CM6140车床主轴热处理文档格式.docx
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5.3淬火
5.445刚不要采用渗碳淬火
12
5.545钢调制处理
第六章热处理后光学金相显微组织
14
6.1正火热处理后的金相组织
6.1.1正火后金相图
61.2显微组织特点，显微组织中相组成物及组织组成物（组织组
分）
6.2调制热处理后的金相组织
15
6.2.1调制热处理后金相图
..15
6.2.2显微组织特点，显微组织中相组成物及组织组成物（组织组
第七章质量检验
16
7.1检验项目
7.1.1硬度
..16
7.1.2变形
7.1.3外观
7.2评定标准
第八章CM6140车床主轴热处理工艺参考文献
.19
第一章主轴的服役条件及可能的失效形式
1.1主轴的工作条件1.承受摩擦与磨损
机床主轴的某些部位承受着不同程度的摩擦，特别是轴颈部位,因为轴颈与某些轴承配合时，摩擦较大，所以部位应具有较高的硬度
及增强耐磨性。
但是某些部位的轴颈与滚动轴承相配合摩擦不大，所以就不需要太大的硬度。
2.工作时承受载荷
机床主轴在高速运转时要承受多重种载荷作用，如弯曲、扭转、冲击等。
所以要求主轴具有抵抗各种载荷的能力。
当主轴载荷较大转速又高时，主轴还承受着很高的交变功，因此要求主轴具有较高的疲劳强度和综合力学性能即可。
长期交变载荷作用易导致疲劳断裂（包括扭转疲劳和弯曲疲劳断裂）;
承受大载荷或冲击载荷会引起过量变形、断裂，长期承受较大摩擦，轴颈及花键表面会出现过量磨损。
轴类零件在试验过程中受到载荷情况相当复杂的，因而其损坏形式也是多种多样的，常见轴的失效形式有疲劳断裂、过量变形和过量磨损。
疲劳断裂是机械零件再循环变应力作用下，将会出现的疲劳断
裂。
所有机械零件在工作过程中的实效疲劳断裂与断裂失效的
50%~90%疲劳断裂一般会发生突然，危害性大，疲劳断裂是发生在
零件的局部应力区，某些晶粒在变应力作用下形成微裂纹，随着循环
数的增加，裂纹继续扩展，导致最终疲劳断裂。
真对疲劳断裂的特点,可以采用各种强化方法来提高零件的抗疲劳能力。
减少零件上各种会引起应力集中的缺陷，提高零件的抗疲劳能
力，材料中，金属材料特别是刚和钛合金的疲劳强度提高。
磨损是相互接触的零件间存在相互滑动时，接触表面会因发生摩
擦损耗而引起形状变化的现象，它是一种可以看到的，渐发生的破坏形式。
主要有磨粒磨损和黏着磨损。
磨粒磨损是由于相对运动的物体接触时，滑动表面高低不平，凸
出的硬质点将轴的接触面刨出沟槽或划伤而产生的破坏。
常见的磨粒
磨损有：
与切削、磨削加工类似的和有高强度、高硬度的磨粒进入两
个接触面间梨出沟槽。
黏着磨损是在两个相对运动的物体直接接触中，由于接触应力很
高而引起塑性变形，导致物体接触，温度升高并发生粘着、焊合现象,
分离时粘合处撕开，从而将小块料撕去，造成表面的损伤。
提高耐磨性，一是要材料有高硬度若材料中存在耐磨硬颗粒，更
有利。
二是材料具有小的摩擦系数，降低配对材料间的原子结合力,
此外，改善润滑条件，细化表面粗糙度。
是机械零件保持清洁等，均
有利于减少摩擦磨损。
变形失效主要有弹性和塑性变形失效。
弹性变形失效是零件因过量弹性变形产生的失效。
主要是指失去
弹性的能力，属于功能失效。
引起弹性变形的原因是零件刚度不够,
零件的刚度，除结构因素外。
还取决与材料的弹性模量，因此，要预
防弹性变形失效，因选择弹性模量高的材料制作零件。
过大造成的。
零件产生塑性变形，是由于实际工作应力超过了这种材
料的屈服强度。
再设计装配使用正常情况下，应考虑选用高屈服强度
材料。
经过对疲劳断裂、过量变形和过量磨损的分析，主轴应有较高的
回转精度及足够的刚度和良好的抗振性能、足够的刚度、屈服强度、
抗疲劳能力和高耐磨性。
表3—1
钢号
化学成分
试样毛柸尺寸
（mm
）
热处理规范
C
Si
Mn
Cr
V
B
淬火
回火
温
度
冷
却
剂
冷却剂
45
0.4
0.1
0.
25
8
水
55
0.5
0.3
40Mn2
50
0.2
80
1.
40
45Mn2
60
42Mn2V
1.1
90
35SiMn
1.4
40B
40MnB
52
水或油
0.0
01
04
59
40MnVB
40Cr
1.2
58
30
40CrSi
1.6
40CrV
.04
50CrV
0.8
1.3
035
试样
54
65
表3—2优质非合金结构钢的牌号热处理力学性能及用途
牌号
08F
08
15F
20
推荐热处理温
930
920
910
900
力学性能
S5/%
Ab/J
应用举
870
600
6b/Pa
295
325
335
355
376
410
450
s/MPa
不小于
175
195
205
225
245
275
35
33
31
29
27
23
强度硬
度低，塑
性韧性
高，冷冲
压性与
焊接性
优良。
切
削加工
性则佳,
热处理
强化效
果不显
著。
71
08~10
钢一般
轧成薄
钢板或
钢带供
应，宜制
作冲压
件和深
拉延制
品:
15-25
钢可用
作渗碳
钢，用于
制造表
硬心韧
的中小
尺寸的
耐磨零
件。
880
860
850
830
820
840
490
530
570
630
645
315
375
380
21
19
13
63
47
39
属于调
制钢，综
合力学
性能好,
热塑加
工性，切
性较差,
冷变形
性和焊
接性中
等。
多在
广泛。
注：
1.试样毛柸尺寸为25mm
2.表中所列正火推荐保温时间不少于30min，空冷；
淬火保温时
间不少于30min,70钢、80钢油冷，其余钢水冷；
回火保温时间不
少于一小时。
查表3-1可知，选用45钢即可。
因为主轴承受变弯曲用力于扭转应力，但由于承受的载荷并不是很大，转速也不高，冲击作用也不大，所以具有一般的综合力学性能即可。
但因为主轴大端的内锥孔和外锥孔处，经常与卡盘，顶尖相对摩擦，花键部位与齿轮有相对滑动,所以这些部位要求要有较高的硬度与耐磨性。
45钢的刚性虽淬透性较差，但主轴工作是最大应力分布在表面,
在粗车后，轴的形状较简单，在调制淬火时一般不会开裂。
因此选用
合金调制钢，采用廉价，可锻性和切割加工性皆好的45钢即可。
车床主轴直径较大，阶梯较多，宜选锻件毛柸。
并且节约原材料和减少加工工时。
3.2材料中含碳量及合金元素的作用1.45钢中含碳量的作用
含碳量0.42%~0.50%^保证调制后，碳化物有足够的体积分数,通过弥散硬化获得所需要的强度，碳含量分数也不宜过高，以防止塑性与韧性指标下降。
2.合金元素的作用
Si的含碳量为0.17%~0.37%钢中的作用是可以提高钢的淬透
性，Si固溶于铁素体中还可起到固溶强化的作用。
Mn的含碳量为0.50%~0.80%钢中的作用是可以提高钢的淬透
性，Mn固溶于铁素体中还可以起到固溶强化作用。
45钢：
淬透性低，一般采用水或盐水冷却，变形开裂倾向大,
适合做截面尺寸小，力学性能要求不高的工作。
下料
正火的目的在于得到合适的硬度，便于切削加工，也改善锻造组
求,
调制热处理是为了提高主轴的综合性能，以满足心部的强度要
同时在表面淬火时能获得均匀的硬化层，为了更好的发生调制效
增加耐
以减
对轴颈和锥孔进行表面淬火，低温回火，旨在提高硬度,
磨性，常见机床主轴的工作条件，用材及热处理见表4-1.
人工时效的作用是进一步稳定淬硬层组织和消除磨削应力,少主轴的变形。
表4-1机床主轴材料
类别
工作条件
材料
热处理及硬
应用实例
渗碳
1.与滑动轴承配合
2.中等载荷，心部强度要求不咼，但转速咼。
3.精度不太高
4.疲劳应力较高，但冲击不大
20Cr
20MnVB
20Mn2B
渗碳淬火
58~62HRC
精密车床、内圆磨床等
的主轴
2.重载荷，高转速
3.咼疲劳，咼冲击
20CrMnTi
12CrNi3
58~63HRC
转塔车床、齿轮磨床、精密丝杆车床、重型齿轮铣床等主轴。
渗氮
3.精度高，轴隙小
4.咼疲劳，咼冲击
38CrMoVA
调质
250~280HBS
渗氮》
900HV
高精度磨床
的主轴镗床
镗杆
2.中轻载荷
3.精度不咼
4.低冲击，低疲劳
正火
170~217HBS
或调质
220~250HBS
小规格局部
龙门铣床、
立铣、小型
立式车床等小规格主
轴，C65a
2.中等载荷，转速
较高
3.精度较高
4.中等冲击载荷
2.中、重载荷
3.精度高
4.高疲劳，但冲击
调制
或正
2.中小载荷，转速
整体淬火
42~47HRC大
规格轴颈表
面感应淬火
48~52HRC
轴颈表面淬
42MnVB
42CrMo
65Mn
GCr15
9Mn2V
50Mn2
C660C8480
等大重型车
床主轴
齿轮铣床、
火52~61HRC
组合车床、
（42CrMo取
上限，其他
钢取中下
限）装拆部
位表面淬火
48~53HRC
火》59HRC
装拆部位表
面淬火
50~51HRC
车床、磨床、
砂轮等主
轴。
磨、车主轴
般车床主
轴、
重型机床主
4.稍有冲击
192~241HBS
轴
第五章热处理工艺及曲线图
45钢锻轧件一般不作退火处理，一是长时间退火造成铁素体聚集，组织不均匀，二是周期长，生产率低，长采用高温回火和正火。
高温回火的温度在Aci以下，所以没有重结晶过程；
不能细化钢
的晶粒和组织，但可以消除或降低因锻轧而存在的内应力，降低硬度,便于切削加工。
而且，高温回火时间短，成本低，钢材氧化，脱碳少,在很多情况下可以取代完全退火，不完全退火和正火，工艺曲线如图
5-1所示。
550'
73（>
A二昌鼻
时何r"
i
图5-1高温回火工艺曲线
正火在840~870C的温度下进行，工艺曲线5-2图所示。
由于Ac
以上温度是钢的重结晶过程，可以细化晶粒组织，消除应力和降低硬度，提高且削加工性能，并得到一定的力学性能，可代替调制处理作为最后热处理；
或为感应加热表面淬火前的预备热处理。
正火的保温
时间按每毫米1.0~1.5min计算。
但在实际生产条件下，往往是根据
经验确定，保温后出炉在空气中冷却，正火后的硬度为W226HB
W"
-47O
时同T<
niin
图5-2正火工艺曲线
低温球化退火是冷挤压生产过程中一个不可缺少的工序。
低温球化退火的温度接近Ao点，经常时间保温后，可是片状球先转变成球
状球化体，硬度由原退火前的＞180HB降低至W145HB提高了塑性,
为冷挤压创造了条件，工艺曲线图如图5-3.
图5-3低温球化退火工艺曲线
45钢导热性良好，淬火时不需预热而直接放入炉内加热。
加热温度820~860C温度高低的选择；
视工件具体情况确定，比如重要工件要求。
变形严格的选用下限温度，碱浴、硝盐浴分级选用时选用偏高温度，而较大工件调质时，为提高淬透深度和心部性能，选用
840~860C的温度等。
工件到温即随时出炉淬火冷却，不需保温，即
所谓“零”保温，这是工厂普遍采用的方法，但对较大工件加热时,
为方便操作，可给予一定的保温时间，工艺曲线如图5-4
图5-4淬火工艺曲线
45钢的奥氏体稳定性差，加热后需快速淬火冷却才能获得高硬
度的马氏体组织。
NaCLNaCQ水溶液淬火，虽然变形大，裂纹倾向
敏感，但仍是广泛使用的介质，且需双液淬火，严格控制在水中的冷却时间。
其方法是1.小件冷却计算法，即工件有效厚度3~5mm在水
中冷却1s，而后即刻转入油中继续冷却完成马氏体转变2.大件听水法，工件在水中沙沙声（约200s）即将停止时转入油中冷却3.振动法，工件在水中传导给手感，振动即将停止时转入油中冷却。
这些需
要一定的实践经验和技巧条件可时选用二硝或三硝水溶液淬火。
45钢的马氏体转变温度（Ms=340C）较高，淬火后以组织应力为
主，呈张大变形，故对直径或厚度小于20mm的工件，应采取措施防止过大的变形和裂纹。
表5-1整体淬火硬度值与工件截面尺寸关系
截面尺寸/mm
<
3
4~10
10~20
20~30
30~50
50~80
80~120
硬度
水淬
54~59
50~58
50~55
48~52
45~50
40~45
25~35
HRC
油淬
30~35
—
表5-2刚的最大淬透深度①172mm
95%M
50%M
5~12
1~4
10~17
5~9.5
调制处理后零件具有良好的综合机械性能，广泛应用于各种重要
的结构零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆，螺纹，齿轮及轴类等。
但表面硬度较低，不耐磨。
可用调制+表面淬火提高零件便面
硬度。
渗碳处理一般用于表面耐磨，芯部耐冲击的重载零件；
其耐磨性
比调质+表面淬火高。
其表面含碳量0.8%~1.2%,芯部一般在
0.1%~0.25%（特殊情况下采用0.35%）,经热处理后，表面可以获得
很高的硬度（HRC58~62芯部更低，耐冲击。
如果用5钢渗碳，淬火后芯部会出现硬脆的马氏体，失去渗碳处
理的有点。
现在采用渗碳工艺的材料，含碳量量都不高到0.30%,芯
部强度已经很高，应用上不多见。
可以采用调质+高频表面淬火的工
艺，耐磨性较渗碳略差。
GB/T699-1999标准规定45钢推荐热处理制度为850C正火。
840C淬火，600C回火，达到的性能为屈服强度》355MPa
GB/T699-1999标准规定45钢抗拉强度为600MPa屈服强度为
355MPa伸长率为16%断面收缩率为40%冲击功为39J。
45钢是中碳结构钢，冷热加工性能都不错，机械性能较好，且
价格低，来源广泛。
它的最大弱点是淬透性低，截面尺寸和要求比较高的工件不宜采用。
45钢淬火温度在A3+（30~50）C在实际操作中，一般都是取上限的。
偏高的淬火温度可以使工件加热速度加快，表面氧化较少，且能提高功效。
为使工件的奥氏体均匀化，就要足够的保温时间。
如果实际装炉量大，就需适当延长保温时间。
不然，可能会出现因加热不均匀，造成硬度不足的现象。
但保温时间过长，也会出现晶粒粗大,
氧化脱碳严重的弊病，影响淬火质量，我们认为，如装炉量大于工艺文件的规定加热保温时间延长1/5.
因为45钢淬透性低，故应采用冷却速度大的10%盐水溶液。
工
件入水后，应当淬透，但不是冷透。
如果工件在盐水中冷透，就有可
能使工件开裂，这是因为当工件冷却到180C左右时，奥氏体迅速转
变为马氏体造成过大的组织应力所致。
因此，当淬火工件快冷到该温度区域，就应采取缓冷的方式，由于出水温度难以掌握，须凭经验操作，当水中的工件抖动停止，即可出水空冷（如能油冷更好）。
另外,工件入水宜动不宜静，应按照工件的几何形状，做规则运动。
静止的
冷却介质加上静止的工件，导致硬度不均匀，应力不均匀而使工件变形大，甚至开裂。
45钢调质件淬火后的硬度应该达到HRC56~59截面大的可能性
低些，但不能低于HRC48不然，就说明工件未得到完全淬火，组织中可能出现索氏体甚至铁素体组织，这种组织通过回火，仍然保留在基体中，大不大调制的目的。
45钢淬火后的高温回火，加热温度通常为560~600C,硬度要求
为HRC22~34因为调质的目的是综合机械性能，所以硬度范围比较宽。
国T«
削C冷IIiWn刊+PJXIMJ
总体上f；
M佩.Wimn抽45号別结匸火处M
麻闇力宁刑傩杯均高于阪准値（丘的9.5%’即壬
6.1.2显微组织特点，显微组织中相组成物及组织组成物（组织组分）
正火处理后的的室温组织为F块+P片,750C时，其高温加热区处
于铁素铁和奥氏体两相区（图1）铁素体及奥氏体晶粒细小，冷却后,由
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