轴杆类材料选用及热处理

Ｖｏ１．２８，Ｎｏ．７　２０１０年７月　中国资源综合利用　Ｃｈｉｎａ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏ工艺研究　大截面４５钢轴杆类零件热处理工艺探讨　王永明　（徐州生物工程技术学院，江苏　徐州　２２１０００）　摘要：随着科学技术的进步，机械设备有向大型化方向发展的趋势，工程机械行业大量使用４５钢，因此　大截面４５钢的热处理工艺的探讨与研究，对设计人员正确选择安排设计工艺过程具有重要意义。通过　对大截面４５钢轴杆类零件的两种不同热处理工艺的比较，阐述了各自的优缺点及应用。　关键词：大截面４５钢；淬火；低温回火；调质　中图分类号：ＴＧ１５６　文献标识码：Ａ　文章编号：１００８—９５００（２０１０）０７—００２７—０２　Ｔｈｅ　Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　０ｆ　ｔｈｅ　Ｈｅａｔ　Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｌａｒｇｅ　Ｃｒｏｓｓ　Ｓｅｃｔｉｏｎ　０ｆ　４５　Ｓｔｅｅｌ　Ｓｈａｆｔ　Ｐａｒｔｓ　Ｗａｎｇ　Ｙｏｎｇｍｉｎｇ　（Ｘｕｚｈｏｕ　Ｂｉｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｘｕｚｈｏｕ　２２１０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｓｃｅｎｃｅ　ａｎｄ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｑｕｉｐｍｅｎｔｓ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｂｅｃｏｍｅ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙ　ｌａｒｇｅ，ＳＯ　ａ　ｌａｒｇｅ　ｓｅｃｔｉｏｎ　４５　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ　ｈｅａｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｗａｓ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ，ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｒ　ｃａｎ　ｃｏｒｒｅｃｔ　ｃｈｏｉｃｅ　ｏｆ　ｌａｒｇｅ　ｓｅｃｔｉｏｎ　４５　ｏｆ　ｓｔｅｅ１．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｃｏｍｐａｒｅｓ　ｔｗｏ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｈｅａｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌａｒｇｅ　ｃｒｏｓｓ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　４５　ｓｔｅｅｌ　ｓｈａｆｔ　ｐａｎｓ，ａｎｄ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ　ｔｈｅｉｒ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ａｎｄ　ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｅａｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ；ｔｈｅ　ｌａｒｇｅ　ＣＲＯＳＳ—ｓｅｃｔｉｏｎ；４５　ｓｔｅｅｌ；ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ；ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ　众所周知，金属材料的力学性能主要是由其组　织机结构决定的，淬火后能否淬透，能否获得马氏　体组织．是材料能否通过热处理改变其力学性能的　先决条件。钢的淬透性是具体衡量获得马氏体组织　能力的一个重要指标，淬火后获得淬硬层深度主要　取决于钢的淬透性，但也受其他因素影响，其中尺　寸是重要因素之一。４５钢在水中的临界淬透直径　为１５～２３　ｍｍ。大截面的４５钢的淬硬层深度问题是　热处理技术人员最为关心的，因为它关系到热处理　后的工件能否达到设计要求。所以．对大截面４５钢　进行与生产实践相一致的工况下淬硬层深度沿截　面分布问题进行探索及工艺路线设计很有必要。　１　实验方法　实验时采用生产现场进行热处理调质处理的　４５钢，其化学成分为：Ｃ　０．４２％～０．５０％、Ｓｉ　０．１７％一　０．３７％、Ｍｎ　０．５０％～０．８０％，Ｓ　０．０４０％，Ｐ　０．０４０％。试样　选用直径分别为４０　ｍｍ、６０　ｍｍ、８０　ｍｍ、１００　ｍｍ、１２０　ｍｍ、１５５　ｍｍ的销轴类棒料，长度均大于直径的２．５　倍，剥去１　ｍｍ厚的表皮后备用。试样的淬火温度　为８４０　ｏＣ，淬火介质采用１０％的盐水，回火温度选　用２００～６００℃。热处理后磨去表面氧化皮，以保证　硬度测试的平衡性并消除表面脱碳对工件硬度的　影响，每个试样处理后，在其长度二分之一处用砂　轮机在水冷下剖开，硬度沿同心圆测定，每个硬度　值测定５～ｌ０个点以提高数据的准确性。　２实验结论及分析　２．１实验结论及分析　通过实验可以看出大截面４５钢的淬硬层深度　仅为ｌ～５　ｍｍ，除表层外，大部分得不到马氏体组　织。因此，在高温回火后仅仅是表层获得具有良好　的综合力学性能的回火索氏体，而传统的销轴类零　件加工路线调质处理安排在粗加工之前，按照工厂　通常的调质处理件的加工余量２．５　ｍｍ，对于大截　面４５钢来说，经粗加工后调质处理的效果基本被　消除。因此，对大截面销轴类零件，调质处理工序应　安排在粗加工之后，否则达不到要求。　收稿日期：２０１０—０５—２８　作者简介：王永明（１９６２一），男，山东乳山人，讲师，研究方向：材料工程与应用。　一

轴的工艺设计分析

轴是一种常见的机械零部件，用于传递力和转动运动，承载受力。在进行轴的工艺设计分析时，需要考虑以下几个方面：

1. 材料选择：轴通常采用金属材料制作，如钢或铸铁等。在选择材料时，需要考虑轴的工作环境、受力情况以及使用要求，以确保轴具有足够的强度和刚度。

2. 结构设计：轴的结构设计包括轴的直径、长度、圆角半径等参数的确定。对于承受较大的转矩和受力的轴，通常会采用大直径和短长度的设计，以增加轴的强度和刚度。

3. 加工工艺：轴的加工工艺包括车、铣、镗、磨等工艺。在进行加工时，需要根据轴的形状、精度要求和加工设备的能力等因素综合考虑，选择合适的加工工艺。

4. 热处理：轴通常需要进行热处理，以改善其机械性能。常见的热处理方法包括淬火、正火、回火等，根据轴的材料和使用要求选择合适的热处理方法。

5. 表面处理：轴的表面通常需要进行处理，以提高其耐磨性和降低摩擦系数。常见的表面处理方法包括镀铬、镀镍、喷涂等，根据轴的使用要求选择合适的表面处理方法。

6. 组装和调试：在轴的设计过程中，还需要考虑轴与其他零部件的配合和组装情况。轴的设计要确保与其他零部件的配合尺寸合适，以保证整个机械系统的正常运行。在完成轴的加工和表面处理后，还需要进行组装和调试，以确保轴的运转平稳、无杂音。

总之，轴的工艺设计分析需要考虑材料选择、结构设计、加工工艺、热处理、表面处理、组装和调试等多个方面，以确保轴具有良好的强度、刚度和耐磨性，满足机械系统的使用要求。

轴的材料及选择

轴的材料种类很多，选择时应主要考虑如下因素：

1.轴的强度、刚度及耐磨性要求；

2.轴的热处理方法及机加工工艺性的要求；

3.轴的材料来源和经济性等。

轴的常用材料是碳钢和合金钢。 碳钢比合金钢价格低廉，对轴的材料种类很多，选择时应主要考虑如下因素： 1.轴的强度、刚度及耐磨性要求；

2.轴的热处理方法及机加工工艺性的要求；

3.轴的材料来源和经济性等。

轴的常用材料是碳钢和合金钢。 碳钢比合金钢价格低廉，对应力集中的敏感性低，可通过热处理改善其综合性能，加工工艺

性好，故应用最广，一般用途的轴，多用含碳量为0.25～0.5%的中碳钢。尤其是45号钢，

对于不重要或受力较小的轴也可用Q235A等普通碳素钢。

合金钢具有比碳钢更好的机械性能和淬火性能，但对应力集中比较敏感，且价格较贵，多用

于对强度和耐磨性有特殊要求的轴。如20Cr、20CrMnTi等低碳合金钢，经渗碳处理后可提高耐磨性；20CrMoV、38CrMoAl等合金钢，有良好的高温机械性能，常用于在高温、高速

和重载条件下工作的轴。

值得注意的是：由于常温下合金钢与碳素钢的弹性模量相差不多，因此当其他条件相同时，

如想通过选用合金钢来提高轴的刚度是难以实现的。

低碳钢和低碳合金钢经渗碳淬火，可提高其耐磨性，常用于韧性要求较高或转速较高的轴。 球墨铸铁和高强度铸铁因其具有良好的工艺性，不需要锻压设备，吸振性好，对应力集中的

敏感性低，近年来被广泛应用于制造结构形状复杂的曲轴等。只是铸件质量难于控制。

轴的毛坯多用轧制的圆钢或锻钢。锻钢内部组织均匀，强度较好，因此，重要的大尺寸的轴，

常用锻造毛坯。

项目二十 典型零件材料及热处理工艺选择

【内容简介】

本项目主要介绍轴类、齿轮类、弹簧类、箱体类选材及热处理工艺。

【学习目标】

(1) 熟悉轴类零件、齿轮类零件、弹簧类零件、箱体类零件的技术要求、失效形式；

(2)掌握轴类零件、齿轮类零件、弹簧类零件、箱体类零件的选材及热处理工艺。

§ 轴类零件的选材及热处理工艺安排

轴主要用于支撑传动零件并传递运动和动力。

工作条件和失效形式为：

受横向力并传递扭矩，承受交变弯曲应力和扭转，易导致疲劳断裂。

承受过载和冲击载荷，导致扭断、弯曲变形和折断。

轴颈和花键部位承受较大的摩擦，导致过量磨损。

性能要求：

良好的综合力学性能，防止过载和冲击载荷；

高的疲劳强度，防止疲劳断裂；

高的表面硬度和耐磨性，防止轴颈磨损。

1.机床主轴

机床主轴主要承受交变弯曲应力和扭转应力，有时也受到冲击载荷作用、轴颈和锥孔表面受摩擦。要求主轴具有良好的综合性能，花键、轴颈和锥孔表面应具有较高的硬度和耐磨性。当载荷和转速不很高时可选用45钢，承受较大载荷时可选用40Cr钢，受冲击和交变载荷较大时，可选用20CrMnTi渗碳钢。

工艺路线为：

备料—锻造—正火—机械粗加工—调质—机械半精加工—局部淬火+回火—粗磨——花键高频淬火+回火—精磨

2.航空发动机涡轮轴

这类轴在高温、高速和重载下工作，常用40CrNiMoA、18CrNiW钢等。

工艺路线为： 备料—模锻—正火+高温回火—机械粗加工—调质—机械精加工—磁力探伤—检验—发蓝

§ 齿轮类零件的选材及热处理工艺安排

受力情况：

由于传递扭矩，齿根部受交变弯曲应力；

齿面相互接触滚动、滑动，承受大的接触应力并产生强烈的摩擦。

在换挡、启动和啮合不良时，轮齿承受一定的冲击载荷。

齿轮应满足的要求：

高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度；

齿面具有较高的硬度和耐磨性；