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1、45钢车床主轴箱齿轮的热处理工艺设计45钢车床主轴箱齿轮的热处理工艺设计1 热处理工艺课程设计的目的，任务及方法1.1 热处理工艺课程设计的目的 热处理工艺课程设计是高等工业学校金属材料工程专业一次专业课程设计练习，是热处理原理与工艺课程的最后一个教学环节。其目的是：培养学生综合运用所学的热处理课程的知识去解决工程问题的能力，并使其学习知识得到巩固和发展。学习热处理工艺设计的一般方法，热处理设备选用和装夹具设计等。 进行热处理设计的基本技能训练，如计算、工艺图绘制和学习使用设计资料、手册、标准和规范。1.2 热处理工艺课程设计的任务进行零件的加工路线中有关热处理工序和热处理辅助工序的设计。根据

2、零件的技术要求，选定能实现技术要求的热处理方法，制定工艺参数，画出热处理工艺曲线图，选择热处理设备，设定或选定夹具，填写热处理工艺卡。最后，写出设计说明书，说明书中要求对各热处理工序的工艺参数的选择和各热处理后的显微组织，作出说明。1.3 热处理工艺设计的方法热处理工艺的最佳方案是在能够保证达到根据零件使用性能和由产品设计者提出的热处理技术要求的基础上，设计的一种高质量、低成本、低能耗、清洁、高效、精确的热处理工艺方法。热处理工艺设计的流程：45号钢齿轮的热处理工艺流程的设计制定热处理工艺参数选择热处理设备设计热处理工艺所需的挂具、装具或夹具分析热处理工序中材料的组织和性能填写工艺卡片2 热处

3、理工艺课程设计的内容2.1 课题简图图2.1 主轴箱齿轮示意图2.2 技术要求车床圆柱齿轮表面进行高频感应淬火 调质硬度：200-250HB 表面硬度：45-50HRC 淬硬层深度：1-2mm 工件重量：6 kg 生产批量: 6件2.3 主轴箱齿轮材料的选择，工作条件及其性能要求2.3.1 材料的选择根据对齿轮力学性能的要求，应从具有好的综合性能指标这个要素选材，工业生产中常用的金属材料主要是钢、铸铁及合金。中碳钢的含碳量在0.25%0.6%,位于低碳钢与高碳钢之间，其性能也同样位于两者之间，有较好的综合性能，因此中碳钢适合做齿轮。并且其价格也比合金钢便宜，本次课程设计选用45号钢作为主轴箱齿

4、轮的材料。45钢。45钢含碳量在0.45%左右，含有小量的锰，硅等，硫磷含量较低的优质碳素结构钢。45号钢是常用中碳调质钢，综合力学性能良好，淬透性低，水淬时易生裂纹。特性及应用：未热处理时，HB229，强度较高，塑性和韧性尚好，用于制作承受负荷较大的小截面调质件和应力较小的大型正火零件，以及对心部强度要求不高的表面淬火零件，如机床主轴、曲轴、传动轴、齿轮、蜗杆、键、销等。2.3.2 工作条件不同齿数的齿轮相互啮合改变转速转速较高，中等载荷；齿面疲劳强度高制造，安装精度要求高。2.3.3 性能要求为了满足齿轮的工作的条件，防止出现疲劳、磨损以及断裂等情况的出现，需要求齿轮必须有较高的硬度及好的

5、耐磨性，齿面有较高的疲劳强度，齿轮心部要有足够的强度和韧度。2.4 45钢的介绍2.4.1 45钢的成分45钢成分见表2.1所示。表2.1 45钢的化学成分1（%）CSiMnPSNiCrCu不大于0.420.500.170.370.500.800.0350.0350.250.250.252.4.2 合金元素的作用碳（C）：保证形成碳化物所需要的碳和保证淬火马氏体能够获得的硬度。硅（Si）：常用的脱氧剂，有固溶强化作用， 能提高钢的淬透性和抗回火性，对钢的综合机械性能有利，还能增高淬火温度，阻碍碳元素溶于钢中。锰（Mn）：锰为弱碳化物形成元素。提高钢韧性、强度、硬度和耐磨性；提高钢的淬透性，改善

6、钢的热加工性能；锰量增高，降低抗腐蚀能力、焊接性能。铬（Cr）：提高钢的淬透性并有二次硬化作用，使刚在高温时仍具高强度和高硬度，增加钢的耐磨性，增高钢的淬火温度；显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性；提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性；使A3和A1温度升高， GS线向左上方移动。镍（Ni）：能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性；对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。铜（Cu）：有抵抗大气腐蚀能力，防腐，可以增加钢的强度。2.4.3 45钢的物理性质表2.2 45钢的物理性质1密度/(g/cm3)熔点/比热容/J/(kg)（室温）弹性模量E/MPa(室温）切变模量G/MPa

7、(室温）泊松比(室温）热导率W/(m)(温度）线胀系数/(10-6 /)(室温100)电阻率(110-8m）(温度)7.861433577.78（200）209000823000.26946.89(200)11.7032.0(200）表2.3 45刚临界热处理温度3（）Ac1Ar1Ac3Ar3Ms7256907807513302.4.4 45钢的过冷奥氏体等温转变曲线45钢的过冷奥氏体等温转变曲线如图2.2所示。图2.2 45钢的过冷奥氏体等温转变曲线12.4.5 45钢的奥氏体连续冷却转变曲线45钢的奥氏体连续冷却转变曲线如图2.3所示。图2.3 45钢的奥氏体连续冷却转变曲线13 45钢主

8、轴箱齿轮的热处理工艺设计3.1 主轴箱齿轮热处理工艺流程下料锻打毛坯正火粗加工调质精加工(滚齿)高频感应加热淬火低温回火磨削3.2 正火工艺3.2.1 正火的目的目的：充分消除锻造引起的内应力，细化晶粒，适当提高齿轮的硬度，为以后的机加工做性能准备，同时为后序的热处理做准备工作。3.2.2 正火的温度正火温度：84010确定依据见表3.1表3.1 45钢正火温度3材料正火温度/45840-870 3.2.3 加热方法当炉温加热到840时，将工件装进热处理炉进行加热。原因是加热速度快，节约时间，便于批量生产。3.2.4 获得组织 细晶粒铁素体和索氏体。3.2.5 保温时间保温时间： 2h 确定依

9、据见表3.2所示。表3.2 45钢正火保温时间3材料保温时间451.8mm/min 3.2.6 冷却方式冷却方式：空冷确定依据：正火是将钢加热至Ac3或Accm以上30-50，保温一段时间后，从炉中取出在空气中自然冷却的金属热处理工艺。3.2.7 热处理炉的选择热处理炉的选择是根据工件的尺寸和重量，选择RJ2-40-9型中温井式电阻炉，设备参数见表3.3所示。表3.3 RJ2-40- 9型中温井式电阻炉参数4型号额定功率/KW额定电压/V额定温度/相数工作空间尺寸（直径深）/ mmmm最大装载量/kgRJ2-40-94038095036008004203.2.8 炉子的结构RJ2-40-9型中

10、温井式电阻炉结构如图3.1所示。图3.1 RJ2-40-9型中温井式电阻炉43.2.9 正火的工艺曲线正火工艺曲线如图3.2所示。图3.2正火工艺曲线3.3 淬火工艺3.3.1 淬火目的淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到马氏体或贝氏体组织，然后配合以不同温度的回火，以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等，从而满足各种机械零件和工具的不同使用要求。3.3.2 淬火温度淬火温度：83010依据：45号钢属于亚共析钢，加热温度为AC3以上30-50。3.3.3 加热方法采用当炉温加热到830时，将工件装进热处理炉进行加热。原因是中碳钢形状简单，待炉子到温后入炉加热，节

11、约时间，加热速度快，便于量产3.3.4 保温时间保温时间：1.5h确定依据：公式t=KD4 t为加热时间（min或h）。 为加热系数，取 1.5min/mm。 D为零件有效厚度：其中D为5mm。 K为装炉条件修正系数，这里取1由公式可知t=KD=1.5150=75min，取1.5h。3.3.5 冷却方式冷却方式：水冷依据：水冷淬火适用于低、中碳钢件。3.3.6 冷却介质质量分数为25%的NaCl水溶液。确定依据：氯化钠（食盐）能附于灼热的淬火件表面，剧烈爆炸成雾状，使蒸汽膜破坏，蒸汽膜阶段缩短，从而明显提高水的冷却速度，冷却均匀，价格便宜；淬火件可达到较高硬度，而且硬度均匀，成分稳定，使用方便

12、。3.3.7 获得组织得到组织：细小晶粒马氏体（含残留奥氏体）3.3.8 热处理炉的选择热处理炉的选择是根据工件的尺寸和重量，选择RJ2-40-9型中温井式电阻炉、设备参数见表3.3 所示。3.3.9 炉子结构RJ2-40-9型中温井式电阻炉结构如图3.1所示。3.3.10 淬火工艺曲线淬火工艺曲线如图3.3所示。图3.3 淬火工艺曲线3.4 高温回火工艺3.4.1 高温回火的目的目的：提高淬火钢的塑性和韧性，降低其脆性；降低或消除淬火引起的残余内应力。3.4.2 回火温度 回火温度：57010。 确定依据见表3.4所示。表3.4 45钢回火温度3材料回火温度（考虑性能）/45580-6603

13、.4.3 保温时间保温时间：50min确定依据见表3.5所示。表3.5 45钢回火保温时间3材料保温时间45100mm /2h3.4.4 冷却方式冷却方式：油冷确定依据：具有第二类回火脆性的合金钢，经450-650回火后在油或水中进 行快冷，以免出现回火脆性7。3.4.5 热处理炉的选择热处理炉的选择是根据工件的尺寸和重量，选择RJ2-25-6型低温井式电阻炉，设备参数见表3.6所示。表3.6 RJ2-25-6型低温井式电阻炉参数4型号额定功率/KW额定电压/V额定温度/相数工作空间尺寸（直径深）/ mmmm最大装载量/kgRJ2-25-62538065034005001503.4.6 炉子结

14、构 RJ2-25-6型中温井式电阻炉结构如图3.4所示。 图3.4 RJ2-25-6型低温井式电阻炉43.4.7 得到组织均匀、细致的回火索氏体。具有较低的硬度、强度和较高的塑性和韧性。3.4.8 高温回火工艺曲线高温回火工艺曲线如图3.5所示。图3.5 高温回火工艺曲线3.4.9 检验需要检验金相组织、表面和心部硬度、工件的抗压强度，见表3.7所示。 表3.7 检验方法6项目技术要求检验方法金相组织细小、均匀的回火索氏体组织用金相显微镜检查硬度检验200250HB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。 HB=P/F=P/Dt F：凹陷压痕的

15、面积；t：压痕凹陷的深度。 检测面应是光滑平面。3.5 高频感应加热淬火工艺3.5.1 高频感应加热淬火的目的目的：使表面获得足够的硬度和耐磨性。3.5.2 表面硬度HRC=20+60(2C+1.3C)5，取54，C为钢含碳量，取0.43%。3.5.3淬硬层深度取2mm，确定依据见表3.8所示。表3.8 淬硬层深度7材料水淬HRC最大淬硬层深度/ mm预先热处理45钢50-634.0调质或正火3.5.4 选择感应设备频率取250KHZ。3.5.5 加热方法 全齿同时加热。3.5.6冷却方法 喷射水冷。3.5.7冷却介质 10-15水溶液，确定依据见表3.9所示。表3.9 感应加热淬火常用冷却介

16、质3冷却介质(质量分数)使用温度适用的钢种渍冷浸冷水10-1545453.5.8 齿轮常用感应器齿轮常用感应器见图3.6所示。图3.6 齿轮常用感应器结构13.5.9 获得组织表面组织：回火马氏体。心部组织：回火索氏体。3.5.10 高频感应加热淬火工艺曲线高频感应加热淬火工艺曲线见图3.7所示。图3.7 高频感应加热淬火工艺曲线3.5.11 淬火机床的选择 选择EKS-30型通用淬火机床。适用于高频电源，可处理300mm以下，长600mm以下，重20kg以下的工件。3.5.12 淬火机床结构EKS-30型通用淬火机床结构如图3.8所示。图3.8 EKS-30型通用淬火机床103.6 低温回火

17、工艺3.6.1 低温回火目的目的：消除淬火内应力；愈合淬火产生的微裂纹；降低硬度，提高韧性。3.6.2回火温度回火温度：取18010；回火时间：1h确定依据见表3.10所示。表3.10 常用钢感应加热表面淬火件炉中回火规范7钢号要求硬度HRC淬火后硬度HRC回火规范温度（）时间/min4550-55大于55180-20045-603.6.3 冷却方式出炉空冷。3.6.4 热处理炉的选择热处理炉的选择是根据工件的尺寸和重量，选择RJ2-25-6型低温井式电阻炉。设备参数见表3.63.6.5 炉子结构 RJ2-25-6型中温井式电阻炉结构如图3.4所示。3.6.6 低温回火工艺曲线 低温回火工艺曲

18、线如图3.9所示。图3.9 回火工艺曲线3.6.6 检验检验内容见表3.11。表3.11表面热处理后的检验方法8项目技术要求检验方法金相组织均匀、细致的回火马氏体用金相显微镜检查硬度硬度55HRC在模具试样零件侧面用洛式硬度机测量其硬度值是否达标淬硬层深度用硬度法测量有效硬化层深度检验方法见GB/5617钢的感应淬火和火焰淬火后有效硬化层深度的测定变形检验变形量应不影响其后的机械加工和使用性能工艺规定对摆差进行测量探伤无裂纹磁力探伤4 热处理工艺中所需的工夹具及挂具4.1齿轮装具热处理过程中齿轮的装具见图4.1图4.1 齿轮装具4.2 齿轮挂具齿轮的挂装方式应根据其形状、大小和变形要求来选择。

19、主轴箱齿轮属扁薄件平面度要求严格。采用垂直挂装对减小平面度翘曲变形是有利的。如图4.2所示。图4.2 齿轮的挂具105 总的热处理工艺曲线及工艺参数5.1热处理工艺曲线总的热处理工艺曲线如图5.1所示。图5.1 总的热处理工艺曲线5.2 工艺参数热处理工艺参数见表5.1所示。 表5.1 45钢热处理工艺参数表3材料工艺温度保温时间冷却方式45正火840102h空冷淬火830101.5 h水冷高温回火5701050 min空冷高频淬火890102 s喷射水冷低温回火200101 h空冷6 热处理工序中材料的组织，性能分析6.1 正火工艺中的组织，性能分析铁素体的机械性能：铁素体的机械性能主要取决

20、于其固体的碳，氮含量以及合金元素的含量，同时也与晶粒的亚结构有关。珠光体的机械性能：珠光体是铁素体与渗碳体的两相混合物，珠光体的硬度，强度与片层间成线性反比关系；钢中珠光体的含量越多，强度，硬度越高，韧性下降，临界脆化温度提高。正火与退火工艺相比，其主要区别是正火的冷却速度稍快，所以正火热处理的生产周期短。故退火与正火同样能达到零件性能要求时，尽可能选用正火。大部分中、低碳钢的坯料一般都采用正火热处理。一般合金钢坯料常采用退火，若用正火，由于冷却速度较快，使其正火后硬度较高，不利于切削加工。6.2 淬火工艺中的组织，性能分析正常加热冷却：工件加热到830后珠光体转变为奥氏体，保温时组织不变，晶

21、粒细化，出炉油冷至室温时得到马氏体和少量残余奥氏体，具有很高的硬度和耐磨性。加热温度不足时：加热后组织为奥氏体和铁素体，室温后组织为马氏体和铁素体，硬度不足，塑性大。加热温度过高时：加热后组织为（粗大）奥氏体，室温后组织为（粗大）马氏体，但脆性太大，易断裂。冷却速度过大时：组织为马氏体，由于晶粒不均匀，性能较差，容易开裂和变形。冷却速度不足时：组织为马氏体+贝氏体。硬度和强度不高，塑性较大。6.3 回火工艺中的组织，性能分析正常加热冷却：工件加热到550后组织为马氏体和残余奥氏体，保温时组织发生分解，析出碳化物。室温时组织为回火索氏体（铁素体和细粒状渗碳体）。硬度高，塑性有所提高，但依然较低。

22、加热温度不足时：加热后组织为马氏体，室温后组织为回火马氏体。硬度高，塑性太低。加热温度过高时：加热后组织为马氏体，室温后组织为回火屈氏体，弹性性能很大提高，但硬度降低。冷却速度过大时：组织为回火马氏体，塑性几乎不提高，硬度增加。冷却速度不足时，组织为回火索氏体。6.4 高频感应加热中的组织，性能分析正常加热冷却：工件加热到830，保温时组织不变，晶粒细化出炉。冷至室温得到马氏体，有高硬度、高耐磨性。加热温度不足时：加热后组织为马氏体，室温后组织为回火马氏体。表面硬度高，塑性太低。加热温度过高时：加热后组织为马氏体，易开裂。冷却速度过大时：组织为回火马氏体+碳化物，塑性几乎不提高，硬度增加。冷却

23、速度不足时：组织为回火索氏体。7 热处理缺陷及预防措施7.1 淬火缺陷及其产生的原因及预防措施 淬火缺陷及其产生的原因及预防措施表7.1所示。表7.1淬火缺陷及其产生的原因及预防措施缺陷产生原因预防措施硬度不足亚共析刚加热不足，有未溶铁素体冷却速度不够在淬火介质中停留时间不够氧化和脱碳导致淬火后的硬度降低淬火加热温度低，或预冷时间长，淬火冷却速度低，出现非马氏体组织正确选择并严格控制加热温度，保留时间和炉温的均匀性合理选择淬火介质；控制淬火介质的温度不超过最高使用温度；定期检查或更换淬火介质正确控制在淬火介质中的停留时间采取防氧化脱碳措施；采用下线加热温度；在600左右预热，然后再加热到淬火温

24、度，缩短高温加热时间确保淬火加热温度正常；减少预冷时间软点原材料中存在带状组织或大块铁素体组织冷却不均工件表面局部的氧化皮、锈斑或其他附着物淬火时为脱落，使冷速降低合理选材，对有缺陷的钢材进行预备热处理，以消除缺陷加热工件与介质的相对运动或对介质进行搅拌；保持淬火介质的清洁；合理选择淬火介质淬火前清理零件表面畸变加热温度不均，淬火冷却不同时性形成的热应力和组织应力使工件局部塑形裂开降低淬火加热温度缓慢加热或对工件预热，减少加热过程中热畸变合理捆扎和吊挂工件根据工件形状采用合理淬入方式开裂冷却不当严重表面脱碳形成网状裂纹淬火加热温度过高，引起晶粒粗化，易开裂淬火后未及时回火，工件内部的显微裂纹在

25、淬火应力作用下扩展形成宏观裂纹正确进行预先热处理，避免退火组织缺陷正确选择加热参数合理选用淬火介质和淬火方法对工件易裂开部位，如尖叫、薄壁，孔等进行部包扎易开裂工件淬火后应及时回火或带温回火7.2 回火缺陷及其产生的原因及预防措施回火缺陷及其产生的原因及预防措施表7.2所示。表7.2 回火缺陷及其产生的原因及预防措施缺陷产生原因预防措施回火硬度偏高回火不足（回火温度低、回火时间不够）提高回火温度、延长回火时间回火硬度偏低回火温度过高；淬火组织中有非马氏体组织（偏低）提高或降低回火温度改进淬火工艺，重新淬火硬度不均匀回火温度不均匀；装炉量太大炉气循环不良采用有气流循环的设备回火适当减小装炉量回火

26、畸变由回火内应力而引起采用加压回火或趁热校正回火脆性回火脆性间回火回火后未快冷引起第二类回火脆性避开第一类回火脆性区回火高温回火后快速冷却回火开裂淬火后未及时回火行程显微裂纹，在回火过程中开裂减小淬火应力，淬火后及时回火网状裂纹回火加热速度过快，表面产生多向拉应力采用较缓慢的回火加热速度表面腐蚀带有残盐的零件回火前未及时清理回火前及时清洗残盐7.3 感应加热缺陷及其产生的原因及预防措施 感应加热缺陷及其产生的原因及预防措施表7.3所示。缺陷产生原因预防措施开裂加热温度过高，温度不均匀；冷却速度快；淬火介质及温度选择不当控制好技术要求；及时回火淬硬层过深或过浅加热功率过大或过小；电源频率过高或过

27、低；加热时间过长或过短严格控制加热温度，保留时间和炉温的均匀性表面硬度过高或过低加热温度低；回火温度或保温时间不当；单位表面功率低；加热表面与感应器间隙过大合理选择淬火介质；控制淬火介质的温度不超过最高使用温度表面熔化感应器不合理；零件有尖角、孔槽等；材料表面有裂纹缺陷采用冷却速度慢的淬火介质表7.3 感应加热缺陷及其产生的原因及预防措施8 心得体会通过这次全面的、系统的热处理工艺设计，使我深刻地意识到理论结合实际的重要性，同时也让我认识到将课本上的理论知识很好的融入到实践中并非一件十分简单的事情。我深深的体会到实际动手操作和掌握书本上的理论知识两者之间的差别。在课程设计中，从选材到确定设计的

28、工件，从零件的热处理工艺到最后检验，每一个细节，每一个工艺都不得有半点马虎，一个数值的偏差可能就会直接影响到热处理的最终结果。因此，想要设计一个优秀的零件热处理方案，必须有足够的耐心与一丝不苟、刻苦钻研、勇于探索的精神，实事求是的，以严谨的治学态度去对待它、解决它、完善它。最后在这里感谢带领我们做本次课程设计的所有老师。感谢各位老师给了我们这么好的一次锻炼的机会。9 参考文献 1 樊东黎，徐跃明，佟晓辉.热处理工程师手册.机械工业出版社.2004.9. 2 叶卫平. 热处理实用数据速查手册.机械工业出版社. 1999.1.3 叶卫平，张覃铁.热处理实用书剧速查手册. 机械工业出版社.2001.1.4 纪嘉明，苗润生.热处理设备实用技术. 机械工业出版