材料科学与工程培训资料-金属热处理,齿轮.doc

TTI (內部資料) 材料科學與工程培訓資料1. 齒輪熱處理1.1 齒輪失效形式 a.齒輪工作時嚙合齒面間會產生極大的摩擦力,這將導致齒面快速磨損,因而磨損是一種很常見的齒輪失效形式.但通過提高齒面硬度(如由220270HB提高到320380HB)以及表面硬化(如滲碳或滲氮)等方式便可提高其耐磨性從而有效降低摩擦磨損.另外,化學熱處理後齒面再鍍銅使摩擦系數降低能抵抗因摩擦熱導致的熱咬合磨損.b.齒輪接觸疲勞破壞是另一種較為常見的失效形式,它是當作用在齒面的接觸應力超過材料的疲勞極限時產生的.通常地講,軟齒面的接觸疲勞破壞表現為麻點”,而硬齒面則表現為剝落”(尤其是表面硬化齒輪).影響接觸疲勞之因素有:原材料純淨度與纖維流向;熱處理工藝(有無脫碳,碳化物塊,黑色組織等);是否經過強力噴丸等後處理措施.c.齒輪齒根部受到極大的彎曲應力作用,提高輪齒的彎曲疲勞強度的措施為:提高齒根處硬度/強度,齒根部噴丸,熱處理工藝改進(表面無脫碳,表面無非馬氏體組織,回火良好)等.1.2 常用材料 低合金滲碳鋼: 20CrMo. SCM415 等 中碳(合金)鋼: 45#, 40Cr, 35CrMo 等 鑄鐵:HT200等 非鐵金屬:QAl9-4 等 粉末金屬材料:SMF5040,FN0205等1.3 齒輪熱處理1.3.1 調質 調質齒輪一般尺寸較大,常用於重型齒輪傳動.其設計加工及熱處理均容易,運行時易跑合,抗沖擊.為了提高承載能力和使用壽命,調質後的硬度以大於300HB為佳. 各類調質齒輪硬度選配方案見下表 1-1 常用減速器齒輪副硬度選配方案 1-1齒面硬度齒輪種類熱處理工藝齒輪工作齒面硬度差工作面硬度舉例小齒輪大齒輪小齒輪 大齒輪 軟齒面 (350 HBS,硬度2350HBS)直齒,斜齒及人字齒 表面淬火齒面硬度大致相同 5055HRC 5662HRC滲氮 滲碳 滲碳調質齒輪失效與解決方案見下表 1-2序號缺陷名稱產生原因防止措施1硬度偏低材料含碳量低;熱處理工藝不當;表面脫碳檢查材料;調整工藝2調質深度不足選材不當;淬火工藝不當合理選材;調整工藝;大模數齒輪先開齒後調質3硬度不均勻鋼材原始組織不良;淬火加熱冷卻不均;回火加熱不均檢查材料;改進工藝;檢查設備1.3.2 表面淬火 a.表面淬火齒輪的一般技術要求見表1-3項目小齒輪大齒輪備注硬化層深 mm 0.20.4m (m為模數)有效硬化深度測量按GB5617-85標準齒面硬度 HRC50554550或300400HB若傳動比為1:1,齒面硬度可相等表層組織細針狀馬氏體齒部不允許鐵素體存在心部硬度 HB調質後:碳鋼265280;合金鋼270300要求不高的齒輪可用正火代替調質b.齒輪表面淬火有效硬化層深確定方法 在齒寬中部齒的截面上,自表至裡進行測量,硬化層終點硬度值規定如下:界限硬度(HVHL)=0.80X設計規定的最低表面硬度值(HVMS)c.失效與防止 齒輪表面淬火失效與解決方案見下表 1-4序號缺陷名稱產生原因防止措施1 表面硬度偏高或偏低錯料;脫碳;熱處理工藝不當;原始組織不良來料檢驗;採用首檢硬度來調整工藝;採用合適的預備熱處理2表面硬度不均勻感應器結構不好;材料偏析或脫碳;加熱或冷卻不均檢查來料有無異常;檢查感應器噴水孔是否堵塞,結構是否合理;工件有無銹蝕3硬化層深度不夠加熱時間不足;設備選擇不當;選材不當;冷卻不足延長加熱時間;重新選擇加熱設備;合理選材4淬火開裂材料不合適;熱處理有問題;工件結構不合理優選材料;改進結構;降低加熱溫度,減緩冷速5畸變加熱及冷卻不均;原始組織不均;冷卻過快預熱;調整工藝;改善組織1.3.3 化學熱處理 通常齒輪化學熱處理是滲碳,碳氮共滲及滲氮.在此只講述滲碳和碳氮共滲.滲碳,碳氮共滲的滲層大都在0.201.2mm之內,使用時應根據具體情況選擇合適的數值.有效硬化深度測至550HV處為止. 應當注意:有效硬化層深與滲碳層深是兩個不同的概念,不要混淆,前者可以大於等於或者小於後者. 齒輪滲碳層深度的推薦值見下表1-5 m-模數齒輪種類推薦值數據來源齒輪種類推薦值數據來源汽車齒輪0.20.3m汽車行業機床齒輪0.150.2m機床行業 拖拉機齒輪 0.182.1m 拖拉機行業 重型齒輪 0.250.3m 重型行業 滲碳或碳氮共滲齒輪表面碳(氮)濃度,表層組織,表面及心部硬度見表 1-6參數推薦值說明表面碳/氮濃度滲碳Cp=0.71.0%; 碳氮共滲 Cp=0.70.9%,Np=0.20.4%受沖擊齒輪取下限;受載平穩,要求高耐磨,抗麻點剝落時取上限心部硬度 HRC m8時,3348;m8時,3045 汽車齒輪 3040 重載齒輪表層組織馬氏體 細針狀 15級 各類齒輪殘余奧氏體 滲碳 15級;碳氮共滲15級 汽車齒輪碳化物常嚙合齒輪=5級;換檔齒輪=4級 汽車齒輪表面硬度 HRC 5862 各類齒輪 5660 重載齒輪 滲碳或碳氮共滲齒輪常見缺陷類型與對策見下表1-7序號缺陷名稱產生原因防止措施1層深不足或過深碳勢太低或太高;溫度過低或過高;滲期不足或過長降低或升高碳勢/溫度 ;延長或縮短滲期2碳濃度梯度過陡或過緩碳勢過高或過低;強滲與擴散比例不當調整碳勢;調整工藝;補滲3表面大塊狀或網狀碳化物爐內碳勢過高;強滲太久降低碳勢;縮短強滲;提高淬火溫度等4表面殘余奧氏體過多表面碳量過高;淬火溫度太高降低表面碳量;降低淬火加熱溫度5表面粗大針狀馬氏體淬火溫度太高降低淬火溫度6心部硬度偏低選材不當;淬火溫度低;冷卻慢合理選材;改進工藝7表面脫碳出爐溫度太高;爐內漏氣;淬火時氧化改進工藝;檢查設備;補滲處理;控製爐氣8表面有非馬氏體組織爐密封性差使合金元素氧化;淬火冷卻太慢防止爐內漏氣;加速冷卻1.3.4 粉末冶金齒輪熱處理 由於粉末冶金材料的特殊性,取定了它的熱處理方式有其不同的特點. 我們知道,粉末燒結材料是多孔性材料,由於是通過粉末壓製燒結而成,其結合強度比起鑄鍛鋼材來講要低得多,因此它的機械性能比不上鑄鍛鋼件.但它的優勢在於低的加工成本和高的生產率,這些才是其魅力所在. 對它進行熱處理的時候,淬火加熱應該用氣氛保護或在真空中加熱,不推薦用鹽浴爐;淬火冷速不能過快,通常用油冷卻;回火溫度應高於150但超過205時需有防止火災的措施. 如果要對低碳(如MUSIC WIRESWC 盡管彈簧的強度與硬度在一定硬度範圍內呈近似線性增加關系,但是若非不得已,彈簧的使用硬度盡量不要定得太高,否則會導致缺口敏感性大大增加,得不償失.一般情況下選擇在 3850HRC之內為宜.比如,碟形彈簧 4350HRC. 4.3 彈簧的熱處理 4.3.1 去應力退火 對於冷拔鋼絲如MUSIC WIRE 或 SWC以及油回火鋼絲,由於繞成形前已經被硬化處理了,因此,在繞成彈簧後僅需作一次去應力處理即可.去應力處理不僅可以消除應力,穩定尺寸,還能提高彈簧的屈服強度.去應力處理的溫度常在200400,碳鋼用中,下限溫度,低合金鋼用中上限溫度,不銹鋼用上限溫度;保溫時間一般在1030分鐘即可.加熱僅需用普通的網帶回火爐,無需氣氛保護,不必在意表面氧化,它並無什麼危害,甚至還對改善耐蝕性有利.4.3.2 淬火回火 大直徑的彈簧(如1012mm)是在軟態下繞製成形的,這種情況下就必須對它進行淬火硬化.淬火加熱應在保護氣氛中進行,以免表面脫碳;淬火冷卻可選擇直接淬油,馬氏體分級淬火或貝氏體等溫淬火等方式,淬火冷卻時應避免心部出現非馬氏體組織.值得注意的是,為了避免在淬火加熱過程中彈簧出現較大的變形,應將彈簧放在專門的夾具中加熱,以免因熱處理後校正困難而報廢. 回火的目的是為了降低硬度,消除內應力,減少脆性;提高彈性,塑性,韌性,從而延長使用壽命.回火後允許快冷.4.3.3 化學熱處理 為了進一步提高彈簧的表面硬度,耐磨性,耐蝕性並增加表面殘余壓應力,還可以對彈簧進行表面離子氮化/軟氮化處理,但是,此工藝到目前為止尚未得到廣泛應用.4.3.4 電鍍後的驅氫處理 有時彈簧需要作電鍍處理,以適應某些特殊場合的需要.但是不要忘記電鍍後必須做一次徹底的驅氫處理,否則會有氫脆斷裂的危險(請參考7.2內容).4.4 彈簧的特殊處理 彈簧的特殊處理包括噴丸和強壓等兩種方法.4.4.1 噴丸處理 (參考7.3所述) 噴丸通常用於壓縮彈簧,扭桿彈簧和板簧類,而拉簧和扭轉螺旋彈簧應用極少.該工序應安排在成形及熱處理後.對於3mm以下的彈簧用0.4mm丸粒即可,36mm的彈簧可使用0.7mm的丸粒,對重型彈簧則應使用0.8mm的丸粒.為了確保彈簧的所有表面尤其是內表面均能有效噴射到,應當有足夠的持續噴射時間,通常為數分鐘至十余分鐘,不必噴得太久.4.4.2 強壓處理/預應力處理 預應力處理有冷強壓和熱強壓等幾種.多用於壓縮簧,其次是扭轉彈簧(稱為強扭處理). 所謂強壓處理是指在超過材料彈性極限的負荷下,在規定的溫度保持一定時間的一種處理工藝,它可以改善彈簧的抗應力松馳性能(所謂應力松馳是指材料在應變恆定的情況下應力隨時間而下降之現象,其實也就是材料內部的微塑性變形轉變成永久變形的結果). 對於冷拔碳素鋼絲用170X23H的熱強壓處理工藝最佳;也可用室溫冷強壓處理,但是強壓時間會長達幾小時至幾十小時;還可用幾次快速強壓(又稱動強壓)處理,據我所知,目前TTi的彈簧供應商大都採用這種方式. 由於強壓處理時會產生永久塑性變形,因此,在繞製彈簧時就應當預留出該變形高度. 不同的材料和熱處理工藝獲得不同的抗應力松馳能力,冷拔碳素鋼絲比琴鋼絲差,琴鋼絲又不如油回火鋼絲.因此,除了強壓處理外,材料的合金化和適當的熱處理也是改善彈簧的抗應力松馳性能的另一途徑.4.5 彈簧失效示例 TTI產品中P/N63099200101用SUS301製成,在裝機測試後發現部分批次來料彈性很差,而多數批次卻又正常.經初步分析,這是由於將SUS304混入SUS301料中所致,後將材料控製好之後這一現象隨之被消除.5. 緊固件的熱處理 緊固件在機械工業和民用產品中的應用都是非常廣泛的,我們對它並不陌生,常見的螺紋緊固件,鉚釘,銷,擋圈等均可歸屬於緊固件範疇.5.1 螺紋緊固件 螺紋緊固件可以分為通用螺紋緊固件和專用螺紋緊固件兩類.5.1.1通用螺紋緊固件 它是用量最大,使用最為廣泛的一類螺紋緊固件.根據力學性能的不同,國標將它分為很多等級,對於TTi來講,用得最多的是8.8級,9.8級和10.9級.不同的等級對應於不同的抗拉強度和保證應力(Sp)指標.保證應力始終稍低於材料的屈服強度.所謂保證應力就是螺栓應當保證的承載能力,即螺栓在該應力之下保持15秒,卸下應力後殘余伸長量12.5m的應力.a. 通用螺紋緊固件材料選擇 冷鐓用材:冷鐓用材對材料的表面質量控製較嚴,要求塑性好,同時Si,Mn,S,P元素含量比同類牌號的一般鋼材要低些.如 ML10,ML40Cr,SCM435 熱成形材:要求具有良好的熱頂鍛性能,推薦使用熱作用鋼. 切削加工用鋼:它對材料並無特別要求,但最好是片狀珠光體組織.對6.8級或以下的螺栓及4/5/6/04級螺母允許選用易切削鋼材,以提高切削速度.如12L14/Y15Pb.b. 通用螺紋緊固件生產工藝路線 冷鐓成形-搓牙-熱處理-表面處理-驅氫處理-檢驗-入庫c. 通用螺紋緊固件預先熱處理 球化退火:適用於冷鐓料 正火或完全退火(得到片狀P+F):常用於切削加工的材料,以改善其切削加工性能. 再結晶退火:當需要消除加工硬化時使用.d. 通用螺紋緊固件最終熱處理 調質是通用螺紋緊固件最終熱處理的常規方法,對於冷鐓材料表面往往有脫碳層存在,所以在做調質處理時還應當同時複碳,而切削料則不必複碳.e. 失效分析 TTi曾經有一產品的底座連結螺栓(12.9級,SCM435材料,汕頭生產),裝機運行2分鐘後即斷裂,經分析其工藝過程,可以確知是在鍍白鋅時產生氫脆所致,經工藝改進後問題消除(可參考7.2相關內容).5.1.2 專用螺紋緊固件 緊定螺釘的材料選擇與熱處理方式與前述的通用螺紋緊固件大致相同,在此不再累述.下面針對自攻螺釘,自攻鎖緊螺釘,自鑽自攻螺釘作些說明(在TTi該類螺釘用量也是相當大的).a. 自攻螺釘,自攻鎖緊螺釘,自鑽自攻螺釘用材: 10#,15#,SWCH18A,SWCH12A等(可參見下表5-1).b. 自攻螺釘,自攻鎖緊螺釘,自鑽自攻螺釘加工工藝路線 冷鐓成形-搓牙-熱處理-表面處理-驅氫處理-檢驗-入庫c. 熱處理: 自攻螺釘,自攻鎖緊螺釘,自鑽自攻螺釘既要求表面有足夠的耐磨性,又要保證心部有較高的韌性,因此,其熱處理主要是滲碳或碳氮共滲,然後淬火+低溫回火處理.其滲碳或碳氮共滲屬於淺層滲碳,所使用熱處理設備通常是網帶爐和震底式爐. 自攻螺釘,自攻鎖緊螺釘,自鑽自攻螺釘的滲碳深/硬度/材料見下表5-1名稱螺紋規格滲碳層深度/mm硬度材料minmax表面心部自攻螺釘 GB3098.5ST2.2&ST2.60.040.1245HRC或450HV0.32640HRC或270390 HV0.3滲碳鋼, 16Mn,20Mn,15MnB等ST2.9ST3.50.050.18ST3.9ST5.50.100.25ST6.3ST80.150.28自攻鎖緊螺釘 GB3098.7M2,M2.50.040.12450HV0.3285425 HV0.3A20Mn, 15MnBM3,M3.50.050.18B10,15M4,M50.100.25M6,M80.150.28M10,M120.150.32自鑽自攻螺釘 GB3098.11ST2.9&ST3.50.050.18560HV0.3270425 HV520Mn, 15MnVBST3.9ST5.50.100.23ST6.30.150.285.2 鉚釘 鉚釘用材常為Q235,10#,15#,ML10或ML20之類;如要求高的耐蝕性可選用SUS304或188類如1Cr18Ni9Ti並經固溶處理;還可以用T2,T3,H62等銅合金. 碳素鋼鉚釘加工工藝路線為: 球化退火-冷鐓成形-再結晶退火-鍍鋅鈍化或上防銹油.5.3 墊圈,擋圈及銷類零件a. 一般墊圈,擋圈 通常不經熱處理使用,要求較高時也可用中碳鋼或中碳合金鋼經過調質處理後使用.b. 彈簧墊圈與彈性擋圈 彈簧墊圈是用梯形截面鋼絲卷繞而成,彈簧擋圈是用彈簧鋼板沖壓而成,均以球化退火態供貨,成形後要經熱處理才能使用,其材料常為65Mn或60Si2Mn.熱處理方法為淬火+中溫回火.推薦使用硬度:彈簧墊圈 4250HRC E,C形卡簧 4453HRC c. 銷類零件 開口銷常用低碳鋼或188類材料製作,以保證其韌性. 圓柱銷/圓錐銷常用中碳(合金)鋼或滲碳鋼等製作,熱處理後使用. 彈性銷一般選用65Mn等材料熱處理後使用. 銷軸類根據使用條件,選用低碳鋼不熱處理或滲碳處理,或中碳(合金)鋼調質處理後使用. 各種錐銷和柱銷的材料與熱處理見下表5-2材料熱處理 (淬火及回火)表面處理種類牌號標準編號碳素鋼35GB6992838HRC氧化,鍍鋅,鈍化(磨削表面者除外)453846HRC合金鋼30CrMnSiAGB30773541HRC6.熱處理變形原理與一般防範措施 熱處理必然會有變形,這是毫無疑問的,導致變形的因素很多,變形趨勢也是千變萬化,異常複雜.但我們面對變形也並非完全束手無策,畢竟變形是有一定規律可循的. 要減少變形,首先必須弄清楚其形成機理.變形來源於兩類應力熱應力和組織應力,它是兩類應力共同作用的結果.不過在一定條件下只可能以一種應力為主.6.1熱應力 熱應力是材料熱脹冷縮不同時而形成的應力,由於熱處理時工件各部位加熱或冷卻速度不同,產生一定的溫差,導致其內部熱應力出現.熱應力是一種壓應力,它對材料形狀的最終影響趨勢是使外輪廓呈腰鼓形向外突出,尖角部位變鈍.有時候我們會利用它來達到某種目的.6.2 組織應力 材料熱處理時不同的轉變組織其體積不同,即使相同的轉變組織也可能不同時轉變使得材料內