高速中等负荷机床齿轮的热处理工艺设计

攀枝花学院

学生课程设计（论文）

题 目：高速中等负荷机床齿轮的热处理工艺设计

学生姓名： 学 号： 所在院(系)： 材料工程学院 专 业： 级材料成型及控制工程

班 级： 材料成型及控制工程一班 指 导 教 师： 职称： 讲 师

2012年12月28日 攀枝花学院教务处制

攀枝花学院本科学生课程设计任务书

题 目 1、课程设计的目的 使学生了解、设计高速中等负荷机床齿轮的热处理工艺，融会贯通相关专业课程理论知识，培养学生综合运用所学知识、分析问题和解决问题的能力。 2、课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等） 内容 ： （1）明确设计任务（包括用途、服役条件及性能要求） （2）绘出热处理件零件图 （3）给出设计方案 （4）写出设计说明 （5）设计质量检验项目 （6）设计热处理工艺卡片 （7）高速中等负荷机床齿轮的热处理缺陷及预防或补救措施 要求： （1）要求齿表面有一定的硬度(52--58HRC)和轮齿的心部硬度(25—28HRC)及韧性(ａK=40～60J/cm2), 整体强度σb=760～800MPa 。变形要求：齿部公法线摆动量小于毫米；齿宽变形不超过毫米；齿向变形不超过毫米。 （2）通过查找资料充实、完善各项给定的设计内容。 （3）分析热处理过程中可能出现的缺陷，针对这些缺陷提出预防措施或补救措施。 （4）提交设计说明书（报告），2千字以上。报告格式请参照“毕业论文（设计）”格式。 3、主要参考文献 [1] 夏立芳主编. 金属热处理工艺学. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 2005 [2] 中国机械工程学会热处理分会．热处理工程师手册［Ｍ］．机械工业出版社．2003．第一版. [3] 张玉庭主编．热处理技师手册［Ｍ］．机械工业出版社．2006．第一版 高速中等负荷机床齿轮的热处理工艺设计 [4] 中国机械工程学会热处理学会．热处理手册［Ｍ］．机械工业出版社．2003．第三版. 4、课程设计工作进度计划 第十六周：对给定的题目进行认真分析，查阅相关文献资料，做好原始记录。 第十七周：撰写课程设计说明书，并进行修改、完善，提交设计说明书。 指导教师（签字） 教研室意见： 年 月 日 学生（签字）： 接受任务时间： 年 月 日 注：任务书由指导教师填写。

日期 年 月 日

课程设计（论文）指导教师成绩评定表

题目名称 评分项目 工作 表现 20% 03 课题工作量 7 02 科学实践、调研 7 高速中等负荷机床齿轮的热处理工艺设计 分得评价内涵 遵守各项纪律，工作刻苦努力，具有良好的科学工作态度。 通过实验、试验、查阅文献、深入生产实践等渠道获取与课程设计有关的材料。 按期圆满完成规定的任务，工作量饱满。 能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题，值 分 6 01 学习态度 04 综合运用知识的能力 10 能正确处理实验数据，能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。 能独立查阅相关文献和从事其他调研；能提出并能力 水平 35% 05 应用文献的能力 5 较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获取新知识的能力。 06 设计（实验）能力，方案的设计能力 能正确设计实验方案，独立进行装置安装、调试、5 操作等实验工作，数据正确、可靠；研究思路清晰、完整。 07 计算及计算机应用能力 对计算或实验结果的分析08 能力（综合分析能力、技术经济分析能力） 插图（或图纸）质量、篇成果 质量 45% 11 创新 成绩 10 设计说明书（论文）质量 09 幅、设计（论文）规范化程度 5 具有较强的数据运算与处理能力；能运用计算机进行资料搜集、加工、处理和辅助设计等。 10 具有较强的数据收集、分析、处理、综合的能力。 5 符合本专业相关规范或规定要求；规范化符合本文件第五条要求。 综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理；实验正确，分析处理科学。 30 10 对前人工作有改进或突破，或有独特见解。 指导教师评语 指导教师签名： 年 月 日

摘 要

本课题设计了高速中等负荷机床齿轮的热处理工艺设计。主要的工艺过程包括毛坯制造一正火一齿坯粗加工一调质一齿坯半精加工一齿面粗加工(半精加工)一齿面表面淬火一齿坯精加工一齿面精加工等过程。由于本身尺寸精确，因此要求具有高的硬度，高的耐磨性和高的尺寸稳定性以及一定的韧性。为了满足上述性能要求，选用低合金工具钢（40Cr）。

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。

关键词：低合金工具钢（40Cr），机床齿轮，调质，热处理

目 录

摘 要 .............................................................. Ⅰ 1、设计任务 ........................................................... 1

设计任务 .......................................................... 1 设计的技术要求 .................................................... 1 2、设计方案 ........................................................... 3

高速中载机床齿轮的分析 ........................................... 3

工作条件 ....................................................... 3 失效形式 ....................................................... 3 性能要求 ....................................................... 3 钢种材料 .......................................................... 4 3、设计说明 ........................................................... 5

加工工艺流程 ...................................................... 5 成分分析 ...................................................... 5 对钢的力学性能的作用 .......................................... 5

对钢的物理、化学及工艺性能的作用 .............................. 5 预备热处理 ........................................................ 6

最终热处理 ..................................................... 6 热处理工艺 ..................................................... 7 热处理工艺的确定 ............................................... 8 40Cr钢调质热处理 ............................................. 8 4、热处理常见缺陷及补救措施 .......................................... 11 氧化和脱碳 ........................................................ 11 过热和过烧 ........................................................ 11 淬火裂纹 .......................................................... 11 回火缺陷 .......................................................... 12 变形和开裂 ........................................................ 12

减小变形及防止裂纹的措施 ...................................... 12 热应力与组织应力的分布规律 .................................... 13 热处理工艺及曲线图 ............................................ 13 5、检验项目 .......................................................... 15 6、分析与讨论 ........................................................ 16 7、结束语 ............................................................ 17 8、热处理工艺卡片 .................................................... 18 9、参 考 文 献 ....................................................... 19

1 设计任务

设计任务

高速中等负荷机床齿轮的热处理工艺设计

设计的技术要求

中碳调质钢，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。调质处理后具有良好的综合力学性能，良好的低温冲击韧性和低的缺口敏感性。钢的淬透性良好，水淬时可淬透到Ф28～60mm,油淬时可淬透到Ф15～40mm。这种钢除调质处理外还适于氰化和高频淬火处理。切削性能较好，当硬度为HB174～229时，相对切削加工性为60%。

由于在使用过程中易磨损和碰撞，另外本身尺寸精确，因此要求具有高的硬度，高的耐磨性和高的尺寸稳定性以及一定的韧性。但没有单独专用的钢种，为了满足上述性能要求，选用低合金工具钢（40Cr）。 40Cr机床齿轮规采用淬火及低温回火热处理工艺，其组织是回火马氏体和残余奥氏体，并残存一定的淬火应力。这种组织状态在长期放置和使用过程中，将发生变化，从而使块规的尺寸也发生变化，对于高精度的块规，这种变化是不允许的。尺寸变化的原因主要是残余奥氏体转变为马氏体使尺寸增大，以及残留应力在量具内部重新分布和消失所引起的组织变化。为使40Cr机床齿轮规尺寸和形状稳定，确保其精度，对要求较高的精密的，淬火温度应低些。同时在淬火后立即将其冷却到-80℃左右，甚至在液氮中进行冷处理，然后取出再进行正常回火。为了进一步提高40Cr机床齿轮规尺寸稳定性，在精磨或研磨前，必须进行时效处理，进一步消除内应力，必要时，这种处理要重复多次。

调制钢在加热后，必须经过预备热处理降低硬度，以利于切削加工，预备热处理还可以消除加工缺陷，改善组织委淬火做好准备。对合金含量较低的钢，可采用正火或者完全退火，对合金含量较高的钢采用正火加高温回火做预备热处理，高温回火可使正火处理得到马氏体转变为粒状珠光体。

最终热处理为调质，碳钢淬火温度为AC3+(30~50)摄氏度，合金钢可适当提高淬火温度，回火温度为500~650摄氏度，具体回火温度按硬度取，要求强度好的选下限。

合金调质钢有较大高温的回脆倾向，为防止高温脆性发生，高温回火后要采用水冷或油冷，对于大锻件体要采用合金化方法防止回脆，调质钢不一定都进行调质处理，因为回火索氏体组织不能充分发挥碳提高钢的强度方面的潜力，所以可采用淬火加低温回火代替调质。

低合金超高强度结构和合金钢调质钢经淬火加低温回火后，其韧性与碳的质量分数有关。例如低合金高强度钢当碳的质量分数超过%，虽然随着谈的质量分数的增高强度持续增高，但钢的韧性特别是断裂韧度显著下降。所以应合理控制碳质量分数，以得到最佳强度与塑性的配合。 齿表面有一定的硬度(52--58HRC)和轮齿的心部硬度(25—28HRC)及韧性(ａK=40～60J/cm2), 整体强度σb=760～800MPa 。变形要求：齿部公法线摆动量小于毫米；齿宽变形不超过毫米；齿向变形不超过毫米。

2 设计方案

高速中等负荷机床齿轮的分析

工作条件

由于是机床齿轮，因此其工作环境较为恶劣，为密闭状态。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。

失效形式

主要失效形式为齿面点蚀和轮齿折断。

①齿面点蚀。齿轮传动过程中，齿轮接触面上各点的接触应力呈脉动循环变化，经过一段时间后，会由于接触面上金属的疲劳而形成细小的疲劳裂纹，裂纹的扩展造成金属剥落，形成点蚀。

②轮齿折断。最常见的是弯曲疲劳折断、过载折断。轮齿受力后,在齿根部产生的弯曲应力最大,且在齿根过渡圆角处有应力集中。如果轮齿的交变应力超过了材料的疲劳极限,在齿根圆角处将产生疲劳裂纹,随着裂纹不断扩展。

性能要求

①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。

②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。 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。

力学性能：试样毛坯尺寸（mm）：25

热处理：

第一次淬火加热温度（℃）：850；冷却剂：油 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

钢种材料

中碳调质钢，冷镦模具钢。该钢加工容易，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。

40CR是调制钢，用于制造在重载作用下同时又受冲击载荷作用的一些重要零件没要求零件具有高强度、高韧性相结合的良好力学性能，抗拉强度和屈服强度比的碳钢约20%，并有良好的淬透性，切削性好，冷变形时的塑性中等，断面小于50MM时，油淬后有较高的疲劳强度。具有较高的强度和硬度，调制后可获得回火索氏体具有较高的强度、塑性、韧性、疲劳极限、断裂韧度和较低的韧脆性转折温度，可以满足工件使用的性能要求，少量合金元素的加入显著增加了钢的淬透性，一般采用油淬，油淬的临界直径是30MM~40MM，适用于制造较重的调制件。

3 设计说明

加工工艺流程 高速中等负荷机床齿轮的热处理工艺设计的热加工工艺流程经过许多次改进形成如下的工艺流程： 40Cr是中碳调质钢，其成分下表1. 表1 40Cr的化学成分（质量分数，%） C

～

～

Mn P

≤

S

≤

～

Cr Ni

≤

Cu

≤

Si

～

成分分析：

40Cr钢中铬元素的作用:对钢的显做组织及热处理的作用

①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) ②铬使珠光体中碳的浓度及奥氏体中碳的极限溶解度减少

③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

对钢的力学性能的作用

①提高钢的强度和硬度．时加入其他合金元素时，效果较显著 ②显著提高钢的脆性转变温度

③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

对钢的物理、化学及工艺性能的作用

①提高钢的耐磨性，经研磨，易获得较高的表面光洁度 ②降低钢的电导率，降低电阻温度系数

③提高钢的矫顽力和剩余磁感．广泛用于制造永磁钢

④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 ⑤提高钢的抗氧化性能

⑥铬钢中易形成树枝状偏析，降低钢的塑性

⑦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。Mn是良好的脱氧剂和脱硫剂。它能消除或减弱由于硫所引起的钢的热脆性，从而改善钢的热加工性能。Mn和Fe形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度，经固溶处理后有良好的韧性，当受到冲击而变形时，表面层将因变形而强化，具有高的耐磨性；同时又是碳化物形成元素，进入渗碳体中取代一部分铁原子。

Si能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度。硅能提高钢的弹性极限、屈服强度和屈服比(σs/σb),以及疲劳强度和疲劳比(σ-1/σb)等。 硅能促使铁素体晶粒粗化，降低矫顽力。

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。

3． 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。

①淬火工艺的制定：加热温度为850，保温时间：80min；冷却方式：油冷。 ②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。

③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、40Cr 850油淬 620 2、40Cr 850油淬 460 3、40Cr 850油淬 240

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。

图1 齿轮热处理零件

热处理工艺

淬火工艺：40Cr淬火850℃,油冷；回火520℃,水冷、油冷。40Cr表面淬火硬度为HRC52-60，火焰淬火能达到HRC48-55。 1.氮化处理

40Cr属于可氮化钢，其所含元素有利于氮化。40Cr经氮化处理后可获得较高的表面硬度，40Cr调质后氮化处理硬度最高能达到HRA72~78，即HRC43~55。氮化工件工艺路线：锻造－退火－粗加工－调质－精加工－除应力－粗磨－氮化

－精磨或研磨。由于氮化层薄，并且较脆，因此要求有较高强度的心部组织，所以要先进行调质热处理，获得回火索氏体，提高心部机械性能和氮化层质量。软氮化是活性氮化,现在比较常用的是气体氮化.焊接40Cr焊接前注意预热，以防止因基体散热，造成焊缝内部激冷淬裂。焊接后调质前最好加一遍正火。 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。

热处理工艺的确定

1.正火加热温度：通常对于亚共析钢正火的加热温度通常为Ac3以上30～50℃,而对于中碳合金钢的正火温度正火温度通常为Ac3以上50～100℃，保温一定时间后取出喷雾冷却这种冷却方式称为高温正火。由铁碳合金相图如图6可知42CrMo的加热温度范围为850～900℃。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℃。

2.正火加热保温时间：工件有效厚度的计算原则是:薄板工件的厚度即为其有效厚度;长的圆棒料直径为其有效厚度;正方体工件的边长为其有效厚度;长方体工件的高和宽小者为其有效厚度;带锥度的圆柱形工件的有效厚度是距小端2L/3(L为工件的长度)处的直径;带有通孔的工件,其壁厚为有效厚度. 一般情况下，碳钢可以按工件有效厚度每25毫米为一小时来计算，合金钢可以按工件的有效厚度每20毫米一小时来计算保温时间，加热时间应为2～3小时左右。 3.淬火温度的选择：40CrMo钢，含碳量为%，属于亚共析钢，含碳量为%钢的Ac3为800℃，由亚共析钢淬火温度要求T=Ac3+30~50（℃）可得，淬火温度T=830~850（℃），我们可以设定在840℃。

4.淬火保温时间的确定：根据有效长度Φ/2=80/2=40mm，可查知，保温时间要大

于56min，为保证获得理想组织可选1h。

5.确定回火温度。不同含碳量与回火温度的曲线中查出含碳量为~%的曲线带，再在纵坐标上查出HRC=35~40，取中值36其曲线带相交的点即为加热温度，大约为480℃。

6.确定回火保温时间。由于回火保温时间为480℃，根据经验公式可知回火保温时间大约为1~。回火后空冷即可。

40Cr钢调质热处理

①调质钢有碳素调质钢和合金调质钢二大类，不管是碳钢还是合金钢，其含碳量控制比较严格。如果含碳量过高，调质后工件的强度虽高，但韧性不够，如含碳量过低，韧性提高而强度不足。为使调质件得到好的综合性能，一般含碳量控制在~%。 调质淬火时，要求工件整个截面淬透，使工件得到以细针状淬火马氏体为主的显微组织。通过高温回火，得到以均匀回火索氏体为主的显微组织。小型工厂不可能每炉搞金相分析，一般只作硬度测试，这就是说，淬火后的硬度必须达到该材料的淬火硬度，回火后硬度按图要求来检查。 ②40Cr钢的调质处理

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Cr钢。但Cr钢有第二类回火脆性。 40Cr工件调质的淬回火，各种参数工艺卡片都有规定，我们在实际操作中体会是： 工件淬火后应采用油冷，40Cr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。但是小型企业在供油紧张的情况下，对形状不复杂的工件，可以在水中淬火，并未发现开裂，只是操作者要凭经验严格掌握入水、出水的温度。

工件调质后硬度仍然偏高，第二次回火温度就要增加20~50℃，不然，硬度降低困难。

工件高温回火后，形状复杂的在油中冷却，简单的在水中冷却，目的是避免第二类回火脆性的影响。回火快冷后的工件，必要时再施以消除应力处理。 影响调质工件的质量，操作工的水平是个重要因素，同时，还有设备、材料和调质前加工等多方面的原因，我们认为：

①工件从加热炉转移到冷却槽速度缓慢，工件入水的温度已降到低于Ar3临界点，产生部分分解，工件得到不完全淬火组织，达不到硬度要求。所以小零件冷却液要讲究速度，大工件予冷要掌握时间。

②工件装炉量要合理，以1~2层为宜，工件相互重叠造成加热不均匀，导致硬度不匀。

③工件入水排列应保持一定距离，过密使工件近处蒸气膜破裂受阻，造成工件接

近面硬度偏低。

④开炉淬火，不能一口气淬完，应视炉温下降程度，中途闭炉重新升温，以便前后工件淬后硬度一致。

⑤要注意冷却液的温度，10%盐水的温度如高于60℃，不能使用。冷却液不能有油污、泥浆等杂质，不然，会出现硬度不足或不均匀现象。

⑥未经加工毛坯调质，硬度不会均匀，如要得到好的调质质量，毛坯应粗车，棒料要锻打。

⑦严把质量关，淬火后硬度偏低1~3个单位，可以调整回火温度来达到硬度要求。但淬火后工件硬度过低，有的甚至只有HRC25~35，必须重新淬火，绝不能只施以中温或低温回火以达到图纸要求完事，不然，失去了调质的意义，并有可能产生严重的后果。

4.热处理的常见缺陷及补救措施

、氧化和脱碳：

工件在加热过程中，由于周围的加热介质与钢表面所起的化学作用，会使钢发生氧化与脱碳，严重影响淬火工件的质量。由于氧化铁皮的形成，使工件的尺寸减小，表面光洁度降低，还会严重地影响到淬火时的冷却速度，致使工件表面产生软点和硬度不足。在钢的氧化层下面，通常总是存在着一定厚度的脱碳层，由于脱碳使钢的表层碳含量下降，从而导致钢件淬火后表层硬度不足，疲劳强度下降，而且使钢在淬火时，容易形成表面裂纹。为了防止氧化、脱碳，根据工件的技术要求和实际情况，可以采用保护气氛加热、真空加热，以及用工件表面涂料包装加热等方法。在盐浴中加热时，可以采用经常加入脱氧剂的方法，并要求建立严格的脱氧制度。此外，对普通箱式炉稍加改造后，采用滴入煤油的办法进行保护，可大大改善加热工件的表面质量。

、过热和过烧

钢件进行奥氏体化加热时，如加热温度过高或加热时间过长，会引起奥氏体晶粒长大变粗，形成的马氏体也粗化，这种现象叫过热。过热的工件几乎不能防止淬火裂纹产生。因为在生成的马氏体中存在大量微裂纹，这种马氏体裂纹会发展为淬火裂纹。在加热温度更高的情况下，钢的奥氏体晶粒进一步粗化，并产生晶界氧化，严重时还会引起晶界熔化，这种现象叫过烧。产生过烧的工件，其性能急剧降低。有过热缺陷的工件，可先进行一次细化组织的正火或退火，然后再按正常规范重新淬火。有过烧缺陷的工件因无法挽救而只能报废。

、淬火裂纹

淬火裂纹是由于淬火内应力在工件表层的拉应力超过冷却时钢的断裂强度而引起的，这种裂纹是工件在进入冷却介质中不久之后，温度降至Ms点（大约为250度）以下时产生的。这是因为工件从奥氏体化温度急冷至Ms点以下的过程中，因马氏体转变使塑性急剧降低，而组织应力急剧增大，所以容易形成裂纹。最常见的淬火裂纹如图2-54所示，有纵向裂纹、横向裂纹、网状裂纹和应力集中裂纹几种。对于淬火后未出现而在磨削后才出现的裂纹，要区别它究竟是淬火

裂纹还是磨削裂纹。磨削裂纹的方向总是垂直于磨削方向并呈平行线形样式，淬火裂纹则与磨削方向无关并呈刀割状开裂。 形成淬火裂纹的原因：

1.导致淬火裂纹的原因很多，大体可归纳为三个方面。

热处理工艺：如过热、脱碳、冷速过快、冷却操作不当、淬火后未及时回火等。

2.原材料原因：如有大块或连续分布的非金属夹杂物、碳化物偏析、白点、气孔、锻造折叠等。

3.工件结构设计或选材不当：如工件壁厚相差悬殊，具有形成应力集中的尖角、凹角等。在选材方面对形状复杂的零件选用淬透性较低的钢种，从而造成在激烈的冷却过程中开裂。

淬火裂纹的防止：淬火裂纹一旦产生便无法挽救，因此必须设法防止。为了防止淬火裂纹，首先应改善零件结构设计的工艺性，并正确选用钢材。在淬火技术方面，应特别注意在点以下Ms点以上快冷、在Ms慢冷，即遵守“先快后慢”的原则，如双介质淬火和分级淬火能有效防止淬火裂纹。工件淬火后要注意立即回火，因为淬火工件中或多或少地存在一定量的残余奥氏体，这些奥氏体在室温下的放置过程中会转变成马氏体，从而因发生体积膨胀而导致开裂。同时，淬火残余应力的存在会助长裂纹产生。这种裂纹是延迟发生的淬火裂纹，其形状与淬火裂纹相同。

、回火缺陷

回火缺陷主要指回火裂纹和回火硬度不合格。所谓回火裂纹，是指淬火状态钢进行回火时，因急热、急冷或组织变化而形成的裂纹。有回火硬化（二次硬化）现象的高合金钢，比较容易产生回火裂纹。防止方法是在回火时缓慢加热，并使回火温度缓慢冷却。硬度过高一般是因回火温度不够造成的，补救方法是按正常回火规范重新回火。回火后硬度不足主要是回火温度过高，补救办法是退火后重新淬火回火。出现硬度不合格时，首先要查找原因，检查是否发生混料，因为这也是引起淬火后硬度不合格的主要原因。回火脆性，是钢的一种热处理特性，而不是热处理缺陷。但如果不注意这种特性，有时就会成为回火缺陷的根源。回火脆性一般有两类，第一类是低温回火脆性，钢在250-400度范围内产生，生产过程中无法通过改变工艺操作来消除，只能尽量避免在此温度范围内回火，或改用等温淬火工艺来代替淬火加回火；第二类是高温回火脆性，某些合金钢在450-575度回火，或在稍高温度下回火后缓慢冷却，出现了冲击韧度下降的现象，这类已脆化的钢再次重新加热至预定的回火温度，然后快冷至室温，脆性消失，所以也叫可逆回火脆性。

、变形和开裂

减少变形及防止裂纹的措施

淬火的目的是为了获得马氏体，就要快速冷却，但这又会引起淬火内应力，淬火工件发生变形和开裂的根本原因是由于淬火内应力造成的。因此，除制定合理的淬火工艺外，同时还必须设法减小淬火内应力，防止变形和开裂。所以有必要对淬火过程中产生的内应力有所了解。内应力有热应力和组织应力两种，它们的成因和作用是不同的。

热应力与组织应力的分布规律：

①热应力：工件加热或冷却时，由于工件表层和心部温度变化不同时，造成热胀冷缩不均，这种由热胀冷缩不均而产生的应力叫热应力。工件加热时，表面温度比心部高，表面受热膨胀，心部温度低未膨胀，这时表层受压应力，心部则受拉应力。透热后，心部温度升高而膨胀，使表层产生塑性变形，此时，工件表现为体积膨胀。工件冷却时，表面冷速比心部快得多，表层要收缩，中心温度尚高不让收缩，对表层产生拉应力，心部则产生压应力。继续冷却时，心部要发生收缩，这时表层已冷硬不让收缩，于是对心部产生拉应力，表层则受压应力，这种应力在冷却结束后仍存在于工件内部，叫残余应力。

、热处理工艺及曲线图

40Cr热处理工艺的制定按上述知识，对40Cr钢分别采用退火、正火、淬火、不同的回火温度情况下的热处理，测定不同情况下试样的硬度与冲击韧性值。 ①退火工艺的制定

加热温度：A 。+(3O～50) C，由此确定加热温度为850 C；保温时间：120min；冷却方式：随炉冷却。 ②正火工艺的制定

加热温度：Ac。+ (30~50)C，由此确定加热温度为850 C；保温时间：120min；冷却方式：空冷。 ③淬火工艺的制定

图2为淬火工艺曲线图。

加热温度：A 。+ (3O～50)C，由此确定加热温度为850C；保温时间：80min；冷却方式：油冷。 ④.回火工艺的制定 1.低温回火

图3.淬火加低温回火工艺曲线图

亚共析钢的低温回火温度为150 C～3O0 C，但钢材的第一类回火脆性温度在250 C～400 C，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 C；保温时间为60min；采用空冷。 2. 中温回火

中温回火温度为350 C～500 C，选用温度为460 C；保温时间为50min； 空冷。

图4为淬火加高温回火工艺曲线图。

高温回火温度为500C～650 C，可选用加热温度为620 C； 保温时间为60min；空冷。

5 检验项目

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。 ①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。 ②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。可采用硬度法测量。硬度压痕应当打在垂直于表面的一条或多条平行线上，而且宽度为区域内，最靠近表面的压痕中心与表面的距离为，从表面到各逐次压痕中心的距离应每次增加。当表面硬化层深度大时，各压痕中心的距离可以大一些，但在接近极限硬度区域附近，仍应保持压痕中心之间的距离为。用垂直表面横截面上的硬度变化曲线来确定有效硬化层深度。由绘制的硬度变化曲线，确定从零件表面到硬度值等于极限硬度的距离，这个距离就是感应淬火后的有效硬化层深度（有效硬化层深度(DS)：是指从零件表面到维氏硬度等于极限硬度那一层之间的距离。极限硬度(HVHL)：是指零件表面所要求的最低硬度(HVMS)乘以系数，通常

HV1试验力系数可以选用，也可以选用或者更高。）。 ③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35~45。

6 分析与讨论

高速中载机床齿轮热处理工艺设计已经在前面展示，单就其性能以及热处理的过程想必是没多大问题，若放入实际生产中有很多不可预知的问题，因此，不能纸上谈兵须得到工厂或者实验室中反复的通过实验数据进行分析，然后在得出最重要的结论用于实践中，从而在生产中减低成本、提高效率并且减少工时，降低能源消耗。

7 结束语

这次高速中载机床齿轮热处理工艺设计的完成，让我不仅通过自己的努力大

致了解了40Cr机床齿轮的制作流程，还学会了把自己书本上学到的知识运用到实际物体上去。

课程设计涉及的东西非常多，为了完成课程设计，我花费了大量的时间来查阅资料，做了大量的计算。其中，我发现了一些特点。首先，课程设计的过程和结果不是唯一的，因为很多数据都是在一个范围内取值，即使初始数据一样，后面取值不一样，结果也不同，但是只要符合要求，都是合理的。其次，计算的结果不一定要非常精确，因为有一些数据可以通过查表得到合理的范围，只要最终

的结果不超过合理范围就行了。接着，课程设计要按步骤一步步地来，因为很多计算结果都是环环相扣的，必须把前面的数据算出来，后面才能计算其他的数据，否则，你把公式列出来，发现很多数据都没算出来，根本无法计算。最后，当你设计完成了，要把数据带进去验算，可能有一些数据不合理，要重新算。

这次课程设计让我把以前的知识重新温习了一遍，同时也让我积累了更多的经验，为以后的工作打下了坚实的基础。

8

热处理工艺卡片

处理要求： 下料、锻造、零件名称：高速中载机床齿轮 热处理工艺卡 预备热处理(完全退火)、机械加工、淬火+低温回火、平磨、组装 热处理技术要求：恰当控制温度和时间 硬度：表面：52--58HRC 材料：40Cr 齿心25—28HRC 韧性：ａK=40～60J/cm2 工序名称 号 备 具 一工具装工具数 量 件 数量/ 温度/℃ 间 间 炉1 完全退火 500~870 -- 12min -- 冷 125m2 正火 850 5min 2h in 冷 油3 淬火 850 5min 2h 2h 冷 空 4 低温回火 250~400 1h 冷 空5 中温回火 460 50min 冷 空6 高温回火 620 1h 冷 更该日期 更改 单号 更改 标准 更改者 炉 加热时时/h合计 质 /℃ 保温介温度 设 工装 料 工 艺 规 范 冷 却 注 备

参考文献

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