机床齿轮的热处理工艺设计.doc
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《课程设计（工艺设计）》
（金属材料方向）
课程名称：
机床齿轮的热处理工艺设计
学院：
材料与化学化工学院
专业：
材料科学与工程（金属材料方向）
学生姓名：
李祥兆
学号：
201102040203
指导教师：
管登高、龙剑平、周世杰
总成绩：
2014年06月
热处理工艺课程设计任务书
学院
材料与化学化工学院
专业
材料科学与工程
学生姓名
肖忠洋
班级学号
201102040210
课程设计题目
40Cr机床齿轮的热处理工艺设计
设计任务：
1.进行40Cr机床齿轮的加工路线中有关热处理工序和热处理辅助工序的设计。
2.根据40CR机床齿轮的技术要求，选定能实现技术要求的热处理方法，制定工艺参数。
3.画出热处理工艺曲线图。
4.选择热处理设备，设计或选定装夹具，作出热处理工艺卡。
5.写出设计说明书，说明书中要求对各热处理工序的工艺参数的选择依据和各热处理后的显微组织作出说明。
目录
一齿轮轴热处理概述 7
1齿轮轴的服役条件、失效形式及性能要求 8
1．1服役条件、失效形式 8
1．2性能要求 8
二、40Cr的基本性质 9
1、140Cr的化学成分及临界温度 9
1.2力学性能 9
1．340Cr的性质 10
2.40cr特性及用途 10
3合金元素的作用 12
140Cr钢中铬元素的作用 12
240Cr钢中硅元素的作用 13
340Cr钢中锰元素的作用 14
5、40Cr的焊接性：
15
三、齿轮生产工艺线路及分析 16
1齿轮轴材料的选择 16
240Cr热处理工艺特征介绍 17
2．1预备热处理 17
2．2最终热处理 17
3、40cr齿轮轴断裂原因案例分析 18
（1）40Cr齿轮轴断裂原因分析 18
2.2断口检验 19
2.3金相检验 21
3回火脆性试验 21
3.1冲击试验 21
3.2断口形貌 22
3分析与讨论 23
4、热处理工艺 24
5、热处理工艺的确定 25
640Cr钢调质热处理 26
7、热处理的常见缺陷及补救措施 29
（1）氧化和脱碳：
29
（2）过热和过烧 31
（3）软点：
31
（4）淬火裂纹 31
（5）回火缺陷 33
（6）变形和开裂 33
8、热处理工艺及曲线图 34
（1）退火工艺的制定 34
（2）正火工艺的制定 35
940Cr热处理金相组织分析 37
四、质量检验项目及标准 39
1、检验项目 39
（1）工件变形检查 39
（2）淬硬层深度检查 39
（3）硬度检查 40
（4）金相组织检查 40
五参考文献 40
一齿轮轴热处理概述
轧机是现代工业生产的重要机械，而轧机的齿轮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40Cr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。
40Cr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40Cr钢热处理工艺的分析，明确在执行热处理工艺过程中所需要注意的问题。
能够正确确定加热温度、时间，保温时间，冷却方式，其目的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，在设计正火-调质-中频感应加热淬火加低温回火热处理工艺中，本设计借鉴了《热处理工程师手册》、《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40Cr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。
齿轮用于机械装置中功率的传递与速度的调节,在汽车、拖拉机、机床、起重机械等产品中不仅有着重要的作用,而且用量相当大。
齿轮工作时,通过齿面的接触传递动力,齿部承受很大的交变弯曲应力和接触应力的作用,在相互啮合的齿面上会有强烈的摩擦。
啮合不均匀时,还会产生冲击力。
齿轮的损坏形式主要是齿部折断和齿面的过度磨损。
根据齿轮的受力情况和失效分析,可知齿轮一般都需经过适当的热处理,以提高承载能力和延长使用寿命。
1齿轮轴的服役条件、失效形式及性能要求
1．1服役条件、失效形式
齿轮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。
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。
二、40Cr的基本性质
1、140Cr的化学成分及临界温度
40Cr的化学成分及临界温度见表1。
表1.40Cr的化学成分及临界温度
化学成分﹪
临界温度℃
C
Mn
Si
Cr
Ac1
Ac3
Ar1
Ar3
0.37~0.45
0.5~0.8
0.2~0.4
0.8~1.1
743
800
693
730
1.2力学性能
40Cr圆棒试样毛坯尺寸（mm）：
Φ25热处理：
第一次淬火加热温度（℃）：
850；冷却剂：
油第二次淬火加热温度（℃）：
-回火加热温度（℃）：
520；冷却剂：
水、油抗拉强度（σb/MPa）：
≧980屈服点（σs/MPa）：
≧785断后伸长率（δ5/%）：
≧9断面收缩率（ψ/%）：
≧45
冲击吸收功（Aku2/J）：
≧47布氏硬度（HBS100/3000）（退火或高温回火状态）：
≦207[3]
1．340Cr的性质
从铁碳合金相图来看，40Cr钢属于亚共析钢，缓冷到室温后的组织为铁素体+珠光体；从钢的分类来看，40Cr钢属于低淬透性调质钢，具有很高的强度，良好的塑性和韧性，即具有良好的综合机械性能；40Cr钢可用于制造汽车的连杆、螺栓、传动轴及机床的主轴等零件。
2.40cr特性及用途
特性
中碳调制钢，冷镦模具钢。
该钢价格适中，加工容易，经适当的热处理以后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性。
正火可促进组织球化，改进硬度小于160HBS毛坯的切削性能。
在温度550~570℃进行回火，该钢具有最佳的综合力学性能。
该钢的淬透性高于45钢，适合于高频淬火，火焰淬火等表面硬化处理等。
用途这种钢经调质后用于制造承受中等负荷及中等速度工作的机械零件，如汽车的转向节、后半轴以及机床上的齿轮、轴、蜗杆、花键轴、顶尖套等；经淬火及中温回火后用于制造承受高负荷、冲击及中等速度工作的零件，如齿轮、主轴、油泵转子、滑块、套环等；经淬火及低温回火后用于制造承受重负荷、低冲击及具有耐磨性、截面上实体厚度在25mm以下的零件，如蜗杆、主轴、轴、套环等；经调质并高频表面淬火后用于制造具有高的表面硬度及耐磨性而无很大冲击的零件，如齿轮、套筒、轴、主轴、曲轴、心轴、销子、连杆、螺钉、螺帽、进气阀等。
此外，这种钢又适于制造进行碳氮共渗处理的各种传动零件，如直径较大和低温韧性好的齿轮和轴[7]。
【供货状态及硬度】
退火态，硬度≤207HBS。
40Cr轴类零件
轴类零件是机器中经常遇到的典型零件之一。
它主要用来支承传动零部件，传递扭矩和承受载荷。
轴类零件是旋转体零件，其长度大于直径，一般由同心轴的外圆柱面、圆锥面、内孔和螺纹及相应的端面所组成。
根据结构形状的不同，轴类零件可分为光轴、阶梯轴、空心轴和曲轴等。
轴的长径比小于5的称为短轴，大于20的称为细长轴，大多数轴介于两者之间。
轴用轴承支承，与轴承配合的轴段称为轴颈。
轴颈是轴的装配基准，它们的精度和表面质量一般要求较高，其技术要求一般根据轴的主要功用和工作条件制定，通常有以下几项：
（一）尺寸精度起支承作用的轴颈为了确定轴的位置，通常对其尺寸精度要求较高（IT5～IT7）。
装配传动件的轴颈尺寸精度一般要求较低（IT6～IT9）
（二）几何形状精度轴类零件的几何形状精度主要是指轴颈、外锥面、莫氏锥孔等的圆度、圆柱度等，一般应将其公差限制在尺寸公差范围内。
对精度要求较高的内外圆表面，应在图纸上标注其允许偏差。
（三）相互位置精度轴类零件的位置精度要求主要是由轴在机械中的位置和功用决定的。
通常应保证装配传动件的轴颈对支承轴颈的同轴度要求，否则会影响传动件（齿轮等）的传动精度，并产生噪声。
普通精度的轴，其配合轴段对支承轴颈的径向跳动一般为0.01～0.03mm，高精度轴（如主轴）通常为0.001～0.005mm。
（四）表面粗糙度一般与传动件相配合的轴径表面粗糙度为Ra2.5～0.63μm，与轴承相配合的支承轴径的表面粗糙度为Ra0.63～0.16μm。
毛坯和材料
（一）轴类零件的毛坯轴类零件可根据使用要求、生产类型、设备条件及结构，选用棒料、锻件等毛坯形式。
对于外圆直径相差不大的轴，一般以棒料为主；而对于外圆直径相差大的阶梯轴或重要的轴，常选用锻件，这样既节约材料又减少机械加工的工作量，还可改善机械性能。
根据生产规模的不同，毛坯的锻造方式有自由锻和模锻两种。
中小批生产多采用自由锻，大批大量生产时采用模锻。
（二）轴类零件的材料轴类零件应根据不同的工作条件和使用要求选用不同的材料并采用不同的热处理规范（如调质、正火、淬火等），以获得一定的强度、韧性和耐磨性。
40Cr是轴类零件的常用材料，它价格便宜经过调质（或正火）后，可得到较好的切削性能，而且能获得较高的强度和韧性等综合机械性能，淬火后表面硬度可达45～52HRC。
40Cr等合金结构钢适用于中等精度而转速较高的轴类零件，这类钢经调质和淬火后，具有较好的综合机械性能。
轴承钢GCr15和弹簧钢65Mn，经调质和表面高频淬火后，表面硬度可达50～58HRC，并具有较高的耐疲劳性能和较好的耐磨性能，可制造较高精度的轴。
精密机床的主轴（例如磨床砂轮轴、坐标镗床主轴）可选用38CrMoAIA氮化钢。
这种钢经调质和表面氮化后，不仅能获得很高的表面硬度，而且能保持较软的芯部，因此耐冲击韧性好。
与渗碳淬火钢比较，它有热处理变形很小，硬度更高的特性。
40Cr广泛用于机械制造，这种钢的机械性能很好。
但是这是一种中碳钢，淬火性能并不好，40Cr可以淬硬至HRC42~46。
所以如果需要表面硬度，又希望发挥40Cr优越的机械性能，常将40Cr表面渗碳淬火，这样就能得到需要的表面硬度。
3合金元素的作用
140Cr钢中铬元素的作用
（1）对钢的显做组织及热处理的作用
A、铬与铁形成连续固溶体，缩小奥氏体相区城。
铬与碳形成多种碳化物，与碳的亲和力大于铁和锰而低于钨、钼等．铬与铁可形成金属间化合物σ相（FeCr）B、铬使珠光体中碳的浓度及奥氏体中碳的极限溶解度减少C、减缓奥氏体的分解速度，显著提高钢的淬透性．但亦增加钢的回火脆性倾向
（2）对钢的力学性能的作用
A、提高钢的强度和硬度．时加入其他合金元素时，效果较显著B、显著提高钢的脆性转变温度C、在含铬量高的Fe-Cr合金中，若有σ相析出，冲击韧性急剧下降
（3）对钢的物理、化学及工艺性能的作用
A、提高钢的耐磨性，经研磨，易获得较高的表面光洁度B、降低钢的电导率，降低电阻温度系数C、提高钢的矫顽力和剩余磁感．广泛用于制造永磁钢D、铬促使钢的表面形成钝化膜，当有一定含量的铭时，显著提高钢的耐腐蚀性能（特别是硝酸）。
若有铬的碳化物析出时，使钢的耐腐蚀性能下降E、提高钢的抗氧化性能F、铬钢中易形成树枝状偏析，降低钢的塑性G、由于铬使钢的热导率下降，热加工时要缓慢升温，锻、轧后要缓冷
240Cr钢中硅元素的作用
（1）对钢的显做组织及热处理的作用
A、作为钢中的合金元素，其含量一般不低于0.4％。
以固溶体形态存在于铁素体或奥氏体中，缩小奥氏体相区B、提高退火、正火和淬火温度，在亚共析钢中提高淬透性C、硅不形成碳化物，有强烈的促进碳的石墨化的作用，在硅含量较高的中碳和高碳钢中，如不含有强碳化物形成元素，易在一定温度条件下发生石墨化D、在渗碳钢中，硅减小渗碳层厚度和碳的浓度E、硅对钢水有良好脱氧作用
（2）对钢的力学性能的作用
A、提高铁素体和奥氏体的硬度和强度，其作用较Mn、Ni、Cr.W、Mo、V等更强；显著提高钢的弹性极限、屈服强度和屈强比（σs/σb）．并提高应劳强度和疲劳比（σ-1/σb）B、硅含量超过3％时显著降低钢的塑性和韧性；硅提高塑／脆转变温度C、硅易使钢中形成带状组织，使横向性能低于纵向性能D、改善钢的耐磨性能
（3）对钢的物理、化学及工艺性能的作用
A、降低钢的密度、热导率、电导率和电阻温度系数B、硅钢片的涡流损耗量显著低于纯铁，矫顽力、磁阻和磁滞损耗较低．磁导率和磁感强度较高。
但在强磁场中，硅降低磁感强度
C、提高高温时钢的抗氧化性能，但硅含量高时，表面脱碳加剧D、硅含量超过2.5％的钢，其变形加工较为困难E、硅降低钢的可焊性
340Cr钢中锰元素的作用
（1）对钢的显做组织及热处理的作用
A、锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，工业用钢中一般均含有一定量的锰B、锰固溶于铁素体和奥氏体中．扩大奥氏体区，使临界温度A4点升高，A3点降低，（α+γ）区下移．当锰含量超过12％时，上临界点降至室温以下，使钢在室温时形成单一奥氏体组织。
在降低共析温度同时，使共析体中的碳含量减少C、锰强烈降低钢的Ar1和马氏体转变温度（其作用仅次于碳）和钢中相变的速度，提高钢的淬透性，增加残余奥氏体含量D、使钢的调质组织均匀、细化，避免了渗碳层中碳化物的聚集成块，但增大了钢的过热敏感性和回火脆性倾向E、锰是弱碳化物形成元素
（2）对钢的力学性能的作用
A、锰强化铁素体或奥氏体的作用不及碳，磷、硅，在增加强度的同时，对延展性无影响B、由于细化了珠光体，显著提高低碳和中碳珠光体钢的强度，使延展性有所降低C、通过提高淬透性而提高了调质处理索氏体钢的力学性能D、在严格控制热处理工艺、避免过热时的晶粒长大以及回火脆性的前提下，锰不会降低钢的韧性
（3）对钢的物理、化学及工艺性能的作用
A、随锰含量的增加，钢的热导率急剧下降，线胀系数上升，使快速加热或冷却时形成较大内应力，工件开裂倾向增大B、使钢的电导率急剧降低，电阻率相应增大，电阻温度系数下降C、使矫顽力增大，饱和磁感、剩余磁感和磁导率均下降，因而锰对永磁合金有利，对软磁合金有害D、锰含量很高时，钢的抗氧化性能下降E、使钢中的硫形成较高熔点的MnS，避免了晶界上的FeS薄膜，消除钢的热脆性，改善热加工性能F、高锰奥氏体钢的变形阻力较大，且钢锭中柱状结晶明显，锻轧时较易开裂G、由于提高了淬透性和降低了马氏体转变温度，对焊接性能有不利影响。
在适当范围内应降低碳含量
5、40Cr的焊接性：
结晶时易偏析，对结晶裂纹（一种热裂纹）比较敏感，焊接时容易在弧坑和焊缝中凹下的部分开裂。
含碳量较高，快冷时易得到对冷裂纹很敏感的淬硬组织（马氏体组织）。
过热区在冷速较大时，很容易形成硬脆的高碳马氏体而使过热区脆化。
焊接工艺要点：
1、一般在退火（正火）状态下进行焊接。
2、焊接方法不受限制
3、用较大线能量，适当提高预热温度，一般预热温度及层间温度可控制在250～300℃之间。
4、焊接材料应保证熔敷金属的成分与母材基本相同，如J107－Cr
5、焊后应及时进行调质热处理。
若及时进行调质处理有困难，可进行中间退火或在高于预热的温度下保温一段时间，以排除扩散氢并软化组织。
对结构复杂、焊缝较多的产品，可在焊完一定数量的焊缝后，进行一次中间退火。
三、齿轮生产工艺线路及分析
1齿轮轴材料的选择
齿轮是现代机械中应用最广泛的一种机械传动零件。
齿轮传动通过轮齿互相啮合来传递空间任意两轴间的运动和动力，并可以改变运动的形式和速度。
齿轮传动使用范围广，传动比恒定，效率较高，使用寿命长。
齿轮轴材料的选用根据齿轮轴的工作条件，要求以及性能来确定。
主要是工作时载荷的大小,转速的高低及齿轮的精度要求来确定的。
载荷大小主要是指齿轮传递转矩的大小,通常以齿面上单位压应力作为衡量标志。
一般分为:
轻载荷、中载荷、重载荷和超重载荷。
在机械零件产品的设计与制造过程中，不仅要考虑材料的性能能够适应零件的工作条件，使零件经久耐用，而且要求材料有较好的加工工艺性能和经济性，以便提高零件的生产率，降低成本，减少消耗。
如果齿轮材料选择不当，则会出现零件的过早损伤，甚至失效。
因此如何合理地选择和使用金属材料是一项十分重要的工作。
满足材料的机械性能材料的机械性能包括强度、硬度、塑性及韧性等，反映材料在使用过程中所表现出来的特性。
齿轮在啮合时齿面接触处有接触应力，齿根部有最大弯曲应力，可能产生齿面或齿体强度失效。
齿面各点都有相对滑动，会产生磨损。
齿轮主要的失效形式有齿面点蚀、齿面胶合、齿面塑性变形和轮齿折断等。
因此要求齿轮材料有高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，齿面要有足够的硬度和耐磨性，芯部要有一定的强度和韧性。
例如，在确定大、小齿轮硬度时应注意使小齿轮的齿面硬度比大齿轮的齿面硬度高30-50HBS，这是因为小齿轮受载荷次数比大齿轮多，且小齿轮齿根较薄，强度低于大齿轮。
为使两齿轮的轮齿接近等强度，小齿轮的齿面要比大齿轮的齿面硬一些。
另一方面，根据材料的使用性能确定了材料牌号后。
要明确材料的机械性能或材料硬度，然后我们可以通过不同的热处理工艺达到所要求的硬度范围，从而赋予材料不同的机械性能。
材料为40Cr合金钢的齿轮，当840-860℃油淬，540-620℃回火时，调质硬度可达28-32HRC，可改善组织、提高综合机械性能；当860-880℃油淬，240—280℃回火时，硬度可达46-51HRC，则钢的表面耐磨性能好，芯部韧性好，变形小；当500-560℃氮化处理，氮化层0.15-0.6mm时，硬度可达52-54HRC，则钢具有高的表面硬度、高的耐磨性、高的疲劳强度，较高的抗蚀性和抗胶合性能且变形极小；当通过电镀或表面合金化处里后，则可改善齿轮工作表面摩擦性能，提高抗腐蚀性能。
满足材料的工艺性能材料的工艺性能是指材料本身能够适应各种加工工艺要求的能力。
齿轮的制造要经过锻造、切削加工和热处理等几种加工，因此选材时要对材料的工艺性能加以注意。
一般来说，碳钢的锻造、切削加工等工艺性能较好，其机械性能可以满足一般工作条件的要求。
但强度不够高，淬透性较差。
而合金钢淬透性好、强度高，但锻造、切削加工性能较差。
我们可以通过改变工艺规程、热处理方法等途经来改善材料的工艺性能
240Cr热处理工艺特征介绍
2．1预备热处理
调质钢经热加工后，必须经过预备热处理来降低硬度，便于切削加工，消除热加工时造成的组织缺陷，细化晶粒，改善组织，为最终热处理做好准备。
对于40Cr钢而言，可进行正火或退火处理。
2．2最终热处理
调质钢的最终热处理是淬火加高温回火。
一般可以采用较慢的冷却速度淬火，可以用油淬以避免热处理缺陷。
当强度较高时，采用较低的回火温度，反之选用较高的回火温度。
淬火工艺的制定：
加热温度为850，保温时间：
80min；冷却方式：
油冷。
低温回火工艺的制定：
低温回火的温度为150-300，但钢材的第一类回火脆性温度在250-400，由于40Cr中含有硅、锰、铬等合金元素，第一类回火脆性温度将有所增高，所以选用低温回火温度为240，保温时间60min；采用空冷。
中温回火工艺：
中温回火温度为350-500，选用温度为460，保温时间为50min，空冷。
高温回火工艺：
高温回火温度为500-650，可选用加热温度为620，保温时间为60，空冷。
40Cr淬火后回火热处理的洛氏硬度：
1、40Cr850油淬50.262024.4
2、40Cr850油淬51.846041.3
3、40Cr850油淬49.324050.3
40Cr钢的原始组织为球状珠光体，由于球状的接触面积小，同时铬能阻碍碳的扩散，而铬本身扩散速度较慢，因此加热温度应选择上限，且保温时间加长，否则球状渗碳体很难完全溶解而保留下来，造成淬火后硬度及强度下降。
加热温度越高，马氏体的百分比也会增加，如50%-99%，组织也会不断粗大理论上说，40Cr加热到850-870后保温，合金元素就基本上能全部融入奥氏体中且晶粒也不是很粗大，所以在理论上850淬火后的硬度应该是最高的，以后随着温度的增加，钢的蓄热量增加，淬火冷却时的冷却速度就下降，因此理论上在850以上温度淬火硬度会下降。
3、40cr齿轮轴断裂原因案例分析
（1）40Cr齿轮轴断裂原因分析
摘要本文利用扫描电镜、金相显微镜等设备对断裂工件断口形貌、金相组织进行了检验，并采用不同温度回火进行冲击试验，分析了40Cr齿轮轴断裂原因，推断为用户热处理工艺不当，造成工件出现回火脆性导致断裂，为用户改进工艺提供了理论依据。
关键词断口形貌冲击试验回火脆性40Cr经热处理后因其良好的综合性能常用于轴类加工，某用户使用40Cr加工齿轮轴，经淬火（850℃保温120分钟油冷）、回火（350~370℃保温120分钟水冷）处理后，在安装螺母时出现批量断裂，笔者受委托对齿轮轴断裂原因进行分析。
1、宏观检验齿轮轴断裂位置均在轴和齿交界处，断口裂纹源均位于表面，扩展区较少，大部分为放射状瞬断区，如图1所示，断口平齐，无明显塑性变形。
图1断口形貌
2、理化检验对所送断裂件进行化学成分、断口形貌、金相组织、晶粒度分析。
2.1化学成分断裂件化学成分光谱分析结果（质量分数，
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