40cr齿轮轴热处理工艺规程编制

40cr齿轮轴热处理工艺规程编制内容摘要：

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，要求以云南机电职业技术学院毕业论文 9 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3050HBS，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 840860℃ 油淬， 540620℃ 回火时，调质硬度可达2832HRC，可改善组织、提高综合机械性能；当 860880℃ 油淬， 240— 280℃ 回火时，硬度可达 4651HRC，则钢的表面耐磨性能好，芯部韧性好，变形小；当 500560℃ 氮化处理，氮化层 ，硬度 可达 5254HRC，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 云南机电职业技术学院毕业论文 10 2 40Cr 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 150300，但钢材的第一类回火脆性温度在250400，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 350500，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 500650，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 ： 40Cr 850 油淬 620 40Cr 850 油淬 460 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 850870 后保温，合 金元素就基本上能全部融入奥氏体中且晶云南机电职业技术学院毕业论文 11 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。 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。 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 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。 云南机电职业技术学院毕业论文 12 化学成分 断裂件化学成分光谱分析结果 （质量分数， %）见表 1，成分符合 GB/T30771999 技术要求。 断口检验 在 Zeiss EVO40 扫描电镜下观察断口，裂纹起源于表面，未发现夹杂等冶金缺陷（图2），整个断面以沿晶断裂为主，小部分区域为沿晶和韧窝混合断口（图 3）。 图 2 裂纹源形貌 云南机电职业技术学院毕业论文 13 图 3 断口微观形貌 金相检验 切取过裂纹源的纵向截面磨制金相试样，使用 zeiss 200MAT 金相显微镜观察，非金属夹杂物评级为： ， ， C0， ，用饱和苦味酸腐蚀后，晶粒度为 ~8 级，用3%硝酸酒精腐蚀后，金相组织为回火屈氏体（图 4）。 图 4 组织 500 3 回火脆性试验 冲击试验 云南机电职业技术学院毕业论文 14 因试样组织和晶粒度正常，断口以沿晶断裂为主，因此初步推断为回火脆性所致，为确定 40Cr 钢在 350℃ ~370℃是否出现回火脆性，取两组试样使用 NCS NI500 冲击试验机进行试验，热处理工艺为： 淬火： 850℃保温一小时，机油冷却，不同回火温度下保温一小时，水冷， U 型缺口，结果见表 2，冲击值与回火温度的对应关系见图 5. 断口形貌 不同回火温度下冲击试样断口形貌见图 6， 云南机电职业技术学院毕业论文 15 云南机电职业技术学院毕业论文 16 3 分析与讨论 40Cr 作为中碳调质钢，一般采用淬火 +高温回火，资料记载， Mn、 Cr 钢在较低温度回火时容易出现回火脆性，由模拟试验冲击值与断口形貌可以看出， 240℃以下回火断口以准解理为主，冲击值较低，随回火温度提高冲击值上升， 280℃ 380 之间断口出现明显的沿晶断口， 350℃时沿晶断口所占比例最多，冲击值明显降低， 460℃以上断口以韧窝为主，冲击值大幅提高，钢材化学成分、晶粒度、非金属夹杂物、金相组织均符合技术标准要求，模拟试验结果表明工件采用的热处理工艺使材料出现回火脆性。 5 结语 （ 1）工件使用的钢材符合技术标准要求； （ 2）由于用户在易出现回火脆性的温度范围内回火，导致工件出现回火脆性，在安装过程中受力断裂，建议将回火温度提高到 500℃以上，以获得良好的综合机械性能。 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HRC5260，火焰淬火能达到 HRC4855。 云南机电职业技术学院毕业论文 17 （ 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： 一般在退火（正火）状态下进行焊接。 焊接方法不受限制 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。 焊接材料应保证熔敷金属的成分与母材基本相同，如 J107－ Cr 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。