轴类零件的作用及热处理工艺

2022-06-05 10:17:01  信息编号：K218560  浏览次数：1149

1、轴类零件的作用

轴类零件的主要作用是支承传动零件、传递运动和动力。

2、工作条件

（1）承受较大的交变弯曲应力、扭转应力。

（2）轴颈和花键部位承受较大的摩擦。

（3）一定的冲击载荷。

3、失效形式

常见的时效形式有疲劳断裂、过量的弯曲变形和扭转变形、过量磨损。

4、力学性能要求

（1）良好的综合力学性能。

（2）轴颈等部位应具有高的硬度和良好的耐磨性。

（3）高的疲劳强度

5、轴类零件常用材料及热处理

（1）中碳钢和中碳合金钢。考虑到轴类零件的综合力学性能要求，主要选用经过轧制或锻造的35、40、45、50、40Cr、40CrNi、40MnB钢等，一般应进行正火或调质；若轴颈处耐磨性要求高，可对轴颈处进行表面淬火。具体的钢种应根据载荷的类型、零件的尺寸和淬透性的大小决定。承受弯曲载荷和扭转载荷的轴类，应力的分布是由表面向中心递减的，对淬透性要求不高；承受拉、压载荷的轴类，应力沿轴的截面均匀分布，应选用淬透性较高的钢。

（2）对承受冲击载荷较大，对强韧性要求高时或要求进一步提高轴颈的耐磨性时，可选用20Cr、20CrMnTi等合金渗碳钢并进行渗碳、淬火、低温回火处理。

（3）对于受力小、不重要的轴可选用Q235~Q275等普通质量碳钢。

（4）球墨铸铁和高强度灰铸铁可用来制作形状复杂、难以锻造成形的轴类零件，如曲轴等。

6、轴类零件选材举例

（1）机床主轴。下图是C6132卧式车床主轴，工作时主要承受交变弯曲应力、扭转应力作用和一定的冲击载荷，运转较平稳。要求具有良好的综合力学性能，锥孔、外圆锥面、花键表面要求耐磨。现选用45钢制造，其工艺路线如下：

下料→锻造→正火→粗加工→调质→半精加工（花键除外）→局部淬火（内外圆锥面）+低温回火→粗磨→铣花键→花键感应淬火+低温回火→精磨。

整体调质硬度可达到220~250HBS；内外圆锥面采用盐浴局部淬火和低温回火，硬度为45~50HRC；花键部分采用高频感应淬火和低温回火，硬度为48~53HRC。

（2）内燃机曲轴。右图是175A型农用柴油机曲轴简图，由于该柴油机的功率（4、4KW）不大，故曲轴承受的弯曲应力、扭转应力和冲击载荷不大。但曲轴在滑动轴承中工作，轴颈部位要求具有较高的硬度和耐磨性。具体要求是：σb≥750MPa，整体硬度为240~260HBS，轴颈处表面硬度≥625HV，δ≥2%，Ak≥12J。现选用Q700-2，铸造成形，其工艺路线如下：

铸造→高温正火→高温回火→机械加工→轴颈处气体渗氮。

高温正火是为了获得均匀细小的珠光体基体，提高强度、硬度和耐磨性。高温回火是消除正火造成的应力。轴颈处渗氮是为了提高轴颈处的表面硬度和耐磨性。

弧齿锥齿轮热处理裂纹成因分析和改进措施

针对减速机弧齿锥齿轮热处理后出现大量裂纹,通过对裂纹的宏观、微观形貌和金相分析、渗层测定，发现弧齿锥齿轮的开裂是由于热处理工艺缺陷产生的残余应力过大所致。在此基础上，提出防止出现类似事故的改进措施。

1、失效故障概述

3对减速机用弧齿锥齿轮，按技术要求在热处理加工公司进行了热处理。在热处理工艺进入强渗阶段时，操作人员发现炉内碳势达不到工艺要求的数值。相关技术人员到现场检查，检查结果是氧碳头出现了问题，决定降温，出炉缓冷工件。从发现问题到落实解决问题持续了大约3h。

更换氧碳头后，操作人员将工件按热处理工艺规程再进行加工处理。将热处理完毕的齿轮，转送加工部门粗加工时发现：大小锥齿轮都有大量裂纹。

弧齿锥齿轮为锻棒件，所用材料为18CrNiMo7-6钢，处理工艺为：925℃渗碳15h扩散5、5h+820℃淬火+180℃回火8h。

本文主要内容就是说明裂纹的宏观、微观形貌，分析裂纹产生的原因，并提出防止出现类似事故的改进措施。

2、试验过程与结果

（1）裂纹的宏观形貌

从外形上观察三对锥齿轮裂纹形貌，见图1。其形貌分为3种：一种为沿齿根处的小裂纹，见图1a；另一种为齿根处向外延伸的大裂纹，见图1b、图1c。第三种为螺纹孔处向外延伸的裂纹，见图1d。三种裂纹都起源于应力集中最大的部位，如齿根圆角处或螺纹孔处，属于热处理应力集中裂纹。在图1c中还可以区分主裂纹和次裂纹。

（2）裂纹的微观形貌

从主裂纹上取样，制样后在显微镜下（100×）观察裂纹，发现沿齿根处的裂纹，其深度0、94mm，见图2。裂纹及工件表面有氧化现象，见图3。裂纹处的氧化深度（25、27μm），见图3a。比工件表面的氧化深度（31、65μm）略浅，见图3b。

将裂纹断口人工机械打开，如图4所示。对断口进行电镜观察，裂纹断口有污染物如图5所示，经过清理后，电镜观察其断口形貌，其观察点1、2、3、4的部位如图4所示。其中观察点1、2、3位于热处理裂纹区-深色区，相应的断口形貌如图6、图7、图8所示；观察点4位于静断区-浅色区，相应的断口形貌如图9所示。

从图6、图7和图8可见，裂纹断口的氧化物清理后呈现一种疏松（豆腐渣形）的断口形貌，与疲劳断口和静断断口有明显的不同。

（3）金相检查

渗层中的金相组织：马氏体级别、碳化物级别、残留奥氏体级别都合格，如图10所示。

（4）有效硬化层深度检查

检查发现，齿轮的有效硬化层深度出现异常。热处理工艺要求1、8mm（1、7~2、1mm），实际检验实物齿轮有效硬化层深度2、8mm，如图11所示。超出工艺要求0、7mm。

换上新氧探头后，整个热处理过程按着1、8mm热处理工艺加工的。实际检验结果，有效硬化层深度高出技术要求很多；说明第一次渗碳时，到达碳势后，炉内大约有3h因氧探头有问题而未显示出来真值，但炉内实际碳势很高。齿轮在3h内一直在无氧碳头控制的情况下渗碳，再加上降温保温时间，齿轮至少渗碳了1、7mm渗层深度。

3、分析与讨论

（1）裂纹开裂性质分析

从裂纹的形态上看，裂纹起源于应力集中处。无论齿根还是螺纹孔都是零件的应力最集中的地方，属于热处理应力集中裂纹。

（2）裂纹开裂原因的分析

沿齿根延伸的大、小裂纹都有氧化现象，而且氧化深度比工件表面氧化深度略浅，说明裂纹是第二次渗碳前产生的，不是淬火裂纹，也不是第一次加热渗碳、缓冷时产生的。

第一次发现氧碳头有问题时，工件在强渗阶段是无氧碳头控制的高温高碳势渗碳3h，而材料18CrNiMo7-6是低碳高合金材质，这种情况下渗层组织必然会产生粗大的马氏体组织及很高的残余奥氏体组织，对工件表面形成一定的拉应力。

在换上新的氧碳头后，工件被重新热处理，在加热过程中，工件表面是粗大的马氏体组织及很高的残留奥氏体组织，在热应力和组织应力作用下，工件在应力集中处开裂。

4、锥齿轮返工后的情况

用原来的材料重新下料，加工大小锥齿轮。周转到热处理后，按1、8mm渗层的热处理工艺加工。渗碳→缓冷→淬火→清洗→回火→喷丸，检验3对锥齿轮，均未发现异常。检验金相组织合格，有效硬化层深度合格，为1、713mm。充分证明锥齿轮的裂纹是由于热处理工艺缺陷产生的残余应力过大所致；原材料没问题。

5、结语

（1）三对弧齿锥齿轮的裂纹为热处理工艺不正常、热处理的残余应力过大所致。热处理工艺正常后就能避免类似的事故再次发生。

（2）建议今后氧碳头出现问题后，要先检验随炉试样，检验渗层深度及渗层组织，再重新制定热处理工艺进行返工。

图纸上要求热处理正火，应该在哪个加工工序前进行正火处理？

图纸上零件有的热处理要求是正火，毛坯材料是铸钢，那么需要在什么时候进行热处理，是零件粗加工前处理，还是零件先粗加工后进行热处理再精加工，还是零件直接精加工完成后进行热处理？

一般，锻造大概形状后，就正火，消除内应力，降低材料硬度，韧性也较好，可作为切削加工的预处理。

回顾下什么是正火

正火是—种改善钢材韧性的热处理。将钢构件加热到Ac3(是亚共析钢的奥氏体化的临界温度，只有超过该温度才能够完全形成奥氏体，这个温度对于不同成分的钢具有不同的数值，也就是铁碳相图中的GS线)温度以上30〜50℃后，保温一段时间出炉空冷。主要特点是冷却速度快于退火而低于淬火，正火时可在稍快的冷却中使钢材的结晶晶粒细化，不但可得到满意的强度，而且可以明显提高韧性(AKV值-冲击功），降低构件的开裂倾向。—些低合金热轧钢板、低合金钢锻件与铸造件经正火处理后，材料的综合力学性能可以大大改善，而且也改善了切削性能。

再来了解下正火的主要应用范围有：

1、用于低碳钢，正火后硬度略高于退火，韧性也较好，可作为切削加工的预处理；

2、用于中碳钢，可代替调质处理(淬火+高温回火）作为最后热处理，也可作为用感应加热方法进行表面淬火前的预备处理；

3、用于工具钢、轴承钢、渗碳钢等，可以消降或抑制网状碳化物的形成，从而得到球化退火所需的良好组织；

4、用于铸钢件，可以细化铸态组织，改善切削加工性能。

5、用于大型锻件，可作为最后热处理，从而避免淬火时较大的开裂倾向；

6、用于球墨铸铁，使硬度、强度、耐磨性得到提高，如用于制造汽车、拖拉机、柴油机的曲轴、连杆等重要零件；

7、过共析钢球化退火前进行一次正火，可消除网状二次渗碳体，以保证球化退火时渗碳体全部球粒化；

如果是要求又是退火呢，一样的吗？

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