65Mn主轴热处理工艺以及组织性能研究2.docx

1、65Mn主轴热处理工艺以及组织性能研究21引言对于当今社会中凡涉及到机械制造行业的任何领域中， 热处理就是一种非常重要而且广泛应用的基础工艺。热处理就是能够使金属类的材料放到某些介质中 进行加热、保温以及冷却，并经过来改变材料的表面结构或者内部的金相组织结 构控制材料性能的加工工艺。热处理行业可以看做是目前四大基础行业之一 （四 大基础行业包括表面处理、热处理、锻造、铸造），对于使我国机械行业得到提 高的重要行业之一，其主要有热处理加工服务行业与热处理设备制造行业这两个 重要的行业组成。机械制造行业 一般情况下，比较重要的机械零件（比如：齿轮、连杆和轴承等）以及模具都需要热处理这个环节的。 通

2、常只要选取的材料好，进行热处理技术好，就可以使这些零件的使用寿命得到 翻倍的提高，就能够实现“搞好热处理，零件一顶几”的目标。热处理在提高产 品的质量，节约加工材料，减少能量的损耗，提升产品的寿命以及发挥金属材料 的性能都有着非常重要的意义，并且在提高精力效率也有着很高的价值。1.1热处理技术机械制造行 其处于整个1996年到现在，很多国家都工业领域当中，具有非常广泛的应用潜力。热处理技术在某些方面的发展是不能 被忽略的，比如：在充分利用材料的潜能来节约能源， 以及当今社会的可持续发 展道路上面等。对于世界上一些比较发达的国家， 他们都已经投入了大量的时间 精力以及金钱来使热处理技术得到更好的

3、发展，从 规划了 21世纪热处理技术的长期发展目标，比如：日本，美国以及欧洲的某些 发达国家。1.1.1 精确生产和零畸变 在对金属材料进行热处理中的加热和冷却时， 会对材料的形状与尺寸大小发 生变化，加工余量变多可以通过再加工来消除， 当变形特差就会使材料报废，就 会让资源得到浪费。对于工件的变形也会使精密性得到减弱，就能够让效率得到 降低，能耗变大以及噪声出现等问题。因此，对于热处理中的零畸变也是非常重 要的，所以需使热处理过程中具有比较正确的生产标准。 精确的生产需依靠比较高的控制精度以及热处理设备的可靠运转，材料成分组织合适以及相对应的热物 理性能、工艺性能的偏差比较小来保证，才能够让

4、同一批次的工件的质量差异很 小可以忽略不计，也可以使不同批次的炉所处理的工件质量的重现性得到一定的 提高。热处理的冷却阶段最容易使工件出现变形这种现象， 而淬火阶段的工件需均 匀的冷却，通过减少工件表面与心部的温差来减少畸变特别的重要， 因此选取冷 却方法以及冷却时所用的介质特别重要。当选取循环搅动方法控制冷却，选取聚 合物当介质，并选取合适的淬火温度来控制淬火油面压力， 这样就可以为减少畸 变得到很好的条件。目前，用实现等温与分级淬火来减少变形这种方法被国际知名品牌汽车齿轮 处理所利用，也可以通过减少齿轮心表的温差以及相变的不同时行这种方法， 使热应力与组织应力之间的差异得到缩小。在某新闻报

5、道中提到，某汽车齿轮处于 低压渗碳之后可以用变相高压气淬火，能够让同步环齿轮的畸变处在一个十分小 的范围之内。在这里提出，对于目前比较先进的工艺法、设备的可靠性以及传感器的精确性都应该比较认真的管理，这样才可以得到比较精密控制的完成的用于现实中的 系统时比较精确的，也就是说这样就能够生产出的产品属于无废品次品的， 并且保证产品的质量分散度也是为零的生产。1.1.2少无氧化和少无脱碳当金属材料工件处于空气当中时，对其进行加热之后就会造成氧化与脱碳这 种现象，这种现象也就使工件表面的状态以及加工的精度得到损坏。 经过热处理以后，工件的表面出现脱碳这种现象，就会使性能得到下降，其硬度也会下降， 再就

6、是其耐磨性也会有所下降，而且工件的表面也就产生张应力， 抗疲劳性就会 下降等情况出现。因此，进行加工时就应该具有去除氧化脱碳层这一环节， 这样就会使成本上升，材料得到浪费，成品率就会得到降低。热处理技术中的少无氧化技术都有以下几种：应用气氛、真空、感应、流态 床、盐浴、激光束、电子束、离子束、涂层、包装 (P ack in g)以及还原性火焰下 的燃烧炉加热技术。应用气氛主要有惰性、中性气氛和可控气氛这三种。可以对 惰性和中性气氛进一步干燥，能够让露点降低到 -60 C以下。也可以使可控气氛 在所需要的温度情况下具备还原性这种特性，其对于防止脱碳还必须要遏制气氛 碳势。最近三十来年，应用气氛具

7、有应用氮基气氛之后， 其就能够应用碳分子来 筛选吸附空气用于制作氮以及利用薄膜分离的方法来制作氮。相对于渗碳来说， 可以由甲醇和纯氮裂解而来的气体合成的气氛能够取代了应用型天然气。 对于应用真空中，可以让达到0.1 PA的真空度，就能够完成绝大多数的金属 金属次啊了的加热但是在无氧化的情况下， 又因为真空中的加热选取的是辐射加 热这种类型，其加热的速度比较慢。一般情况下，如果给入约 0.8 X 105Pa的气氛或者惰性气体的时候，再通过加大对流用来让加热速度得到增大， 这种方法慢 慢的就会在热处理技术中得到广泛的应用。 目前，比较广泛应用的真空热处理设备具有下面几种：回火的柔性生产线、高压气淬

8、、高压气淬结合的半连续生产线、 低压渗碳以及低压渗碳高压气淬和多室低压气淬等。感应加热这种情况具有加热速度比较快这种特性，就会使材料工件的氮化现 象不够严重，这种方法可以认为是少无氧化的加热方法， 对于不让发生氧化情况 时就能够使用感应加热这种方法，并且加入气氛为其进行保护，日本的某一个公 司已经利用这种技术并且提供了这种技术的方案。 对于所了解的文献，可以查阅 到关于感应加时加入渗碳热处理的文献。_工件当处于空气中，或者具有 CO和HO的氧化性气氛中进行加热时，就会 出现脱碳这种不好的现象，脱碳这种现象要比氧化这种现象更为的严重在进行热 处理的时候，其要求也就更加的严格。相对于加热淬火这种情

9、况来说，应用 CO-CO2 N2-CO-C02-H2-H2O昆合气氛，其炉子中的碳量必须要和材料工件的表 面的含碳多少一模一样的，当进行碳量比较高的材料工件进行加热的时候， 应该在国外的热处理技术中， 对于脱碳严格控制炉气的碳势。当进行应用真空的加热方法时，如果真空度够不氧化的情 况时，这种情况就不可能出现脱碳这种现象。 现象这种情况出现的概率控制的非常严格。1.1.3开发节约能源的设备和工艺对于开发一种比较节约能源的设备与工艺是一项比较重要的项目。 这几年以来，出现了连续型炉子代替了周期型的炉子这种情况， 是由于其节约能量的能力比较大。在燃烧炉子上面，利用的是比较搞笑的热转换器来预热空气的，

10、其能够 合理的掌控燃烧系数的范围，也可以广泛的使用具有蜂窝式周期蓄热器装置， 其也可以达到比较好的节约能源的现象。根据炉子的表面设计情况分析，能够知道炉子表面面积直接决定了炉子的散 射量的多少，所以，圆形外表面的炉子要比矩形外表面的炉子的面积小百分之 14,其稳定也下降了 10C左右，炉子表面的散热也就少了百分之 20左右。就因 为这种情况，目前好多公司都已经把之前所用的外表面换成了圆形的外表面来设 计。有文献中显示，日本的某个矿业公司将很久之前的渗碳、淬火、清洗以及回 火等推杆方式的生产线进一步的得到改变，让燃烧脱脂的方法取代了前清洗的方 法，并且回火炉中的部分热源园区了脱脂废气的热量， 将

11、渗碳炉排出的气氛用作脱脂炉和碱液清洗槽及淬火油的加热，从这种方法就能够合理的利用并且大大的 减少燃料费用的百分之 40,也使热处理的环境得到进一步的改善。对于我国来 说，节能设备更具有很大的潜力，这样就使得我国的热处理研究人员以及制造商 对这方面特别的关注。对于研发比较节能的热处理工艺是一项比较好的方案， 如果采用高温渗碳的这项技术不管在 并且是未来很好方式，就可以使热处理工艺的时间减少很多，日本在很早之前就对这项工艺进行 了研究，并且把渗碳的温度由930r提升到了 1050C,同时也使热处理工艺时间 减少了百分之40。但是对于一般的电阻炉来说，其内部会得到发热体以及耐热 材料的限制就会很难的

12、实现，如果采用的是真空炉中实行低压渗碳，处于10500 时进行渗碳就是一件比较容易地事情。目前，对于乙炔渗碳的方法早就很成熟的 在投入生产，在真空渗碳方面这项技术得到了突飞猛进的进步， 质量、经历以及环保方面来说，都是比较受到大家的一直认同， 的发展技术。1.2我国热处理工业目前状况以及与国外存在的差距1.2.1目前状况我国的热处理行我国在热处理方面的发展相比于美国以及欧洲的发达国家， 业没有他们发展快，也没有他们的技术好，下面主要阐述一些关于我国在热处理 方面的情况。我国目前在热处理方面的工厂、 分工厂、车间、股份制以及民营热处理企业 大约有15000家，其中民营企业就占到了百分之八十， 大

13、约共12000家，而个体 户或者股份制的企业大约共有 3000家左右。这些企业中员工大概具有37万人左 右，其中包括技术人员以及管理人员， 他们分别具有3万人和3.3万人左右，分 别占到总数的百分之8和百分之9。在整个国家热处理方面的设备总共有 15万台左右，其装机的容量大概在11 X 106kW根据调查可以得到，我国加热设备每 年可以生产将近45X 106t，而消耗的电量总共是9.9 X 109kWh营业额也大约处 于310亿元这个水准。从上分析可以得出，我国每年的劳动生产效率基本在 8.7万元/人年，超出了我国之前的水平，但是仍然相比去国外发达国家来说还是不 足的。对我国民营企业的热处理方

14、面进行分析得到，企业发展大约有 3000家，假设每个企业每年的平均营业额是 200万元，那么一年大概就是60亿元左右，占 我国热处理方面营业额的百分之二十， 相比于美国来说就多大约百分之十，比日 本少百分之三十。再假设每个企业的员工人数有 10人左右，那么全部员工的劳动生产效率就是20万元/人左右，是美国方面的四分之一左右。在上海地区这个 数字应该会比较高，这只是一个大概的推测。查阅到一篇文章报告了上海大概在 2000年左右的热处理设备状况，整个上 海市具有加热炉6500台左右，装机的容量处于36万kW这个水平，整个一年的 用电量是3亿kWh而整个一年热处理的工件分量是 60万吨左右，按照上述

15、数据计算得到耗电数大概是 500kWh/t，处在全国比较靠前的位置，已达到当时的 任务目标。相比于最近这几年，这个数据大概应该会由下降的趋势。 但是这个数据与Holcroft公司设备的先进能耗（356kWh/t）比具有一定差距。这里应该特别 强调的是，所有的数据都是平均值，而且先进的设备数据只是这一台的数据， 在此只是做一个说明而已，对于影响能力损耗的因素是比较多的。1.2.2热处理设备现状和差距热处理方面所使用的炉我国主要是以电炉为主，其占到了百分之九十以上， 但是其也存在着能耗高，热效率比较低以及性能比较的差的问题。 在我国的热处 理生产厂商中，由一部分的设备还处于上世纪制造的水准，还处于

16、没有摆脱上世 纪的产品当中。热处理设备百分七十都是处于空气当中进行加热的， 其他的加热比如真空加热或者可控气氛加热就占百分十五左右。根据1985年我国热处理电阻炉的数量以及构成表情况，可以知道，一般箱 式炉、盐浴炉和井式炉占的比例分别是 35.56%, 21.31%和21.30%。再根据上海市热处理行业的设备统计可以知道， 一般箱式炉、盐浴炉和井式炉占的比例分别 是40% 5.55%和29.11%。进行比较久能够得到，我国的热处理设备当中，经过 这么多年的改革，一般箱式炉与井式炉比重的差距不是很大。 此外，上海真空炉、可控气氛炉的比例提高至3.67%和8%合计为11.67%,虽比1985年的1

17、.68%提 高了近10倍左右，但其还不能够完全的适应热处理工业中工艺的比例：渗碳 /碳氮共渗占20%;中性气氛中淬火占 20%;在真空中淬火占15%退火/去应力占 10% 再就是其他的工艺比如：感应热处理、渗氮、钎焊、盐浴热处理和有色合 金热处理约占35%（美国）。金属工件材料当处于氧化的介质中进行加热时，就会使其氧化损耗比较眼 红，汽车制造上的烧损大约在百分之 7.5，可以理解成每一台装重汽车会使比较 好的刚才大约损失4050kg，每一台的汽车会损失大概 2530kg，如果采用无 氧化的加热方法，就能够节约大概百分之 20的材料。少无氧化加热方法已经到 了刻不容缓的地步，那怕我国的一些企业在

18、少无氧化加热处理这种方法的比例占 到了百分之80,但一般水平还处在百分之30左右。并且我国的设备基本上海处 于人工操作，会使劳动量得到增大。80以上，根1980年只有上世纪的八十年代到九十年代，标志着热处理水平已经达到了少无氧化热处 理技术方面，发达公家的工业在无氧化热处理中已经占到了百分之 据报道显示得到，欧洲的发达工业国家利用真空加热处理的零件在百分之3,在1985年达到百分之18,2000年的时候就是百分之23,可控气氛热 处理的比例也由19%增加到29%在氧化气氛中热处理工件由 57%减少到7%从- 这方面来说，我国目前还处于一个比较低的水平。 对于我国来说，需要解决的设备的同时，也应

19、该关注热处理加工市场的趋势。 我国对于目前的热处理公家能力存在着过剩这种现象， 一般的设备评价利用率只有百分之30。需要注意的是刚投入生产的热处理企业，没有固定的客户网络是 在当今社会行不通的。美国对于 2020年的远景中提到，与客户长期的合作是重 中之重，应该从刚开始的产品设计理念在内， 才能够使加工的时间减少以及使热 处理工程生产的成本效果降低。参考文献文中著录2 磨床砂轮主轴的生产工艺数控机床是我国制造业尤其是国防工业中的一件核心装备， 其技术水平的高低对于现代化工业进程的高速前进起着重要的作用。它的发展追求高精度、高效 率及高的可靠性， 其质量与可靠性又直接影响到其加工精度及生产效率

20、。而机床主轴作为数控机床中最核心的一个部件， 它带动着工件或刀具旋转，用来支撑传动零件、传递运动及扭矩，其运动精度就需要力学性能相匹配的材料作为支 撑。对于机床主轴用材料的选择，一般工作条件下会用 45钢。若对于精度要求较高的工作条件，就需要强度、硬度及其他力学性能更好的材料。 40Cr钢为现阶段机械制造业中广泛使用的合金钢， 其调质处理后具有良好的综合力学性能，可用于载荷较大表面要求较硬的机床主轴，其疲劳性、组织特性等性能很多研究 者做出了研究探讨2-5。65Mn钢其强硬度较高，耐磨性好，可用于精度要求较高 的磨床砂轮主轴，对于其组织性能的探讨也有很多研究者做出了贡献 6-8。本章主要从65

21、Mn主轴的生产工艺方面进行介绍，主要包括65Mn主轴的零件 图，并对该轴的服役对象、服役条件以及性能要求分析说明，从而得到 65Mn主 轴的成分。再介绍了主轴的生产工艺流程，并得到了热处理之后的性能要求， 为 热处理的工艺设计提供了基础。2.1磨床砂轮主轴零件图如图1所示为65Mn主轴零件图。图1 65Mn主轴的零件图2.2主轴的服役条件、失效形式以及性能要求2.2.1服役条件、失效形式I主轴是机床的重要零件之一，主要传递动力。切削加工时，高速旋转的主轴 承受弯曲、扭转和冲击等多种载荷，要求它具有足够高的强度、刚度、耐疲劳、 耐磨损以及精度稳定等性能。与滑动轴承相配的轴颈可能发生咬死(又称抱轴

22、)，使轴颈工作面咬伤，甚 至咬裂，这些都是主轴常见的失效形式之一。主要起因有润滑不足、润滑油不洁 净、轴瓦材料选择不当、结构设计不合理、加工精度不够、主轴副装配不良及间 隙不均等。咬死现象一旦发生，则主轴运转精度下降，磨削时产生振动，被磨削 零件表面出现裂纹。解决措施除对上述原因改进外，在主轴选材和热处理方面， 应提高硬度、热硬性、热强度以增强抗咬死能力。带内锥孔或外圆锥度的主轴，工作时与配合件虽无滑动，但装卸频繁。例如, 铣床主轴常需调换道具，磨床头尾架主轴常需调换卡盘和顶尖， 磨床砂轮主轴常 需调换砂轮等，在装卸中都易使锥面拉毛磨损，影响精度，故也需硬化处理。 2.2.2性能要求性能要求：

23、(1)具有高的刚度；_(2)具有高的抗震性能；(3)这段置前，紧跟零件图。具有高的耐磨性能；(4)具有高精度。2.2.3化学成分65Mn主轴的化学成分如表 1所示。 表1 65Mn主轴化学成分(wt%兀素CMnSiCrNiPSCuFe含量0.651.110.260.020.010020.0120.01Bal.成分分析：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

24、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(T S/农b以及疲劳强度和疲劳比(C -1/ C b)等。硅能促使铁素 体晶粒粗化，降低矫顽力。2.3热处理技术要求及生产工艺流程2.3.1 热处理技术要求技术要求：(1)莫氏4号锥体用着色法检验，接触长度与其工作长度之比不低于 80%接触均匀且靠近大端。(2) 用u棒检验内锥孔在靠近主轴端部跳动下得大于 0.005，在距离轴端150处跳动不大于0.008。2.3.2生产工艺流程热处理过程中的生产工艺流程如下： 原材料检验f下料f球化退火f调质f表面淬火f检验(尺寸与硬度)2.4淬火设备的选

25、择 此节出现在这不合适，删淬火设备：选用保定红星高频设备有限公司的 GCJ1050/50立式感应加热淬火机床，淬火机床的外部标签图 如下：图2淬火机床的外部标签2.4.1设备的用途与特点 此段删(1)GCJ1050/50为立式感应淬火机床；(2)GCJ1050/50淬火机床是以工件升降运动为主，匹配 GP200-0.25-C电子管高频电源使用的成套设备之一；(3)GCJ1050/50淬火机床主要用于长度小于等于 500 mmlS勺轴类，之间 500 mm的盘类、齿轮类零件及一些特意零件的感应加热淬火，可实现一次，连续或 分段连续加热喷淋淬火；(4)且两档互GCJ1050/50淬火机床操纵系统设

26、置手动挡及自动挡操作方式，换。半自动操作按固定的程序循环动作； 5)GCJ1050/50淬火机床主控制采用PLC控制系统，控制按钮单独设置在淬 火操作位置附近，便于操纵者操作。机械传动采用交流电机驱动滚珠丝杠， 并利用系统PLC控制变频驱动电机，实现工作台旋转无级调速， 结构简单，使操作者 操作方便； |(6)GCJ2.4.2设备的技术规格I如表2所示为设备的技术规格表2设备的技术规格1夹持工作最大长度500 mm2淬火工件最大长度500 mm3最大行程长度600 mm4最大回转直径500 mm5最大零件重量100 Kg6工件移动速度1-80 mm/s7主轴旋转速度50-200 r/mi n8

27、冷却方式喷淋9输入电压380V 50HZ轮廓尺寸：长X宽X高10机床：1525 X 900 X 2750操作柜：300 X 500 X 1400重量：L(Kg)11机床：2000控制柜：1503热处理工艺设计金属热处理是机械制造中的重要工艺之一， 与其他加工工艺相比，热处理一 般不改变工件的形状和整体的化学成分， 而是通过改变工件内部的显微组织， 或 改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内 在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。本章通过热处理工艺流程对每一个部分进行详细的说明，其中最主要的热处 理工艺是：球化退火、调质、表面淬火。对 着三种工艺的设计过程中所需的加

28、热 温度、保温时间以及冷却方式等工艺参数也进行了 列举，并且也给出了工艺卡片， 最后对其热处理结果进行了分析。 用词不准确，表达不出设计的意思。3.1球化退火工艺设计球化退火主要用于过共析的碳钢及合金工具钢（如制造刃具，量具，模具所 用的钢种）。其主要目的在于降低硬度，改善切削加工性，并为以后淬火作好准 备。这种工艺有利于塑性加工和切削加工，还能提高机械韧性。3.1.1 工艺参数 （1） 加热温度 此处可以叙述加热温度的选择原则。选择:800-830 C理由：一般情 而此工艺一般是加热到800 10C，保温后快冷到700 10C （A1附近）再进行较长时间保温，之后，以 3050C /h的速度

29、冷却到600C出炉。写作顺序有问题，应先根据加热温度的选择原则，后分析本件的材料结构特 再给出最终加热温度。加热方法选取：等温随炉加热 理由：简单易控制，且属于预备热处理，对性能的要求不是很高。 保温时间选择：3-4h这个参数怎么来的？写出计算过程。 理由：保温的目的是为了使工件熟透并且得到比较均匀的奥氏体。 冷却方法选择：随炉冷却理由：表面与心部温度差距小，不易产生应力，防止其开裂。 热处理后结果检验方法_内容：硬度应小于220HB 方法：通过加载将钢球压头压入被检测的金属零件表面， 根据单位压痕面积上所受的负荷大小来确定硬度值。公式为： HB=P/F=P/Dtn ;其中，F:凹陷压痕的面积

30、；t:压痕凹陷的深度；检测面应是光滑平面。3.1.2工艺曲线 如图3所示为球化退火的工艺曲线。时间/h.尸度温图3 65Mn主轴球化退火工艺曲线3.1.3热处理设备的选择选择：KJX75-9炉理由：适用于轴类等长型零件的退火、正火、淬火及预热等，装炉量少，常 用于质量要求较高的零件。3.1.4工艺卡片如表3所示为球化退火的工艺卡片。表3球化退火的工艺卡片陕西XXX有限公司热处理工艺卡片产品型1号13M218018零件号120-300产品名1称11零件名称1主轴1工艺曲线：材料牌号65Mn零件重量140Kg*LOCC OQC C工艺路线下料，锻造，球化退火/505、 750 C1技术条件检验方法尸II1 /50 r -1 /0-6003-4h690-710 C4-5h 炉冷W 30 C /h -r -220-250HB处理部位球化退火硬度金相组织机械性能工艺留余量 r时间/h 允许变形量1工 序1 号工序名称1工序内容设备1装炉方式及工装编号装炉温1度加热温度1加热时1间保 温1时间冷却01时介质温 度1时 间1准备2球化退1火KJX75-9炉800-8301C1.8/min227随炉冷却690-710 C3检验