受交變載荷，沖擊載荷，剪切應(yīng)力和接觸應(yīng)力大。軸部易產(chǎn)生裂紋，齒部易磨損。因此對(duì)齒輪軸的心部要求有一定的強(qiáng)度和韌性，有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力。表面還應(yīng)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(xué)性能，常采用40Cr鋼經(jīng)正火，調(diào)質(zhì)，感應(yīng)加熱淬火加低溫回火已達(dá)到所要求的性能。40Cr為中碳合金鋼，預(yù)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(diào)質(zhì)做好組織準(zhǔn)備。調(diào)質(zhì)的目的是為了提高軋機(jī)齒輪軸的綜合力學(xué)性能。中頻感應(yīng)加熱表面淬火是使零件表面得到

14、高的硬度和耐磨性，而心部仍保持一定的強(qiáng)度及較高的塑性、韌性。通過對(duì)40Cr鋼熱處理工藝的分析，明確在執(zhí)行熱處理工藝過程中所需要注意的問題。能夠正確確定加熱溫度、時(shí)間，保溫時(shí)間，冷卻方式，其目的就是通過正確的熱處理工藝，達(dá)到所需要的性能，保證質(zhì)量。2.1.2失效形式主要失效形式為齒面點(diǎn)蝕和輪齒折斷。齒面點(diǎn)蝕。齒輪傳動(dòng)過程中，齒輪接觸面上各點(diǎn)的接觸應(yīng)力呈脈動(dòng)循環(huán)變化，經(jīng)過一段時(shí)間后，會(huì)由于接觸面上金屬的疲勞而形成細(xì)小的疲勞裂紋，裂紋的擴(kuò)展造成金屬剝落，形成點(diǎn)蝕。輪齒折斷。最常見的是彎曲疲勞折斷、過載折斷。輪齒受力后,在齒根部產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力最大,且在齒根過渡圓角處有應(yīng)力集中。如果輪齒的交變應(yīng)力超過了

15、材料的疲勞極限,在齒根圓角處將產(chǎn)生疲勞裂紋,隨著裂紋不斷擴(kuò)展。2.1.3性能要求滿足材料的機(jī)械性能：材料的機(jī)械性能包括強(qiáng)度、硬度、塑性及韌性等，反映材料在使用過程中所表現(xiàn)出來(lái)的特性。齒輪在嚙合時(shí)齒面接觸處有接觸應(yīng)力，齒根部有最大彎曲應(yīng)力，可能產(chǎn)生齒面或齒體強(qiáng)度失效。齒面各點(diǎn)都有相對(duì)滑動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生磨損。齒輪主要的失效形式有齒面點(diǎn)蝕、齒面膠合、齒面塑性變形和輪齒折斷等。因此要求齒輪材料有高的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度，齒面要有足夠的硬度和耐磨性，芯部要有一定的強(qiáng)度和韌性。 滿足材料的工藝性能：材料的工藝性能是指材料本身能夠適應(yīng)各種加工工藝要求的能力。齒輪的制造要經(jīng)過鍛造、切削加工和熱處理等幾種加工，

16、因此選材時(shí)要對(duì)材料的工藝性能加以注意。一般來(lái)說，碳鋼的鍛造、切削加工等工藝性能較好，其機(jī)械性能可以滿足一般工作條件的要求。但強(qiáng)度不夠高，淬透性較差。而合金鋼淬透性好、強(qiáng)度高，但鍛造、切削加工性能較差。我們可以通過改變工藝規(guī)程、熱處理方法等途經(jīng)來(lái)改善材料的工藝性能。1.具有高的疲勞極限；2.具有高的抗彎強(qiáng)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(qiáng)度；7.具有一定的精度。力學(xué)性能：試樣毛坯尺寸（mm）：25 熱處理：第一次淬火加熱溫度（）：850；冷卻劑：油回火加熱溫度（）：520；冷卻劑：水、油抗拉強(qiáng)度（b/MPa）：980屈服點(diǎn)（s/MPa）：78

17、5斷后伸長(zhǎng)率（5/%）：9斷面收縮率（/%）：45沖擊吸收功（Aku2/J）：47布氏硬度（HBS100/3000）（退火或高溫回火狀態(tài)）：2072.2鋼種材料 中碳調(diào)質(zhì)鋼，冷鐓模具鋼。該鋼加工容易，經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚硪院罂色@得一定的韌性、塑性和耐磨性。正火可促進(jìn)組織球化，改進(jìn)硬度小于160HBS毛坯的切削性能。在溫度550570進(jìn)行回火，該鋼具有最佳的綜合力學(xué)性能。該鋼的淬透性高于45鋼，適合于高頻淬火，火焰淬火等表面硬化處理等。 40CR是調(diào)制鋼，用于制造在重載作用下同時(shí)又受沖擊載荷作用的一些重要零件沒要求零件具有高強(qiáng)度、高韌性相結(jié)合的良好力學(xué)性能，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度比的碳鋼約20%，并有良好

18、的淬透性，切削性好，冷變形時(shí)的塑性中等，斷面小于50MM時(shí)，油淬后有較高的疲勞強(qiáng)度。具有較高的強(qiáng)度和硬度，調(diào)制后可獲得回火索氏體具有較高的強(qiáng)度、塑性、韌性、疲勞極限、斷裂韌度和較低的韌脆性轉(zhuǎn)折溫度，可以滿足工件使用的性能要求，少量合金元素的加入顯著增加了鋼的淬透性，一般采用油淬，油淬的臨界直徑是30MM40MM，適用于制造較重的調(diào)制件。 3 設(shè)計(jì)說明3.1加工工藝流程 高速中等負(fù)荷機(jī)床齒輪的熱處理工藝設(shè)計(jì)的熱加工工藝流程經(jīng)過許多次改進(jìn)形成如下的工藝流程： 40Cr是中碳調(diào)質(zhì)鋼，其成分下表1.表1 40Cr的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）CMnPSCrNiCuSi0.370.440.50.800.03

19、50.0350.801.100.030.0300.170.373.1.1成分分析： 40Cr鋼中鉻元素的作用:對(duì)鋼的顯做組織及熱處理的作用鉻與鐵形成連續(xù)固溶體，縮小奧氏體相區(qū)城。鉻與碳形成多種碳化物，與碳的親和力大于鐵和錳而低于鎢、鉬等鉻與鐵可形成金屬間化合物相(FeCr)鉻使珠光體中碳的濃度及奧氏體中碳的極限溶解度減少減緩?qiáng)W氏體的分解速度，顯著提高鋼的淬透性但亦增加鋼的回火脆性傾向3.1.2對(duì)鋼的力學(xué)性能的作用提高鋼的強(qiáng)度和硬度時(shí)加入其他合金元素時(shí)，效果較顯著顯著提高鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度在含鉻量高的Fe-Cr合金中，若有相析出，沖擊韌性急劇下降3.1.3對(duì)鋼的物理、化學(xué)及工藝性能的作用提高鋼的耐

20、磨性，經(jīng)研磨，易獲得較高的表面光潔度降低鋼的電導(dǎo)率，降低電阻溫度系數(shù)提高鋼的矯頑力和剩余磁感廣泛用于制造永磁鋼鉻促使鋼的表面形成鈍化膜，當(dāng)有一定含量的銘時(shí)，顯著提高鋼的耐腐蝕性能（特別是硝酸）。若有鉻的碳化物析出時(shí)，使鋼的耐腐蝕性能下降提高鋼的抗氧化性能鉻鋼中易形成樹枝狀偏析，降低鋼的塑性由于鉻使鋼的熱導(dǎo)率下降，熱加工時(shí)要緩慢升溫，鍛、軋后要緩冷。Mn是良好的脫氧劑和脫硫劑。它能消除或減弱由于硫所引起的鋼的熱脆性，從而改善鋼的熱加工性能。Mn和Fe形成固溶體，提高鋼中鐵素體和奧氏體的硬度和強(qiáng)度，經(jīng)固溶處理后有良好的韌性，當(dāng)受到?jīng)_擊而變形時(shí)，表面層將因變形而強(qiáng)化，具有高的耐磨性；同時(shí)又是碳化物形

21、成元素，進(jìn)入滲碳體中取代一部分鐵原子。Si能溶于鐵素體和奧氏體中提高鋼的硬度和強(qiáng)度。硅能提高鋼的彈性極限、屈服強(qiáng)度和屈服比(s/b),以及疲勞強(qiáng)度和疲勞比(-1/b)等。 硅能促使鐵素體晶粒粗化，降低矯頑力。 3.2預(yù)備熱處理調(diào)質(zhì)鋼經(jīng)熱加工后，必須經(jīng)過預(yù)備熱處理來(lái)降低硬度，便于切削加工，消除熱加工時(shí)造成的組織缺陷，細(xì)化晶粒，改善組織，為最終熱處理做好準(zhǔn)備。對(duì)于40Cr鋼而言，可進(jìn)行正火或退火處理。32.1最終熱處理調(diào)質(zhì)鋼的最終熱處理是淬火加高溫回火。一般可以采用較慢的冷卻速度淬火，可以用油淬以避免熱處理缺陷。當(dāng)強(qiáng)度較高時(shí)，采用較低的回火溫度，反之選用較高的回火溫度。淬火工藝的制定：加熱溫度為8

22、50，保溫時(shí)間：80min；冷卻方式：油冷。低溫回火工藝的制定：低溫回火的溫度為150-300，但鋼材的第一類回火脆性溫度在250-400，由于40Cr中含有硅、錳、鉻等合金元素，第一類回火脆性溫度將有所增高，所以選用低溫回火溫度為240，保溫時(shí)間60min；采用空冷。中溫回火工藝：中溫回火溫度為350-500，選用溫度為460，保溫時(shí)間為50min，空冷。高溫回火工藝：高溫回火溫度為500-650，可選用加熱溫度為620，保溫時(shí)間為60，空冷。40Cr淬火后回火熱處理的洛氏硬度：1、40Cr850油淬50.262024.4 2、40Cr850油淬51.846041.3 3、40Cr850油淬

23、49.324050.3 40Cr鋼的原始組織為球狀珠光體，由于球狀的接觸面積小，同時(shí)鉻能阻礙碳的擴(kuò)散，而鉻本身擴(kuò)散速度較慢，因此加熱溫度應(yīng)選擇上限，且保溫時(shí)間加長(zhǎng)，否則球狀滲碳體很難完全溶解而保留下來(lái)，造成淬火后硬度及強(qiáng)度下降。加熱溫度越高，馬氏體的百分比也會(huì)增加，如50%-99%，組織也會(huì)不斷粗大理論上說，40Cr加熱到850-870后保溫，合金元素就基本上能全部融入奧氏體中且晶粒也不是很粗大，所以在理論上850淬火后的硬度應(yīng)該是最高的，以后隨著溫度的增加，鋼的蓄熱量增加，淬火冷卻時(shí)的冷卻速度就下降，因此理論上在850以上溫度淬火硬度會(huì)下降。 圖1 齒輪熱處理零件3.2.2熱處理工藝淬火工藝

24、：40Cr淬火850,油冷；回火520,水冷、油冷。40Cr表面淬火硬度為HRC52-60，火焰淬火能達(dá)到HRC48-55。 1.氮化處理40Cr屬于可氮化鋼，其所含元素有利于氮化。40Cr經(jīng)氮化處理后可獲得較高的表面硬度，40Cr調(diào)質(zhì)后氮化處理硬度最高能達(dá)到HRA7278，即HRC4355。氮化工件工藝路線：鍛造退火粗加工調(diào)質(zhì)精加工除應(yīng)力粗磨氮化精磨或研磨。由于氮化層薄，并且較脆，因此要求有較高強(qiáng)度的心部組織，所以要先進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，獲得回火索氏體，提高心部機(jī)械性能和氮化層質(zhì)量。軟氮化是活性氮化,現(xiàn)在比較常用的是氣體氮化.焊接40Cr焊接前注意預(yù)熱，以防止因基體散熱，造成焊縫內(nèi)部激冷淬裂。焊

25、接后調(diào)質(zhì)前最好加一遍正火。40Cr的焊接性：結(jié)晶時(shí)易偏析，對(duì)結(jié)晶裂紋（一種熱裂紋）比較敏感，焊接時(shí)容易在弧坑和焊縫中凹下的部分開裂。含碳量較高，快冷時(shí)易得到對(duì)冷裂紋很敏感的淬硬組織（馬氏體組織）。過熱區(qū)在冷速較大時(shí)，很容易形成硬脆的高碳馬氏體而使過熱區(qū)脆化。焊接工藝要點(diǎn)：1、一般在退火（正火）狀態(tài)下進(jìn)行焊接。2、焊接方法不受限制3、用較大線能量，適當(dāng)提高預(yù)熱溫度，一般預(yù)熱溫度及層間溫度可控制在250300之間。4、焊接材料應(yīng)保證熔敷金屬的成分與母材基本相同，如J107Cr5、焊后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理。若及時(shí)進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理有困難，可進(jìn)行中間退火或在高于預(yù)熱的溫度下保溫一段時(shí)間，以排除擴(kuò)散氫并軟化組

26、織。對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、焊縫較多的產(chǎn)品，可在焊完一定數(shù)量的焊縫后，進(jìn)行一次中間退火。3.2.3熱處理工藝的確定1.正火加熱溫度：通常對(duì)于亞共析鋼正火的加熱溫度通常為Ac3以上3050,而對(duì)于中碳合金鋼的正火溫度正火溫度通常為Ac3以上50100，保溫一定時(shí)間后取出噴霧冷卻這種冷卻方式稱為高溫正火。由鐵碳合金相圖如圖6可知42CrMo的加熱溫度范圍為850900。加熱溫度過低先共析鐵素體未能全部溶解而達(dá)不到細(xì)化晶粒的作用，加熱溫度過高會(huì)造成晶粒粗化惡化鋼的力學(xué)性能，所以我們可以選著870。2.正火加熱保溫時(shí)間：工件有效厚度的計(jì)算原則是:薄板工件的厚度即為其有效厚度;長(zhǎng)的圓棒料直徑為其有效厚度;正方體工件

27、的邊長(zhǎng)為其有效厚度;長(zhǎng)方體工件的高和寬小者為其有效厚度;帶錐度的圓柱形工件的有效厚度是距小端2L/3(L為工件的長(zhǎng)度)處的直徑;帶有通孔的工件,其壁厚為有效厚度.一般情況下，碳鋼可以按工件有效厚度每25毫米為一小時(shí)來(lái)計(jì)算，合金鋼可以按工件的有效厚度每20毫米一小時(shí)來(lái)計(jì)算保溫時(shí)間，加熱時(shí)間應(yīng)為23小時(shí)左右。 3.淬火溫度的選擇：40CrMo鋼，含碳量為0.42%，屬于亞共析鋼，含碳量為0.42%鋼的Ac3為800，由亞共析鋼淬火溫度要求T=Ac3+3050（）可得，淬火溫度T=830850（），我們可以設(shè)定在840。4.淬火保溫時(shí)間的確定：根據(jù)有效長(zhǎng)度/2=80/2=40mm，可查知，保溫時(shí)間要

28、大于56min，為保證獲得理想組織可選1h。5.確定回火溫度。不同含碳量與回火溫度的曲線中查出含碳量為0.40.5%的曲線帶，再在縱坐標(biāo)上查出HRC=3540，取中值36其曲線帶相交的點(diǎn)即為加熱溫度，大約為480。6.確定回火保溫時(shí)間。由于回火保溫時(shí)間為480，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可知回火保溫時(shí)間大約為11.5h。回火后空冷即可。3.2.440Cr鋼調(diào)質(zhì)熱處理調(diào)質(zhì)鋼有碳素調(diào)質(zhì)鋼和合金調(diào)質(zhì)鋼二大類，不管是碳鋼還是合金鋼，其含碳量控制比較嚴(yán)格。如果含碳量過高，調(diào)質(zhì)后工件的強(qiáng)度雖高，但韌性不夠，如含碳量過低，韌性提高而強(qiáng)度不足。為使調(diào)質(zhì)件得到好的綜合性能，一般含碳量控制在0.300.50%。調(diào)質(zhì)淬火時(shí)，要求

29、工件整個(gè)截面淬透，使工件得到以細(xì)針狀淬火馬氏體為主的顯微組織。通過高溫回火，得到以均勻回火索氏體為主的顯微組織。小型工廠不可能每爐搞金相分析，一般只作硬度測(cè)試，這就是說，淬火后的硬度必須達(dá)到該材料的淬火硬度，回火后硬度按圖要求來(lái)檢查。40Cr鋼的調(diào)質(zhì)處理Cr能增加鋼的淬透性，提高鋼的強(qiáng)度和回火穩(wěn)定性，具有優(yōu)良的機(jī)械性能。截面尺寸大或重要的調(diào)質(zhì)工件，應(yīng)采用Cr鋼。但Cr鋼有第二類回火脆性。40Cr工件調(diào)質(zhì)的淬回火，各種參數(shù)工藝卡片都有規(guī)定，我們?cè)趯?shí)際操作中體會(huì)是： 1.40Cr工件淬火后應(yīng)采用油冷，40Cr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。但是小型企業(yè)在供油緊張的情況

30、下，對(duì)形狀不復(fù)雜的工件，可以在水中淬火，并未發(fā)現(xiàn)開裂，只是操作者要憑經(jīng)驗(yàn)嚴(yán)格掌握入水、出水的溫度。 2.40Cr工件調(diào)質(zhì)后硬度仍然偏高，第二次回火溫度就要增加2050，不然，硬度降低困難。 3.40Cr工件高溫回火后，形狀復(fù)雜的在油中冷卻，簡(jiǎn)單的在水中冷卻，目的是避免第二類回火脆性的影響?；鼗鹂炖浜蟮墓ぜ匾獣r(shí)再施以消除應(yīng)力處理。影響調(diào)質(zhì)工件的質(zhì)量，操作工的水平是個(gè)重要因素，同時(shí)，還有設(shè)備、材料和調(diào)質(zhì)前加工等多方面的原因，我們認(rèn)為：工件從加熱爐轉(zhuǎn)移到冷卻槽速度緩慢，工件入水的溫度已降到低于Ar3臨界點(diǎn)，產(chǎn)生部分分解，工件得到不完全淬火組織，達(dá)不到硬度要求。所以小零件冷卻液要講究速度，大工件予

31、冷要掌握時(shí)間。工件裝爐量要合理，以12層為宜，工件相互重疊造成加熱不均勻，導(dǎo)致硬度不勻。工件入水排列應(yīng)保持一定距離，過密使工件近處蒸氣膜破裂受阻，造成工件接近面硬度偏低。開爐淬火，不能一口氣淬完，應(yīng)視爐溫下降程度，中途閉爐重新升溫，以便前后工件淬后硬度一致。要注意冷卻液的溫度，10%鹽水的溫度如高于60，不能使用。冷卻液不能有油污、泥漿等雜質(zhì)，不然，會(huì)出現(xiàn)硬度不足或不均勻現(xiàn)象。 未經(jīng)加工毛坯調(diào)質(zhì)，硬度不會(huì)均勻，如要得到好的調(diào)質(zhì)質(zhì)量，毛坯應(yīng)粗車，棒料要鍛打。嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，淬火后硬度偏低13個(gè)單位，可以調(diào)整回火溫度來(lái)達(dá)到硬度要求。但淬火后工件硬度過低，有的甚至只有HRC2535，必須重新淬火，絕不能

32、只施以中溫或低溫回火以達(dá)到圖紙要求完事，不然，失去了調(diào)質(zhì)的意義，并有可能產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。 4.熱處理的常見缺陷及補(bǔ)救措施4.1、氧化和脫碳：工件在加熱過程中，由于周圍的加熱介質(zhì)與鋼表面所起的化學(xué)作用，會(huì)使鋼發(fā)生氧化與脫碳，嚴(yán)重影響淬火工件的質(zhì)量。由于氧化鐵皮的形成，使工件的尺寸減小，表面光潔度降低，還會(huì)嚴(yán)重地影響到淬火時(shí)的冷卻速度，致使工件表面產(chǎn)生軟點(diǎn)和硬度不足。在鋼的氧化層下面，通?？偸谴嬖谥欢ê穸鹊拿撎紝?，由于脫碳使鋼的表層碳含量下降，從而導(dǎo)致鋼件淬火后表層硬度不足，疲勞強(qiáng)度下降，而且使鋼在淬火時(shí)，容易形成表面裂紋。為了防止氧化、脫碳，根據(jù)工件的技術(shù)要求和實(shí)際情況，可以采用保護(hù)氣氛加熱、

33、真空加熱，以及用工件表面涂料包裝加熱等方法。在鹽浴中加熱時(shí)，可以采用經(jīng)常加入脫氧劑的方法，并要求建立嚴(yán)格的脫氧制度。此外，對(duì)普通箱式爐稍加改造后，采用滴入煤油的辦法進(jìn)行保護(hù)，可大大改善加熱工件的表面質(zhì)量。4.2、過熱和過燒鋼件進(jìn)行奧氏體化加熱時(shí)，如加熱溫度過高或加熱時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)引起奧氏體晶粒長(zhǎng)大變粗，形成的馬氏體也粗化，這種現(xiàn)象叫過熱。過熱的工件幾乎不能防止淬火裂紋產(chǎn)生。因?yàn)樵谏傻鸟R氏體中存在大量微裂紋，這種馬氏體裂紋會(huì)發(fā)展為淬火裂紋。在加熱溫度更高的情況下，鋼的奧氏體晶粒進(jìn)一步粗化，并產(chǎn)生晶界氧化，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起晶界熔化，這種現(xiàn)象叫過燒。產(chǎn)生過燒的工件，其性能急劇降低。有過熱缺陷的工件，可

34、先進(jìn)行一次細(xì)化組織的正火或退火，然后再按正常規(guī)范重新淬火。有過燒缺陷的工件因無(wú)法挽救而只能報(bào)廢。4.3、淬火裂紋淬火裂紋是由于淬火內(nèi)應(yīng)力在工件表層的拉應(yīng)力超過冷卻時(shí)鋼的斷裂強(qiáng)度而引起的，這種裂紋是工件在進(jìn)入冷卻介質(zhì)中不久之后，溫度降至Ms點(diǎn)（大約為250度）以下時(shí)產(chǎn)生的。這是因?yàn)楣ぜ膴W氏體化溫度急冷至Ms點(diǎn)以下的過程中，因馬氏體轉(zhuǎn)變使塑性急劇降低，而組織應(yīng)力急劇增大，所以容易形成裂紋。最常見的淬火裂紋如圖2-54所示，有縱向裂紋、橫向裂紋、網(wǎng)狀裂紋和應(yīng)力集中裂紋幾種。對(duì)于淬火后未出現(xiàn)而在磨削后才出現(xiàn)的裂紋，要區(qū)別它究竟是淬火裂紋還是磨削裂紋。磨削裂紋的方向總是垂直于磨削方向并呈平行線形樣式，

35、淬火裂紋則與磨削方向無(wú)關(guān)并呈刀割狀開裂。形成淬火裂紋的原因：1.導(dǎo)致淬火裂紋的原因很多，大體可歸納為三個(gè)方面。熱處理工藝：如過熱、脫碳、冷速過快、冷卻操作不當(dāng)、淬火后未及時(shí)回火等。2.原材料原因：如有大塊或連續(xù)分布的非金屬夾雜物、碳化物偏析、白點(diǎn)、氣孔、鍛造折疊等。3.工件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或選材不當(dāng)：如工件壁厚相差懸殊，具有形成應(yīng)力集中的尖角、凹角等。在選材方面對(duì)形狀復(fù)雜的零件選用淬透性較低的鋼種，從而造成在激烈的冷卻過程中開裂。淬火裂紋的防止：淬火裂紋一旦產(chǎn)生便無(wú)法挽救，因此必須設(shè)法防止。為了防止淬火裂紋，首先應(yīng)改善零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工藝性，并正確選用鋼材。在淬火技術(shù)方面，應(yīng)特別注意在點(diǎn)以下Ms點(diǎn)以上快

36、冷、在Ms慢冷，即遵守“先快后慢”的原則，如雙介質(zhì)淬火和分級(jí)淬火能有效防止淬火裂紋。工件淬火后要注意立即回火，因?yàn)榇慊鸸ぜ谢蚨嗷蛏俚卮嬖谝欢康臍堄鄪W氏體，這些奧氏體在室溫下的放置過程中會(huì)轉(zhuǎn)變成馬氏體，從而因發(fā)生體積膨脹而導(dǎo)致開裂。同時(shí)，淬火殘余應(yīng)力的存在會(huì)助長(zhǎng)裂紋產(chǎn)生。這種裂紋是延遲發(fā)生的淬火裂紋，其形狀與淬火裂紋相同。4.4、回火缺陷回火缺陷主要指回火裂紋和回火硬度不合格。所謂回火裂紋，是指淬火狀態(tài)鋼進(jìn)行回火時(shí)，因急熱、急冷或組織變化而形成的裂紋。有回火硬化（二次硬化）現(xiàn)象的高合金鋼，比較容易產(chǎn)生回火裂紋。防止方法是在回火時(shí)緩慢加熱，并使回火溫度緩慢冷卻。硬度過高一般是因回火溫度不夠造成

37、的，補(bǔ)救方法是按正?；鼗鹨?guī)范重新回火。回火后硬度不足主要是回火溫度過高，補(bǔ)救辦法是退火后重新淬火回火。出現(xiàn)硬度不合格時(shí)，首先要查找原因，檢查是否發(fā)生混料，因?yàn)檫@也是引起淬火后硬度不合格的主要原因。回火脆性，是鋼的一種熱處理特性，而不是熱處理缺陷。但如果不注意這種特性，有時(shí)就會(huì)成為回火缺陷的根源?；鼗鸫嘈砸话阌袃深悾谝活愂堑蜏鼗鼗鸫嘈?，鋼在250-400度范圍內(nèi)產(chǎn)生，生產(chǎn)過程中無(wú)法通過改變工藝操作來(lái)消除，只能盡量避免在此溫度范圍內(nèi)回火，或改用等溫淬火工藝來(lái)代替淬火加回火；第二類是高溫回火脆性，某些合金鋼在450-575度回火，或在稍高溫度下回火后緩慢冷卻，出現(xiàn)了沖擊韌度下降的現(xiàn)象，這類已脆化的

38、鋼再次重新加熱至預(yù)定的回火溫度，然后快冷至室溫，脆性消失，所以也叫可逆回火脆性。4.5、變形和開裂4.5.1減少變形及防止裂紋的措施淬火的目的是為了獲得馬氏體，就要快速冷卻，但這又會(huì)引起淬火內(nèi)應(yīng)力，淬火工件發(fā)生變形和開裂的根本原因是由于淬火內(nèi)應(yīng)力造成的。因此，除制定合理的淬火工藝外，同時(shí)還必須設(shè)法減小淬火內(nèi)應(yīng)力，防止變形和開裂。所以有必要對(duì)淬火過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力有所了解。內(nèi)應(yīng)力有熱應(yīng)力和組織應(yīng)力兩種，它們的成因和作用是不同的。4.5.2.熱應(yīng)力與組織應(yīng)力的分布規(guī)律：熱應(yīng)力：工件加熱或冷卻時(shí)，由于工件表層和心部溫度變化不同時(shí)，造成熱脹冷縮不均，這種由熱脹冷縮不均而產(chǎn)生的應(yīng)力叫熱應(yīng)力。工件加熱時(shí)，

39、表面溫度比心部高，表面受熱膨脹，心部溫度低未膨脹，這時(shí)表層受壓應(yīng)力，心部則受拉應(yīng)力。透熱后，心部溫度升高而膨脹，使表層產(chǎn)生塑性變形，此時(shí)，工件表現(xiàn)為體積膨脹。工件冷卻時(shí)，表面冷速比心部快得多，表層要收縮，中心溫度尚高不讓收縮，對(duì)表層產(chǎn)生拉應(yīng)力，心部則產(chǎn)生壓應(yīng)力。繼續(xù)冷卻時(shí)，心部要發(fā)生收縮，這時(shí)表層已冷硬不讓收縮，于是對(duì)心部產(chǎn)生拉應(yīng)力，表層則受壓應(yīng)力，這種應(yīng)力在冷卻結(jié)束后仍存在于工件內(nèi)部，叫殘余應(yīng)力。4.5.3、熱處理工藝及曲線圖40Cr熱處理工藝的制定按上述知識(shí)，對(duì)40Cr鋼分別采用退火、正火、淬火、不同的回火溫度情況下的熱處理，測(cè)定不同情況下試樣的硬度與沖擊韌性值。退火工藝的制定加熱溫度：A

40、。+(3O50)C，由此確定加熱溫度為850C；保溫時(shí)間：120min；冷卻方式：隨爐冷卻。正火工藝的制定加熱溫度：Ac。+(3050)C，由此確定加熱溫度為850C；保溫時(shí)間：120min；冷卻方式：空冷。淬火工藝的制定 圖2為淬火工藝曲線圖。加熱溫度：A。+(3O50)C，由此確定加熱溫度為850C；保溫時(shí)間：80min；冷卻方式：油冷。.回火工藝的制定1.低溫回火 圖3.淬火加低溫回火工藝曲線圖亞共析鋼的低溫回火溫度為150C3O0C，但鋼材的第一類回火脆性溫度在250C400C，由于40Cr中含有硅、錳、鉻等合金元素，第一類回火脆性溫度將有所增高，所以選用低溫回火溫度為240C；保溫時(shí)

41、間為60min；采用空冷。2.中溫回火中溫回火溫度為350C500C，選用溫度為460C；保溫時(shí)間為50min；空冷。 圖4為淬火加高溫回火工藝曲線圖。高溫回火溫度為500C650C，可選用加熱溫度為620C；保溫時(shí)間為60min；空冷。 5 檢驗(yàn)項(xiàng)目 檢查工件表面有無(wú)腐蝕或氧化皮。不得有裂紋及碰傷，表面不得有銹蝕。 工件變形檢查根據(jù)圖樣技術(shù)要求檢查工件的撓曲變形、尺寸及幾何形狀的變化。 淬硬層深度檢查感應(yīng)加熱淬火后應(yīng)檢查淬硬層深度，42CrMo淬硬層深度應(yīng)在8mm左右?？刹捎糜捕确y(cè)量。硬度壓痕應(yīng)當(dāng)打在垂直于表面的一條或多條平行線上，而且寬度為1.5mm區(qū)域內(nèi)，最靠近表面的壓痕中心與表面的距離為0.15mm，從表面到各逐次壓痕中心的距離應(yīng)每次增加0.1mm。當(dāng)表面硬化層深度大時(shí)，各壓痕中心的距離可以大一些，但在接近極限硬度區(qū)域附近，仍應(yīng)保持壓痕中心之間的距離為0.1mm。用垂直表面橫截面上的硬度變化曲線來(lái)確定有效硬化層深度。由繪制的硬度變化曲線，確定從零