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：

①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。

②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。

   ③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：

①45号钢齿轮的热处理工艺流程的设计

②制定热处理工艺参数

③选择热处理设备

④设计热处理工艺所需的挂具、装具或夹具

⑤分析热处理工序中材料的组织和性能

⑥填写工艺卡片

2 热处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，HB≤229，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

①不同齿数的齿轮相互啮合改变转速

②转速较高，中等载荷；

③齿面疲劳强度高

④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]（%）

C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Cu
			不大于
0.42~0.50	0.17~0.37	0.50~0.80	0.035	0.035	0.25	0.25	0.25

2.4.2 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ρ/

(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(室温）	泊松比 (室温）	热导率 [W/(m℃)] (温度）	线胀系数 α/(×10-6 /℃) (室温~100℃)	电阻率 (1×10-8m） (温度)
7.86	1433	577.78（200℃）	209000	82300	0.269	46. (200℃)	11.70	32.0 (200℃）

表2.3  45刚临界热处理温度[3]（℃）

Ac1	Ar1	Ac3	Ar3	Ms
725	690	780	751	330

2.4.4 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[1]

2.4.5 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[1]

3 45钢主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：840±10℃

确定依据见表3.1

表3.1  45钢正火温度[3]

材料	正火温度/℃
45	840-870

 

    

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
45	1.8mm/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）/ mm×mm	最大装载量/kg
RJ2-40-9	40	380	950	3	600×800	420

3.2.8 炉子的结构

RJ2-40-9型中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[4]

3.2.9 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：830±10℃

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=×K×D[4]  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=×K×D=1.5×1×50=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。

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：570±10℃。

  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）/℃
45	580-660

3.4.3 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
45	100mm /2h

3.4.4 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）/ mm×mm	最大装载量/kg
RJ2-25-6	25	380	650	3	400×500	150

3.4.6 炉子结构

 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[4]

3.4.7 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	200～250HB	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/Dtπ   F：凹陷压痕的面积；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+1.3C²)[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--63	4.0	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	10-15	45	45

3.5.8 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[1]

3.5.9 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[10]

3.6 低温回火工艺

3.6.1 低温回火目的

目的：①消除淬火内应力；

②愈合淬火产生的微裂纹；

③降低硬度，提高韧性。

3.6.2回火温度

回火温度：取180±10℃；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/min
45	50-55	大于55	180-200	45-60

3.6.3 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3.6

3.6.5 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。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[10]

5 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	840±10℃	2h	空冷
	淬火	830±10℃	1.5 h	水冷
	高温回火	570±10℃	50 min	空冷
	高频淬火	0±10℃	2 s	喷射水冷
	低温回火	200±10℃	1 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

①铁素体的机械性能：铁素体的机械性能主要取决于其固体的碳，氮含量以及合金元素的含量，同时也与晶粒的亚结构有关。

②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。

③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

①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。

②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。

③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。

④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。

⑤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

①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。

②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。

③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。

④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。

⑤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

①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。

②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。

③加热温度过高时：加热后组织为马氏体，易开裂。

④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。

⑤冷却速度不足时：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	①亚共析刚加热不足，有未溶铁素体 ②冷却速度不够 ③在淬火介质中停留时间不够 ④氧化和脱碳导致淬火后的硬度降低 ⑤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	①正确选择并严格控制加热温度，保留时间和炉温的均匀性 ②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 ③正确控制在淬火介质中的停留时间 ④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度，缩短高温加热时间 ⑤确保淬火加热温度正常；减少预冷时间
软点	①原材料中存在带状组织或大块铁素体组织 ②冷却不均 ③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	①合理选材，对有缺陷的钢材进行预备热处理，以消除缺陷 ②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 ③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	①降低淬火加热温度 ②缓慢加热或对工件预热，减少加热过程中热畸变 ③合理捆扎和吊挂工件 ④根据工件形状采用合理淬入方式
开裂	①冷却不当 ②严重表面脱碳形成网状裂纹 ③淬火加热温度过高，引起晶粒粗化，易开裂 ④淬火后未及时回火，工件内部的显微裂纹在淬火应力作用下扩展形成宏观裂纹	①正确进行预先热处理，避免退火组织缺陷 ②正确选择加热参数 ③合理选用淬火介质和淬火方法 ④对工件易裂开部位，如尖叫、薄壁，孔等进行部包扎 ⑤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	①回火温度过高； ②淬火组织中有非马氏体组织（偏低）	①提高或降低回火温度 ②改进淬火工艺，重新淬火
硬度不均匀	①回火温度不均匀； ②装炉量太大炉气循环不良	①采用有气流循环的设备回火 ②适当减小装炉量
回火畸变	由回火内应力而引起	采用加压回火或趁热校正
回火脆性	①回火脆性间回火 ②回火后未快冷引起第二类回火脆性	①避开第一类回火脆性区回火 ②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

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[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.

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[6] 胡立光, 钢铁热处理实用技术.化学工业大学出版社.2008.

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