金属材料工艺设计

1、成都理工大学学生撰文专用纸课程设计（工艺设计） （金属材料方向） 课程名称：机床齿轮的热处理工艺设计 学 院：材料与化学化工学院 专 业：材料科学与工程（金属材料方向） 学生姓名：李祥兆 学 号：201102040203 指导教师：管登高、龙剑平、周世杰 总 成 绩：2014年06月 热处理工艺课程设计任务书学 院材料与化学化工学院专 业材料科学与工程学 生 姓 名肖忠洋班 级 学 号201102040210课程设计题目40Cr机床齿轮的热处理工艺设计设计任务：1. 进行40Cr机床齿轮的加工路线中有关热处理工序和热处理辅助工序的设计。2. 根据40CR机床齿轮的技术要求，选定能实现技术要求的

2、热处理方法，制定工艺参数。3. 画出热处理工艺曲线图。4. 选择热处理设备，设计或选定装夹具，作出热处理工艺卡。5. 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依据和各热处理后的显微组织作出说明。 目录一 齿轮轴热处理概述71齿轮轴的服役条件、失效形式及性能要求811 服役条件、失效形式812 性能要求8二、 40Cr的基本性质91、1 40Cr的化学成分及临界温度91.2 力学性能913 40Cr的性质102. 40cr特性及用途103 合金元素的作用121 40Cr钢中铬元素的作用122 40Cr钢中硅元素的作用133 40Cr钢中锰元素的作用145、40Cr的焊接性：15

3、三、齿轮生产工艺线路及分析161 齿轮轴材料的选择162 40Cr热处理工艺特征介绍1721 预备热处理1722 最终热处理173、40cr齿轮轴断裂原因案例分析18(1)40Cr齿轮轴断裂原因分析182.2断口检验192.3金相检验213 回火脆性试验213.1 冲击试验213.2 断口形貌223 分析与讨论234、热处理工艺245、热处理工艺的确定256 40Cr钢调质热处理267、热处理的常见缺陷及补救措施29（1）氧化和脱碳：29（2）过热和过烧31（3） 软点：31（4） 淬火裂纹31（5）回火缺陷33（6）变形和开裂338、热处理工艺及曲线图34（1）退火工艺的制定34(2) 正火

4、工艺的制定359 40Cr热处理金相组织分析37四、质量检验项目及标准391、检验项目39（1）工件变形检查39（2）淬硬层深度检查39（3）硬度检查40（4）金相组织检查40五 参考文献40 一 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40Cr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。 40Cr为中

5、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40Cr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。 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

6、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40Cr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。 齿轮用于机械装置中功率的传递与速度的调节, 在汽车、拖拉机、机床、起重机械等产品中不仅有着重要的作用, 而且用量相当大。齿轮工作时, 通过齿面的接触传递动力, 齿部承受很大的交变弯曲应力和接触应力的作用, 在相互啮合的齿面上会有强烈的摩擦。啮合不均匀时, 还会产生冲击力。齿轮的损坏形式主要是齿部折断和齿面的过度磨损。根据齿轮的受力情况和失效分析

7、, 可知齿轮一般都需经过适当的热处理, 以提高承载能力和延长使用寿命。1齿轮轴的服役条件、失效形式及性能要求 11 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。 12 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。 二、 40Cr的基本性质1、1 40Cr的化学成分及临界温度 40Cr的化学成分及临界

8、温度见表1。 表1. 40Cr的化学成分及临界温度 化学成分 临界温度 C Mn Si CrA c1A c3A r1A r30.370.450.50.80.20.40.81.17438006937301.2 力学性能40Cr圆棒 试样毛坯尺寸（mm）：25 热处理： 第一次淬火加热温度（）：850；冷却剂：油 第二次淬火加热温度（）：- 回火加热温度（）：520；冷却剂：水、油 抗拉强度（b/MPa）：980 屈服点（s/MPa）：785 断后伸长率（5/%）：9 断面收缩率（/%）：45 冲击吸收功（Aku2/J）：47 布氏硬度（HBS100/3000）（退火或高温回火状态）：2073 1

9、3 40Cr的性质 从铁碳合金相图来看，40Cr钢属于亚共析钢，缓冷到室温后的组织为铁素体+珠光体；从钢的分类来看，40Cr钢属于低淬透性调质钢，具有很高的强度，良好的塑性和韧性，即具有良好的综合机械性能；40Cr钢可用于制造汽车的连杆、螺栓、传动轴及机床的主轴等零件。 2. 40cr特性及用途 特性 中碳调制钢，冷镦模具钢。该钢价格适中，加工容易，经适当的热处理以后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性。正火可促进组织球化，改进硬度小于160HBS毛坯的切削性能。在温度550570进行回火，该钢具有最佳的综合力学性能。该钢的淬透性高于45钢，适合于高频淬火，火焰淬火等表面硬化处理等。 用途 这种钢经

10、调质后用于制造承受中等负荷及中等速度工作的机械零件，如汽车的转向节、后半轴以及机床上的齿轮、轴、蜗杆、花键轴、顶尖套等；经淬火及中温回火后用于制造承受高负荷、冲击及中等速度工作的零件，如齿轮、主轴、油泵转子、滑块、套环等；经淬火及低温回火后用于制造承受重负荷、低冲击及具有耐磨性、截面上实体厚度在25mm以下的零件，如蜗杆、主轴、轴、套环等；经调质并高频表面淬火后用于制造具有高的表面硬度及耐磨性而无很大冲击的零件，如齿轮、套筒、轴、主轴、曲轴、心轴、销子、连杆、 螺钉、螺帽、进气阀等。此外，这种钢又适于制造进行碳氮共渗处理的各种传动零件，如直径较大和低温韧性好的齿轮和轴7。 【 供货状态及硬度】

11、 退火态，硬度207HBS。 40Cr轴类零件 轴类零件是机器中经常遇到的典型零件之一。它主要用来支承传动零 部件，传递扭矩和承受载荷。轴类零件是旋转体零件，其长度大于直径，一般由同心轴的外圆柱面、圆锥面、内孔和螺纹及相应的端面所组成。根据结构形状的不同，轴类零件可分为光轴、阶梯轴、空心轴和曲轴等。 轴的长径比小于5的称为短轴，大于20的称为细长轴，大多数轴介于两者之间。 轴用轴承支承，与轴承配合的轴段称为轴颈。轴颈是轴的装配基准，它们的精度和表面质量一般要求较高，其技术要求一般根据轴的主要功用和工作条件制定，通常有以下几项： (一)尺寸精度 起支承作用的轴颈为了确定轴的位置，通常对其尺寸精度

12、要求较高（IT5IT7）。装配传动件的轴颈尺寸精度一般要求较低（IT6IT9）(二)几何形状精度 轴类零件的几何形状精度主要是指轴颈、外锥面、莫氏锥孔等的圆度、圆柱度等，一般应将其公差限制在尺寸公差范围内。对精度要求较高的内外圆表面，应在图纸上标注其允许偏差。 (三)相互位置精度 轴类零件的位置精度要求主要是由轴在机械中的位置和功用决定的。通常应保证装配传动件的轴颈对支承轴颈的同轴度要求，否则会影响传动件（齿轮等）的传动精度，并产生噪声。普通精度的轴，其配合轴段对支承轴颈的径向跳动一般为0.010.03mm，高精度轴（如主轴）通常为0.0010.005mm。 (四)表面粗糙度 一般与传动件相配

13、合的轴径表面粗糙度为Ra2.50.63m，与轴承相配合的支承轴径的表面粗糙度为Ra0.630.16m。 毛坯和材料 (一)轴类零件的毛坯 轴类零件可根据使用要求、生产类型、设备条件及结构，选用棒料、锻件等毛坯形式。对于外圆直径相差不大的轴，一般以棒料为主；而对于外圆直径相差大的阶梯轴或重要的轴，常选用锻件，这样既节约材料又减少机械加工的工作量，还可改善机械性能。 根据生产规模的不同，毛坯的锻造方式有自由锻和模锻两种。中小批生产多采用自由锻，大批大量生产时采用模锻。 (二)轴类零件的材料 轴类零件应根据不同的工作条件和使用要求选用不同的材料并采用不同的热处理规范（如调质、正火、淬火等），以获得一

14、定的强度、韧性和耐磨性。 40Cr是轴类零件的常用材料，它价格便宜经过调质（或正火）后，可得到较好的切削性能，而且能获得较高的强度和韧性等综合机械性能，淬火后表面硬度可达4552HRC。 40Cr等合金结构钢适用于中等精度而转速较高的轴类零件，这类钢经调质和淬火后，具有较好的综合机械性能。 轴承钢GCr15和弹簧钢65Mn，经调质和表面高频淬火后，表面硬度可达5058HRC，并具有较高的耐疲劳性能和较好的耐磨性能，可制造较高精度的轴。 精密机床的主轴（例如磨床砂轮轴、坐标镗床主轴）可选用38CrMoAIA氮化钢。这种钢经调质和表面氮化后，不仅能获得很高的表面硬度，而且能保持较软的芯部，因此耐冲

15、击韧性好。与渗碳淬火钢比较，它有热处理变形很小，硬度更高的特性。 40Cr广泛用于机械制造，这种钢的机械性能很好。但是这是一种中碳钢，淬火性能并不好，40Cr可以淬硬至HRC4246。所以如果需要表面硬度，又希望发挥40Cr优越的机械性能，常将40Cr表面渗碳淬火，这样就能得到需要的表面硬度。 3 合金元素的作用 1 40Cr钢中铬元素的作用 (1)对钢的显做组织及热处理的作用 A、铬与铁形成连续固溶体，缩小奥氏体相区城。铬与碳形成多种碳化物，与碳的亲和力大于铁和锰而低于钨、钼等铬与铁可形成金属间化合物相(FeCr) B、铬使珠光体中碳的浓度及奥氏体中碳的极限溶解度减少 C、减缓奥氏体的分解速

16、度，显著提高钢的淬透性但亦增加钢的回火脆性倾向 (2)对钢的力学性能的作用 A、提高钢的强度和硬度时加入其他合金元素时，效果较显著 B、显著提高钢的脆性转变温度 C、在含铬量高的Fe-Cr合金中，若有相析出，冲击韧性急剧下降 (3)对钢的物理、化学及工艺性能的作用 A、提高钢的耐磨性，经研磨，易获得较高的表面光洁度 B、降低钢的电导率，降低电阻温度系数 C、提高钢的矫顽力和剩余磁感广泛用于制造永磁钢 D、铬促使钢的表面形成钝化膜，当有一定含量的铭时，显著提高钢的耐腐蚀性能（特别是硝酸）。若有铬的碳化物析出时，使钢的耐腐蚀性能下降 E、提高钢的抗氧化性能 F、铬钢中易形成树枝状偏析，降低钢的塑性

17、 G、由于铬使钢的热导率下降，热加工时要缓慢升温，锻、轧后要缓冷 2 40Cr钢中硅元素的作用 (1)对钢的显做组织及热处理的作用A、作为钢中的合金元素，其含量一般不低于0.4 。以固溶体形态存在于铁素体或奥氏体中，缩小奥氏体相区 B、提高退火、正火和淬火温度，在亚共析钢中提高淬透性 C、硅不形成碳化物，有强烈的促进碳的石墨化的作用，在硅含量较高的中碳和高碳钢中，如不含有强碳化物形成元素，易在一定温度条件下发生石墨化 D、在渗碳钢中，硅减小渗碳层厚度和碳的浓度 E、硅对钢水有良好脱氧作用 (2)对钢的力学性能的作用 A、提高铁素体和奥氏体的硬度和强度，其作用较Mn 、Ni 、Cr . W 、M

18、o、V 等更强；显著提高钢的弹性极限、屈服强度和屈强比(s/b)并提高应劳强度和疲劳比(-1/b) B、硅含量超过3 时显著降低钢的塑性和韧性；硅提高塑脆转变温度 C、硅易使钢中形成带状组织，使横向性能低于纵向性能 D、改善钢的耐磨性能 (3)对钢的物理、化学及工艺性能的作用 A、降低钢的密度、热导率、电导率和电阻温度系数 B、硅钢片的涡流损耗量显著低于纯铁，矫顽力、磁阻和磁滞损耗较低磁导率和磁感强度较高。但在强磁场中，硅降低磁感强度C、提高高温时钢的抗氧化性能，但硅含量高时，表面脱碳加剧 D、硅含量超过2.5 的钢，其变形加工较为困难 E、硅降低钢的可焊性 3 40Cr钢中锰元素的作用 (1

19、)对钢的显做组织及热处理的作用 A、锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，工业用钢中一般均含有一定量的锰 B、锰固溶于铁素体和奥氏体中扩大奥氏体区，使临界温度A4点升高，A3点降低，(+)区下移当锰含量超过12时，上临界点降至室温以下，使钢在室温时形成单一奥氏体组织。在降低共析温度同时，使共析体中的碳含量减少 C、锰强烈降低钢的Ar1和马氏体转变温度(其作用仅次于碳）和钢中相变的速度，提高钢的淬透性，增加残余奥氏体含量 D、使钢的调质组织均匀、细化，避免了渗碳层中碳化物的聚集成块，但增大了钢的过热敏感性和回火脆性倾向 E、锰是弱碳化物形成元素 (2)对钢的力学性能的作用 A、锰强化铁素体或奥氏体的作用不及

20、碳，磷、硅，在增加强度的同时，对延展性无影响 B、由于细化了珠光体，显著提高低碳和中碳珠光体钢的强度，使延展性有所降低 C、通过提高淬透性而提高了调质处理索氏体钢的力学性能 D、在严格控制热处理工艺、避免过热时的晶粒长大以及回火脆性的前提下，锰不会降低钢的韧性 (3)对钢的物理、化学及工艺性能的作用 A、随锰含量的增加，钢的热导率急剧下降，线胀系数上升，使快速加热或冷却时形成较大内应力，工件开裂倾向增大 B、使钢的电导率急剧降低，电阻率相应增大，电阻温度系数下降 C、使矫顽力增大，饱和磁感、剩余磁感和磁导率均下降，因而锰对永磁合金有利，对软磁合金有害 D、锰含量很高时，钢的抗氧化性能下降 E、

21、使钢中的硫形成较高熔点的MnS ，避免了晶界上的FeS 薄膜，消除钢的热脆性，改善热加工性能 F、高锰奥氏体钢的变形阻力较大，且钢锭中柱状结晶明显，锻轧时较易开裂 G、由于提高了淬透性和降低了马氏体转变温度，对焊接性能有不利影响。在适当范围内应降低碳含量 5、40Cr的焊接性： 结晶时易偏析，对结晶裂纹（一种热裂纹）比较敏感，焊接时容易在弧坑和焊缝中凹下的部分开裂。含碳量较高，快冷时易得到对冷裂纹很敏感的淬硬组织（马氏体组织）。过热区在冷速较大时，很容易形成硬脆的高碳马氏体而使过热区脆化。 焊接工艺要点： 1、一般在退火（正火）状态下进行焊接。 2、焊接方法不受限制 3、用较大线能量，适当提高

22、预热温度，一般预热温度及层间温度可控制在250300之间。 4、焊接材料应保证熔敷金属的成分与母材基本相同，如J107Cr5、焊后应及时进行调质热处理。若及时进行调质处理有困难，可进行中间退火或在高于预热的温度下保温一段时间，以排除扩散氢并软化组织。 对结构复杂、焊缝较多的产品，可在焊完一定数量的焊缝后，进行一次中间退火。 三、齿轮生产工艺线路及分析1 齿轮轴材料的选择 齿轮是现代机械中应用最广泛的一种机械传动零件。齿轮传动通过轮齿互相啮合来传递空间任意两轴间的运动和动力，并可以改变运动的形式和速度。齿轮传动使用范围广，传动比恒定，效率较高，使用寿命长。齿轮轴材料的选用根据齿轮轴的工作条件，要

23、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。 在机械零件产品的设计与制造过程中，不仅要考虑材料的性能能够适应零件的工作条件，使零件经久耐用，而且要求材料有较好的加工工艺性能和经济性，以便提高零件的生产率，降低成本，减少消耗。如果齿轮材料选择不当，则会出现零件的过早损伤，甚至失效。因此如何合理地选择和使用金属材料是一项十分重要的工作。 满足材料的机械性能 材料的机械性能包括强度、硬度、塑性及韧性等，反映材料在使用过程中所表现出来的特性。齿轮在啮合时

24、齿面接触处有接触应力，齿根部有最大弯曲应力，可能产生齿面或齿体强度失效。齿面各点都有相对滑动，会产生磨损。齿轮主要的失效形式有齿面点蚀、齿面胶合、齿面塑性变形和轮齿折断等。因此要求齿轮材料有高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，齿面要有足够的硬度和耐磨性，芯部要有一定的强度和韧性。 例如，在确定大、小齿轮硬度时应注意使小齿轮的齿面硬度比大齿轮的齿面硬度高30-50HBS，这是因为小齿轮受载荷次数比大齿轮多，且小齿轮齿根较薄，强度低于大齿轮。为使两齿轮的轮齿接近等强度，小齿轮的齿面要比大齿轮的齿面硬一些。 另一方面，根据材料的使用性能确定了材料牌号后。要明确材料的机械性能或材料硬度，然后我们可以通过不

25、同的热处理工艺达到所要求的硬度范围，从而赋予材料不同的机械性能。材料为40Cr合金钢的齿轮，当840-860油淬， 540-620回火时，调质硬度可达28-32HRC，可改善组织、提高综合机械性能；当860-880油淬，240280回火时，硬度可达46-51HRC，则钢的表面耐磨性能好，芯部韧性好，变形小；当500-560氮化处理，氮化层0.15-0.6mm时，硬度可达52-54HRC，则钢具有高的表面硬度、高的耐磨性、高的疲劳强度，较高的抗蚀性和抗胶合性能且变形极小；当通过电镀或表面合金化处里后，则可改善齿轮工作表面摩擦性能，提高抗腐蚀性能。 满足材料的工艺性能 材料的工艺性能是指材料本身能

26、够适应各种加工工艺要求的能力。齿轮的制造要经过锻造、切削加工和热处理等几种加工，因此选材时要对材料的工艺性能加以注意。一般来说，碳钢的锻造、切削加工等工艺性能较好，其机械性能可以满足一般工作条件的要求。但强度不够高，淬透性较差。而合金钢淬透性好、强度高，但锻造、切削加工性能较差。我们可以通过改变工艺规程、热处理方法等途经来改善材料的工艺性能 2 40Cr热处理工艺特征介绍 21 预备热处理 调质钢经热加工后，必须经过预备热处理来降低硬度，便于切削加工，消除热加工时造成的组织缺陷，细化晶粒，改善组织，为最终热处理做好准备。对于40Cr钢而言，可进行正火或退火处理。 22 最终热处理 调质钢的最终

27、热处理是淬火加高温回火。一般可以采用较慢的冷却速度淬火，可以用油淬以避免热处理缺陷。当强度较高时，采用较低的回火温度，反之选用较高的回火温度。 淬火工艺的制定： 加热温度为850，保温时间：80min；冷却方式：油冷。 低温回火工艺的制定：低温回火的温度为150-300，但钢材的第一类回火脆性温度在250-400，由于40Cr中含有硅、锰、铬等合金元素，第一类回火脆性温度将有所增高，所以选用低温回火温度为240，保温时间60min；采用空冷。 中温回火工艺：中温回火温度为350-500，选用温度为460，保温时间为50min，空冷。 高温回火工艺：高温回火温度为500-650，可选用加热温度为

28、620，保温时间为60，空冷。 40Cr淬火后回火热处理的洛氏硬度： 1、40Cr 850油淬 50.2 620 24.4 2、40Cr 850油淬 51.8 460 41.3 3、40Cr 850油淬 49.3 240 50.3 40Cr 钢的原始组织为球状珠光体，由于球状的接触面积小，同时铬能阻碍碳的扩散，而铬本身扩散速度较慢，因此加热温度应选择上限，且保温时间加长，否则球状渗碳体很难完全溶解而保留下来，造成淬火后硬度及强度下降。 加热温度越高，马氏体的百分比也会增加，如50%-99%，组织也会不断粗大 理论上说，40Cr加热到850-870后保温，合金元素就基本上能全部融入奥氏体中且晶粒

29、也不是很粗大，所以在理论上850淬火后的硬度应该是最高的，以后随着温度的增加，钢的蓄热量增加，淬火冷却时的冷却速度就下降，因此理论上在850以上温度淬火硬度会下降。 3、40cr齿轮轴断裂原因案例分析 (1)40Cr齿轮轴断裂原因分析 摘要 本文利用扫描电镜、金相显微镜等设备对断裂工件断口形貌、金相组织进行了检验，并采用不同温度回火进行冲击试验，分析了40Cr齿轮轴断裂原因，推断为用户热处理工艺不当，造成工件出现回火脆性导致断裂，为用户改进工艺提供了理论依据。 关键词 断口形貌 冲击试验 回火脆性 40Cr经热处理后因其良好的综合性能常用于轴类加工，某用户使用40Cr加工齿轮轴，经淬火（850

30、保温120分钟油冷）、回火（350370保温120分钟水冷）处理后，在安装螺母时出现批量断裂，笔者受委托对齿轮轴断裂原因进行分析。 1、宏观检验 齿轮轴断裂位置均在轴和齿交界处，断口裂纹源均位于表面，扩展区较少，大部分为放射状瞬断区，如图1所示，断口平齐，无明显塑性变形。图1 断口形貌2、理化检验 对所送断裂件进行化学成分、断口形貌、金相组织、晶粒度分析。 2.1化学成分 断裂件化学成分光谱分析结果 （质量分数，%）见表1，成分符合GB/T3077-1999 技术要求。2.2断口检验 在Zeiss EVO40扫描电镜下观察断口，裂纹起源于表面，未发现夹杂等冶金缺陷（图2），整个断面以沿晶断裂为

31、主，小部分区域为沿晶和韧窝混合断口（图3）图2 裂纹源形貌图3 断口微观形貌 2.3金相检验切取过裂纹源的纵向截面磨制金相试样，使用zeiss 200MAT金相显微镜观察，非金属夹杂物评级为：A1.5，B0.5，C0，D1.0，用饱和苦味酸腐蚀后，晶粒度为7.58级，用3%硝酸酒精腐蚀后，金相组织为回火屈氏体（图4）。图4 组织 500×3 回火脆性试验 3.1 冲击试验 因试样组织和晶粒度正常，断口以沿晶断裂为主，因此初步推断为回火脆性所致，为确定40Cr钢在350370是否出现回火脆性，取两组试样使用NCS NI500冲击试验机进行试验，热处理工艺为： 淬火：850保温一小时，机

32、油冷却，不同回火温度下保温一小时，水冷，U型缺口，结果见表2，冲击值与回火温度的对应关系见图5. 表2 不同回火温度下的冲击值（J） 3.2 断口形貌 不同回火温度下冲击试样断口形貌见图6，3 分析与讨论 40Cr作为中碳调质钢，一般采用淬火+高温回火，资料记载，Mn、Cr钢在较低温度回火时容易出现回火脆性，由模拟试验冲击值与断口形貌可以看出， 240以下回火断口以准解理为主，冲击值较低，随回火温度提高冲击值上升，280-380之间断口出现明显的沿晶断口，350时沿晶断口所占比例最多，冲击值明显降低，460以上断口以韧窝为主，冲击值大幅提高，钢材化学成分、晶粒度、非金属夹杂物、金相组织均符合技

33、术标准要求，模拟试验结果表明工件采用的热处理工艺使材料出现回火脆性。 5 结语 （1）工件使用的钢材符合技术标准要求； （2）由于用户在易出现回火脆性的温度范围内回火，导致工件出现回火脆性，在安装过程中受力断裂，建议将回火温度提高到500以上，以获得良好的综合机械性能。 4、热处理工艺 淬火工艺 40Cr淬火850,油冷；回火520,水冷、油冷。40Cr表面淬火硬度为HRC52-60，火焰淬火能达到HRC48-55。 （1）氮化处理 40Cr属于可氮化钢，其所含元素有利于氮化。40Cr经氮化处理后可获得较高的表面硬度，40Cr调质后氮化处理硬度最高能达到HRA7278，即HRC4355。 氮化

34、工件工艺路线：锻造退火粗加工调质精加工除应力粗磨氮化精磨或研磨。由于氮化层薄，并且较脆，因此要求有较高强度的心部组织，所以要先进行调质热处理，获得回火索氏体，提高心部机械性能和氮化层质量。软氮化是活性氮化,现在比较常用的是气体氮化. 焊接 40Cr焊接前注意预热，以防止因基体散热，造成焊缝内部激冷淬裂。焊接后调质前最好加一遍正火。 40Cr的焊接性： 结晶时易偏析，对结晶裂纹（一种热裂纹）比较敏感，焊接时容易在弧坑和焊缝中凹下的部分开裂。含碳量较高，快冷时易得到对冷裂纹很敏感的淬硬组织（马氏体组织）。过热区在冷速较大时，很容易形成硬脆的高碳马氏体而使过热区脆化。 焊接工艺要点： 1、一般在退火

35、（正火）状态下进行焊接。 2、焊接方法不受限制 3、用较大线能量，适当提高预热温度，一般预热温度及层间温度可控制在250300之间。 4、焊接材料应保证熔敷金属的成分与母材基本相同，如J107Cr 5、焊后应及时进行调质热处理。若及时进行调质处理有困难，可进行中间退火或在高于预热的温度下保温一段时间，以排除扩散氢并软化组织。 对结构复杂、焊缝较多的产品，可在焊完一定数量的焊缝后，进行一次中间退火。 5、热处理工艺的确定 （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3050,而对于中碳合金钢的正火温度正火温度通常为Ac3以上50100，保温一定时间后取出喷雾冷却这种冷却方式

36、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850900。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。 （2）正火加热保温时间 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

37、保温时间，加热时间应为23小时左右。 （3）淬火温度的选择 40CrMo钢，含碳量为0.42%，属于亚共析钢，含碳量为0.42%钢的Ac3为800，由亚共析钢淬火温度要求T=Ac3+3050（）可得，淬火温度T=830850（），我们可以设定在840。 （4）淬火保温时间的确定 根据有效长度/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。 （5）确定回火温度。 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0.40.5%的曲线带，再在纵坐标上查出HRC=3540，取中值36其曲线带相交的点即为加热温度，大约为4

38、80。 （6）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11.5h。 回火后空冷即可。 6 40Cr钢调质热处理（1）调质钢有碳素调质钢和合金调质钢二大类，不管是碳钢还是合金钢，其含碳量控制比较严格。如果含碳量过高，调质后工件的强度虽高，但韧性不够，如含碳量过低，韧性提高而强度不足。为使调质件得到好的综合性能，一般含碳量控制在0.300.50%。 调质淬火时，要求工件整个截面淬透，使工件得到以细针状淬火马氏体为主的显微组织。通过高温回火，得到以均匀回火索氏体为主的显微组织。小型工厂不可能每炉搞金相分析，一般只作硬度测试，这就是说，淬火后的硬度必须达到该材料

39、的淬火硬度，回火后硬度按图要求来检查。 (2) 40Cr钢的调质处理 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Cr钢。但Cr钢有第二类回火脆性。 40Cr工件调质的淬回火，各种参数工艺卡片都有规定，我们在实际操作中体会是： （一）40Cr工件淬火后应采用油冷，40Cr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。但是小型企业在供油紧张的情况下，对形状不复杂的工件，可以在水中淬火，并未发现开裂，只是操作者要凭经验严格掌握入水、出水的温度。 （二）40Cr工件调质后硬度仍然偏高，第二次回火温度就要增加2050，不然，硬度

40、降低困难。 （三）40Cr工件高温回火后，形状复杂的在油中冷却，简单的在水中冷却，目的是避免第二类回火脆性的影响。回火快冷后的工件，必要时再施以消除应力处理。 影响调质工件的质量，操作工的水平是个重要因素，同时，还有设备、材料和调质前加工等多方面的原因，我们认为： （一）工件从加热炉转移到冷却槽速度缓慢，工件入水的温度已降到低于Ar3临界点，产生部分分解，工件得到不完全淬火组织，达不到硬度要求。所以小零件冷却液要讲究速度，大工件予冷要掌握时间。 （二）工件装炉量要合理，以12层为宜，工件相互重叠造成加热不均匀，导致硬度不匀。 （三）工件入水排列应保持一定距离，过密使工件近处蒸气膜破裂受阻，造成

41、工件接近面硬度偏低。 （四）开炉淬火，不能一口气淬完，应视炉温下降程度，中途闭炉重新升温，以便前后工件淬后硬度一致。 （五）要注意冷却液的温度，10%盐水的温度如高于60，不能使用。冷却液不能有油污、泥浆等杂质，不然，会出现硬度不足或不均匀现象。 （六）未经加工毛坯调质，硬度不会均匀，如要得到好的调质质量，毛坯应粗车，棒料要锻打。 （七）严把质量关，淬火后硬度偏低13个单位，可以调整回火温度来达到硬度要求。但淬火后工件硬度过低，有的甚至只有HRC2535，必须重新淬火，绝不能只施以中温或低温回火以达到图纸要求完事，不然，失去了调质的意义，并有可能产生严重的后果。 40CR是调制钢，用于制造在重

42、载作用下同时又受冲击载荷作用的一些重要零件没要求零件具有高强度、高韧性相结合的良好综合力学性能，抗拉强度和屈服强度比的碳钢约20%，并有良好的淬透性，切削性好，冷变形时的塑性中等，断面小于50MM时，油淬后有较高的疲劳强度。具有较高的强度和硬度，调制后可获得回火索氏体具有较高的强度、塑性、韧性、疲劳极限、断裂韧度和较低的韧脆性转折温度，可以满足工件使用的性能要求，少量合金元素的加入显著增加了钢的淬透性，一般采用油淬，油淬的临界直径是30MM40MM，适用于制造较重的调制件，如机床主轴、汽车、拖拉机上的连杆、螺栓等。 调制钢在加热后，必须经过预备热处理降低硬度，以利于切削加工，预备热处理还可以消

43、除加工缺陷，改善组织委淬火做好准备。对合金含量较低的钢，可采用正火或者完全退火，对合金含量较高的钢采用正火加高温回火做预备热处理，高温回火可使正火处理得到马氏体转变为粒状珠光体。 最终热处理为调质，碳钢淬火温度为AC3+(3050)摄氏度，合金钢可适当提高淬火温度，回火温度为500650摄氏度，具体回火温度按硬度取，要求强度好的选下限。 合金调质钢有较大高温的回脆倾向，为防止高温脆性发生，高温回火后要采用水冷或油冷，对于大锻件体要采用合金化方法防止回脆，调质钢不一定都进行调质处理，因为回火索氏体组织不能充分发挥碳提高钢的强度方面的潜力，所以可采用淬火加低温回火代替调质。 低合金超高强度结构和合

44、金钢调质钢经淬火加低温回火后，其韧性与碳的质量分数有关。例如低合金高强度钢当碳的质量分数超过0.3%，虽然随着谈的质量分数的增高强度持续增高，但钢的韧性特别是断裂韧度显著下降。所以应合理控制碳质量分数，以得到最佳强度与塑性的配合。 7、热处理的常见缺陷及补救措施 （1）氧化和脱碳： 工件在加热过程中，由于周围的加热介质与钢表面所起的化学作用，会使钢发生氧化与脱碳，严重影响淬火工件的质量。氧化：是指钢的表面与加热介质中的氧、氧化性气体、氧化性杂质相互作用形成氧化铁的过程。由于氧化铁皮的形成，使工件的尺寸减小，表面光洁度降低，还会严重地影响到淬火时的冷却速度，致使工件表面产生软点和硬度不足。钢的氧

45、化虽然是化学反应，但是一旦在钢的表面出现一层氧化膜之后，氧化的速度主要取决于氧和铁原子通过氧化膜的扩散速度，如图2-53所示。由图可见，随着加热温度的升高，原子扩散速度增大，钢的氧化速度便急剧地增大，特别是在570度以上，所形成的氧化膜是以是FeO为主，它是不致密的，结构疏松的。因此，氧原子很容易透过已形成的表面氧化膜，继续与铁发生氧化反应，所以，当氧化膜中出现FeO时，钢的氧化速度大大增加，氧化层逐渐增厚。在570度以下氧化膜则由比较致密的Fe3O4所构成，由于处于工件表面的这种氧化膜结构致密，与基体结合牢固，氧原子难以继续渗入，故氧化的速度比较缓慢。 脱碳：是指钢表层中的碳被氧化，使钢的表

46、层含碳量降低，钢的加热温度越高，且钢的含碳量越多（特别具有高含量的硅、钼、铝等元素时），钢越容易脱碳。由于碳的扩散速度较快，所以钢的脱碳速度总是大于其氧化速度。在钢的氧化层下面，通常总是存在着一定厚度的脱碳层，由于脱碳使钢的表层碳含量下降，从而导致钢件淬火后表层硬度不足，疲劳强度下降，而且使钢在淬火时，容易形成表面裂纹。为了防止氧化、脱碳，根据工件的技术要求和实际情况，可以采用保护气氛加热、真空加热，以及用工件表面涂料包装加热等方法。在盐浴中加热时，可以采用经常加入脱氧剂的方法，并要求建立严格的脱氧制度。此外，对普通箱式炉稍加改造后，采用滴入煤油的办法进行保护，可大大改善加热工件的表面质量。（

47、2）过热和过烧 钢件进行奥氏体化加热时，如加热温度过高或加热时间过长，会 引起奥氏体晶粒长大变粗，形成的马氏体也粗化，这种现象叫过热。过热的工件几乎不能防止淬火裂纹产生。因为在生成的马氏体中存在大量微裂纹，这种马氏体裂纹会发展为淬火裂纹。在加热温度更高的情况下，钢的奥氏体晶粒进一步粗化，并产生晶界氧化，严重时还会引起晶界熔化，这种现象叫过烧。产生过烧的工件，其性能急剧降低。有过热缺陷的工件，可先进行一次细化组织的正火或退火，然后再按正常规范重新淬火。有过烧缺陷的工件因无法挽救而只能报废。 （3） 软点： 工件或钢材淬火硬化后，表面硬度偏低的小区域被称之为软点。当用水作冷却介质时，工件表面因被传

48、热很差的蒸气膜包住而造成冷却缓慢，所以淬火后工件的软点比较严重，在存在氧化皮和脱碳的部位也会出现软点。软点可用锉刀检查，容易锉动的地方即是软点所在部位。为了防止软点，应该使工件在无氧化、无脱碳条件下加热；其次是加强淬火介质在淬火过程中的机械搅拌；也可采用清水中加入盐、碱，或采用聚乙烯醇等水溶性有机溶液做淬火介质，使钢件在淬火时形成蒸气膜迅速破坏，不至于出现淬火软点。 （4） 淬火裂纹 淬火裂纹是由于淬火内应力在工件表层的拉应力超过冷却时钢的断裂强度而引起的，这种裂纹是工件在进入冷却介质中不久之后，温度降至Ms点（大约为250度）以下时产生的。这是因为工件从奥氏体化温度急冷至Ms点以下的过程中，

49、因马氏体转变使塑性急剧降低，而组织应力急剧增大，所以容易形成裂纹。最常见的淬火裂纹如图2-54所示，有纵向裂纹、横向裂纹、网状裂纹和应力集中裂纹几种。对于淬火后未出现而在磨削后才出现的裂纹，要区别它究竟是淬火裂纹还是磨削裂纹。磨削裂纹的方向总是垂直于磨削方向并呈平行线形样式，淬火裂纹则与磨削方向无关并呈刀割状开裂。形成淬火裂纹的原因： 1.导致淬火裂纹的原因很多，大体可归纳为三个方面。 热处理工艺：如过热、脱碳、冷速过快、冷却操作不当、淬火后未及时回火等。 2.原材料原因：如有大块或连续分布的非金属夹杂物、碳化物偏析、白点、气孔、锻造折叠等。 3.工件结构设计或选材不当：如工件壁厚相差悬殊，具

50、有形成应力集中的尖角、凹角等。在选材方面对形状复杂的零件选用淬透性较低的钢种，从而造成在激烈的冷却过程中开裂。 淬火裂纹的防止：淬火裂纹一旦产生便无法挽救，因此必须设法防止。为了防止淬火裂纹，首先应改善零件结构设计的工艺性，并正确选用钢材。在淬火技术方面，应特别注意在点以下Ms点以上快冷、在Ms慢冷，即遵守“先快后慢”的原则，如双介质淬火和分级淬火能有效防止淬火裂纹。工件淬火后要注意立即回火，因为淬火工件中或多或少地存在一定量的残余奥氏体，这些奥氏体在室温下的放置过程中会转变成马氏体，从而因发生体积膨胀而导致开裂。同时，淬火残余应力的存在会助长裂纹产生。这种裂纹是延迟发生的淬火裂纹，其形状与淬

51、火裂纹相同。 （5）回火缺陷 回火缺陷主要指回火裂纹和回火硬度不合格。所谓回火裂纹，是指淬火状态钢进行回火时，因急热、急冷或组织变化而形成的裂纹。有回火硬化（二次硬化）现象的高合金钢，比较容易产生回火裂纹。防止方法是在回火时缓慢加热，并使回火温度缓慢冷却。硬度过高一般是因回火温度不够造成的，补救方法是按正常回火规范重新回火。回火后硬度不足主要是回火温度过高，补救办法是退火后重新淬火回火。出现硬度不合格时，首先要查找原因，检查是否发生混料，因为这也是引起淬火后硬度不合格的主要原因。回火脆性，是钢的一种热处理特性，而不是热处理缺陷。但如果不注意这种特性，有时就会成为回火缺陷的根源。回火脆性一般有两

52、类，第一类是低温回火脆性，钢在250-400度范围内产生，生产过程中无法通过改变工艺操作来消除，只能尽量避免在此温度范围内回火，或改用等温淬火工艺来代替淬火加回火；第二类是高温回火脆性，某些合金钢在450-575度回火，或在稍高温度下回火后缓慢冷却，出现了冲击韧度下降的现象，这类已脆化的钢再次重新加热至预定的回火温度，然后快冷至室温，脆性消失，所以也叫可逆回火脆性。 （6）变形和开裂 减少变形及防止裂纹的措施 淬火的目的是为了获得马氏体，就要快速冷却，但这又会引起淬 火内应力，淬火工件发生变形和开裂的根本原因是由于淬火内应力造成的。因此，除制定合理的淬火工艺外，同时还必须设法减小淬火内应力，防

53、止变形和开裂。所以有必要对淬火过程中产生的内应力有所了解。内应力有热应力和组织应力两种，它们的成因和作用是不同的。 1.热应力与组织应力的分布规律： （1）热应力：工件加热或冷却时，由于工件表层和心部温度变化不同时，造成热胀冷缩不均，这种由热胀冷缩不均而产生的应力叫热应力。工件加热时，表面温度比心部高，表面受热膨胀，心部温度低未膨胀，这时表层受压应力，心部则受拉应力。透热后，心部温度升高而膨胀，使表层产生塑性变形，此时，工件表现为体积膨胀。工件冷却时，表面冷速比心部快得多，表层要收缩，中心温度尚高不让收缩，对表层产生拉应力，心部则产生压应力。继续冷却时，心部要发生收缩，这时表层已冷硬不让收缩，

54、于是对心部产生拉应力，表层则受压应力，这种应力在冷却结束后仍存在于工件内部，叫残余应力。 8、热处理工艺及曲线图 40Cr热处理工艺的制定按上述知识，对40Cr钢分别采用退火、正火、淬火、不同的回火温度情况下的热处理，测定不同情况下试样的硬度与冲击韧性值。 （1）退火工艺的制定 图1为退火及正火工艺曲线图。加热温度：A 。+(3O50) C，由此确定加热温度为850 C；保温时间：120min； 冷却方式：随炉冷却。(2) 正火工艺的制定 加热温度：Ac。+ (3050)C，由此确定加热温度为850 C；保温时间：120min；冷却方式：空冷。 33 淬火工艺的制定 图2为淬火工艺曲线图。加热温度：A 。+ (3O50)C，由此确定加热温度为850C；保温时间：80min；冷却方式：油冷。 (3)回火工艺的制定 341 低温回火 图3为淬火加低温回火工艺曲线图。亚共析钢的低温回火温度为150 C3O0 C，但钢材的第一类回火脆