CrMo齿轮轴热处理车间设计

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42CrMo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。
表242CrMo钢的热加锻造工艺规范
项目
Ac1
Ac3
加热温度
始锻温度
终锻温度
钢坯
730℃
800℃
1150～1200℃
1130～1180℃
＞850℃
经锻造后其最大直径约为80mm，采用缓冷。
图2 42CrMo齿轮轴示意图
3.2热处理工艺设计及理论基础、原则
3.2.1热处理工艺设计
（1）．预备热处理工序--正火
图8感应加热淬火示意图
①．感应加热淬火加频率的选择
感应加热可分为三类：
(1源自文库高频加热
常用频率为（200～300）KHZ，淬硬层深度为（0.5～2.5）mm。
(2)中频加热
常用频率为（2500～8000）HZ，淬硬层深度为（2～10）mm。
(3)工频加热
电流频率为50HZ，不需要频设备，城市用交流电即可，硬层深度为（10～20）mm以上，城市用交流电即。
42CrMo钢中含有的合金元素Cr，Mo。其中铬能增加钢的淬透性并有二次硬化作用。可提高高碳钢的硬度和耐磨性而不使钢变脆；含量超过12%时。使钢有良好的高温抗氧化性和耐氧化性介质腐蚀的作用。还增加钢的热强性，铬为不锈耐酸钢及耐热钢的主要合金元素。铬在调质结构钢中的主要作用是提高淬透性。使钢经淬火回火后具有较好的综合力学性能，在渗碳钢中还可以形成含铬的碳化物，从而提高材料表面的耐磨性。而钼在钢中能提高淬透性和热强性。防止回火脆性，增加剩磁和矫顽力以及在某些介质中的抗蚀性，在调质钢中，钼能使较大断面的零件淬深、淬透，提高钢的抗回火性或回火稳定性，使零件可以在较高温度下回火，从而更有效地消除（或降低）残余应力，提高塑性。所以在生产中常常选用42CrMo作为轧机齿轮轴的材料。其综合力学性能优良符合质量要求。
感应加热淬火加热速度快，淬火质量好，较一般淬火硬度高，得到极细马氏体，且淬硬层深度易于控制，易实现机械化和自动化。其过程如下：
感应加热淬火的原理如图9所示，电磁感应产生同频率的感应电流即涡流。涡流在工件截面上的分布是不均匀的，心部几乎等于零，而表面电流密度极大，称为“集肤效应”，频率愈高，电流密度极大的表面层愈薄。依靠这种电流和工件本身的电阻，使工件表面迅速加热到淬火温度，而心部温度仍接近室温，然后立即喷水冷却，使工件表面淬硬。
2.442CrMo钢的C曲线
通过查找《热处理手册》获得42CrMo钢的C曲线如下图所示，成分如表1。
图1.42CrMo钢连续转变C曲线
表1 42CrMo钢的化学成分
化学成分(质量分数）%
C
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
Cu
Mo
42CrMo
0.42
0.27
0.65
0.005
0.005
1.10
0.005
0.005
(4)42CrMo回火工艺理论基础、原则
①．回火温度确定原则
42CrMo钢轧机齿轴要有较高的力学性能,在调质、感应加热淬火加低温回火后,表面硬度需要达HRC50以上,心部硬度HRC35～45。由不同钢含碳量的硬度与回火温度关系曲线图10，可知其在150~180℃回火可满足使用要求。
图9不同含碳量钢硬度与回火温度关系曲线
2.2.2 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；
5.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。
2.3齿轮轴材料的选择
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。
③．淬火冷却方式的选择
根据所加工的工件尺寸性能，由42CrMo钢的图7和图8，可知42CrMo钢轧机齿轮轴用油淬火可满足使用要求。但考虑经济等综合因素，且42CrMo的淬透性高，易于淬透，在工业上常用选择乳化液作淬火介质。
④．感应加热淬火的目的
表面感应加热淬火是为了使钢件达到所要求的表面高硬度，高耐磨性，而心部保持较好的塑性和韧性，且呈现低的缺口敏感性，高的冲击韧性和疲劳强度，已达到最优的使用性能和工艺性能。
0.20
3.热处理工艺设计
3.1
3.1.1.加工路线
备料→锻造→正火→粗、半精加工→制齿→调质→中频感应加热淬火、低温回火→精机加工磨齿（6级以上精度齿轴）。
3.1.2.锻造工艺设计
锻造齿轮轴的毛坯经过锻造后获得基本的形状。锻造是利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形，已获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸的锻件的加工方法。齿轮轴的锻造工艺与齿轮相差不大，用棒料镦经切削加工制成的齿轴，其纤维组织弯曲呈放射状，所有齿部的正应力都平行于纤维组织的方向，力学性能得到很大的提高。查阅《热处理工艺规范数据手册》可以找出42CrMo钢的锻造工艺的加热温度、始锻温度冷却方式，本设计具体的锻造工艺参数如表2所示。
根据要求42CrMo钢的性能符合度非常好，其经过正火，调质，感应加热淬火加低温回火后表面硬度可达HRC50的高硬度，表面耐磨性好，心部硬度可达HRC35~45。42CrMo钢属于超高强钢，具有高强度和高韧性，淬透性好，调质后有较高的疲劳极限和抗多次冲击的能力。淬火时变形小，高温时具有高的蠕变强度和持久强度，且无明显的回火脆性。
⑤．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1~1.5h。
回火后空冷即可。
⑥．调质的目的。
调质使工件具有优良的综合力学性能，即高强度和高韧性的适当配合，还可提高一定的耐磨性，以保证零件长期顺利工作。
图7 42CrMo钢的淬透性曲线
(3)42CrMo感应加热淬火工艺原理
3.2.1热处理工艺设计........................................9
1.齿轮轴热处理概述
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42CrMo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。
②．回火温度时间确定原则
回火时间从工件入炉后炉温升至回火温度时间开始计算回火时间一般为1～3h，可参考经验公式加以确定：tn=Kn+AnD
式中tn-回火时间（min）；
Kn-回火时间基数；
An-回火系数；
根据工件尺寸可知，一般硬化层深δ＝（10～20）％Φ较为合适，其中Φ为工件的有效直径，Φ=80mm可得δ≈8，所以我们选择中频感应加热表面淬火。
②．淬火加热温度的确定
加热温度及加热速度是感应加热的最基本的工艺参数,它直接决定钢的相变过程和淬火后的组织,是提高和稳定表面淬火工艺质量的重要保证，根据所要求的性能，可设定温度T=900℃。
42CrMo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42CrMo钢热处理工艺的分析，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。
图4 42CrMo调质工艺曲线图
（3）．最终热处理工序—感应加热表面淬火、低温回火
零件经调质后具有良好的综合力学性能，但不满足其工艺要求，所以要进行感应表面淬火已达到所要求的力学性能，感应加热淬火后硬度较高，除磨削外不宜再进行其他切削加工，因此工序位置一般安排在半精加工后，磨削加工前。经淬火后表面获得高硬度、高的耐磨性，而心部仍维持良好的综合力学性能。为降低表面淬火的淬火应力，保持高硬度、耐磨性，淬火后应低温回火。图5为调质后感应淬火加低温回火热处理工艺曲线。
一般均安排在毛坯生产之后，切削加工之前，或粗加工之后，半精加工之前。正火的目的是为了细化晶粒、改善组织，提高切削加工性能，为淬火和最终热处理做好准备。正火工艺曲线如图3所示。
图3 42CrMo钢热处理正火工艺曲线
（2）．42CrMo钢的调质处理
淬火后高温回火的方法为调质。调质可以使钢的性能，材质得到很大程度的调整，其强度、塑性和韧性都较好，具有良好的综合机械性能。调质处理后得到回火索氏体，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42CrMo钢工件淬火后油冷，42CrMo钢的淬透性较好，在油中冷却能淬硬，而且工件的变形、开裂倾向小。所以42CrMo钢采用840℃淬油，再480度回火处理。硬度可达HRC35-45。图4为调质工艺曲线。
2.热处理车间任务
本设计的任务是设计一间主要生产轧机齿轮轴的热处理车间。
2.1车间生产纲领
所设计的热处理车间的年产量为2000吨的轧机齿轮轴，属于中等批量的生产任务。
2.2齿轮轴的服役条件、失效形式及性能要求
2.2.1 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。
③．正火的目的
正火的主要目的是消除锻造缺陷，使其成分均匀,硬度和韧性好，并改善材料的切削性,也为调质做好了组织准备。
(2)42CrMo调质工艺理论基础、原则
①．淬火温度的选择。
42CrMo钢，含碳量为0.42%，属于亚共析钢，由图6可得含碳量为0.42%钢的Ac3为800℃，由亚共析钢淬火温度要求T=Ac3+30~50（℃）可得，淬火温度T=830~850（℃），我们可以设定在840℃。
图6 Fe-C合金相图
②．正火加热保温时间
保温时间,这个问题比较复杂,一般由试验确定,但也有个经验公式:t = αKD
t—保温时间(min)
α—加热系数(min/mm)
K—工件加热是的修正系数
D—工件的有效厚度(mm)
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;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2～3小时左右。
②．淬火保温时间的确定。
根据有效长度Φ/2=80/2=40mm，可查知，保温时间要大于56min，为保证获得理想组织可选1h。
③．确定淬火介质。
根据零件使用要求，根据图7可知要求淬火后心部硬度大于HRC23时，至水冷端距离小于33mm方可达到要求。
④．确定回火温度。
在图9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0.4~0.5%的曲线带，再在纵坐标上查出HRC=35~40，取中值36其曲线带相交的点即为加热温度，大约为480℃。
3.2.2热处理工艺的理论基础、原则
(1)42CrMo的正火工艺理论基础、原则
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30～50℃,而对于中碳合金钢的正火温度正火温度通常为Ac3以上50～100℃，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850～900℃。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℃。