1、1辽 宁 工 业 大 学材料工艺学 课程设计（论文）题目：40Cr 机床齿轮热处理工艺设计院（系）： 光伏学院专业班级： 材料 111学号： 111802016学生姓名： 杨天宇指导教师 赵荣达起止时间： 2012-7-22012-7-122课程设计（论文）任务及评语院（系）：光伏学院 教研室：材料科学教研室学 号 111802016 学生姓名 杨天宇 专业班级 材料 111课程设计（论 文）题 目40Cr 机床齿轮规淬火回火时效热处理工艺设计课程设计（论文）要求与任务一、课设要求熟悉设计题目，查阅相关文献资料，概述相关零件的热处理工艺，进行零件的服役条件与失效形式分析，提出硬度、耐磨性、强度
2、等要求。完成工艺设计。阐述 40Cr 机床齿轮规热处理工艺理论基础，选择设备、仪表和工夹具，阐述40Cr 机床齿轮规热处理质量检验项目、内容及要求；阐明 40Cr 机床齿轮规热处理常见缺陷的预防及补救方法；给出所用参考文献。二、课设任务1. 40Cr 机床齿轮的选择（要求在满足工件使用性能的前提下，兼顾经济性和工艺性，合理选择材料） ；2. 40Cr 机床齿轮相应的 C 曲线；3.给出 40Cr 机床齿规热加工工艺流程图；4.制定 40Cr 机床齿轮热处理工艺。三、设计说明书要求设计说明书包括三大部分：1）概述；2）工艺设计；3）参考文献。设计说明书结构见工艺设计模板 。工作计划集中学习 0.
3、5 天，资料查阅与学习，讨论 1.5 天，设计 7 天：1）概述 0.5 天，2）服役条件与性能要求 0.5 天，3）失效形式、材料的选择 0.5 天，4）结构形状与热处理工艺性 0.5 天，5）冷热加工工序安排 0.5 天，6）工艺流程图 0.5 天，7）热处理工艺设计 2 天，8）工艺的理论基础、原则 0.5 天，9）设计工夹具0.5 天，10）可能出现的问题分析及防止措施 0.5 天，11）热处理质量分析 0.5天，设计验收 1 天。指导教师评语及成绩成绩： 指导教师签字： 年 月 日3前 言现代工业的飞速发展对机械零部件及热处理对锻造机械加工的顺利进行和保证加工效果起着重要作用，而且在
4、改善或消除加工后缺陷，提高工件的使用寿命等方面起着重要作用。为获得理想的组织与性能，保证零件在生产过程中的质量稳定性和使用寿命，就必须从工件的特点要求和技术条件，认真分析产品在使用过程中的受力状况和可能失效形式，正确选择材料；再根据生产规模现场条件热处理设备提出几种可行的热处理方案。由于块规在使用过程中易磨损和碰撞，另外块规本身尺寸精确，因此要求块规具有高的硬度，高的耐磨性和高的尺寸稳定性以及一定的韧性。但块规没有单独专用的钢种，为了满足上述性能要求，块规选用，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
5、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1。本设计是在课堂学习热处理知识后的探索和尝试，其内容讨论如何设计40Cr 机
6、床齿轮规淬火回火时效热处理工艺技术，重点是制定合理的热处理规程，并按此设计 40Cr 机床齿轮规热处理工艺方法。4目 录一、齿轮轴热处理概述51、齿轮轴的服役条件失效形式及性要求求2二、40Cr 的基本性质21、40cr 的化学成分及力学性能22、40Cr 的特性及用途33、合金元素的作用541、40cr 刚中铬元素的作用542、40cr 刚中硅元素的作用6543、40cr 刚中锰元素的作用75、40Cr 材料的焊接性.8三、齿轮生产工艺线路及分析81、齿轮轴材料的选择.82、40cr 热处理工艺特征介绍.103、40cr 齿轮轴断裂原因案例分析114、热处理工艺165、热处理工艺的确定176
7、、40Cr 钢调质热处理197、热处理常见的缺陷及防护措施216（1）氧化和脱碳21（2）过热和过烧22（3）软点22（4）淬火裂纹23（5）回火缺陷24（6）变形和开裂.24.8、热处理工艺及曲线图25（1）退火工艺的制定25（2）正火工艺的制定25（3）回火工艺的制定2679、40Cr 热处理金相组织分析28（1）正火热处理的金相分析28（2）调质热处理的金相分析29四、质量检验项目291、检验项目29（1）工件变形检查29（2）淬硬层深度检查29（3）硬度检查29（4）金相组织检查30五、参考文献318一 齿轮轴热处理概述9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
8、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
9、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
10、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11 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
11、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。12 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；105.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、1 40Cr 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 Ac1c3r1Ar30.370.45 0.50.8 0.20.4 0.81.1 743 800 693 7301.2 力学性能40Cr 圆棒试样毛坯尺寸（mm）：25 热处理：
12、 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（b/MPa）： 980 屈服点（s/MPa ）：785 断后伸长率（5/%）： 9 断面收缩率（/% ）： 45 11冲击吸收功（Aku2/J）：47 布氏硬度（HBS100/3000 ） （退火或高温回火状态）： 207313 4OCr 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
13、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 550570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
14、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
15、。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（IT6IT9） 。 12(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。
16、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 0.010.03mm，高精度轴（如主轴）通常为0.0010.005mm。 (四 )表面粗糙度 一般与传动件相配合的轴径表面粗糙度为Ra2.50.63m ，与轴承相配合的支承轴径的表面粗糙度为 Ra0.630.16m。 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
17、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 4552HRC
18、。 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5058HRC，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
19、HRC4246。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1 40Cr 钢中铬元素的作用13(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 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
20、铬量高的 Fe-Cr 合金中，若有 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2 40Cr 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.
21、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(s/b)并提高应劳强度和疲劳比(-1/b)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
22、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 14A、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3 40Cr 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，(+)区下移当锰含量超
23、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
24、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
25、性能有不利影响。在适当范围内应降低碳含量155、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250300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J107Cr 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
26、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
27、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
28、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，16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
29、-880油淬，240280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
30、。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2 40Cr 热处理工艺特征介绍21 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。22 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
31、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：171、40Cr 850 油淬 50.2 620 24.42、40Cr 850 油淬 51.8 460 41.33、40Cr
32、850 油淬 49.3 240 50.340Cr 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
33、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（350370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
34、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18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，%）见表 1，成分符合 GB/T3077-1999 技术要求。2.2 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19图 3 断口微观形貌 2.3 金相检验切取过裂纹源的纵向截面磨制金相试样，使用
35、zeiss 200MAT 金相显微镜观察，非金属夹杂物评级为：A1.5，B0.5，C0，D1.0，用饱和苦味酸腐蚀后，晶粒度为 7.58 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 5003 回火脆性试验3.1 冲击试验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 350370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.表 2 不同回火温度下的
36、冲击值（J）回火温度200 240 280 320 350 380 420 460 500第一 27 28 12 10 10 16 34 50 7020支第二支24 29 10 14 8 13 34 50 71第三支25.5 28.5 11.0 12.0 9.0 14.5 34.0 50.0 70.53.2 断口形貌不同回火温度下冲击试样断口形貌见图 6，213 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
37、-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。4、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
38、。 （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 HRA7278，即HRC4355。 22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
39、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250300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 J107Cr 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。
40、5、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 3050,而对于中碳合金钢的正火温度正火温度通常为 Ac3 以上 50100 ，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 850900。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
41、;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 23 小时左右。（3）淬火温度的选择2340CrMo 钢，含碳量为 0.42%，属于亚共析钢，含碳量为 0.42%钢的 Ac3 为800，由亚共析钢淬火温度要求 T=Ac3+3050（）可得，淬火温度T=830850（） ，我们可以设定在 840。（4）淬火保温时间的确定根据有效长度 /2=80/2=40mm，可查知，保温时间要大于 56min，
42、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（钢的热处理胡光立、谢希文 西北工业大学出版社。 ）查出含碳量为 0.40.5%的曲线带，再在纵坐标上查出HRC=3540，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 11.5h。回火后空冷即可。6 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
43、能，一般含碳量控制在 0.300.50%。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。(2) 40Cr 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：（一）40Cr 工件淬火后应采用油冷，40Cr 钢的淬
44、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。（二）40Cr 工件调质后硬度仍然偏高，第二次回火温度就要增加 2050，不然，硬度降低困难。（三）40Cr 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：（一）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
45、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24零件冷却液要讲究速度，大工件予冷要掌握时间。（二）工件装炉量要合理，以 12 层为宜，工件相互重叠造成加热不均匀，导致硬度不匀。（三）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。（四）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。（五）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。（六）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。 （
46、七）严把质量关，淬火后硬度偏低 13 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 HRC2535，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。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综合力学性能，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 30MM40MM，适用于制造较重的调制件，如机床主轴、汽车、拖拉机上的连杆、螺栓等。25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
