大型皮带机主轴热处理质量控制

1、大型皮带机主轴热处理质量控制摘要：皮带机主传动轴是皮带机中性能要求较高的零 件，在工作过程中要承受复杂载荷如扭转、弯曲、拉压、冲 击等作用，主轴的良好性能是保证皮带机正常运转的主要条 件之一。文章通过对皮带机工艺处理过程中，淬火加热时的 应力及材料回火的应力两方面分析，找出产生质量问题的原 因，并制定出相应的质量控制措施。关键词：皮带机主轴；质量控制；淬火回火 中图分类号： TD235 文献标识码： A 文章编号： 1009-2374（2014）16-0085-02皮带机一直以来都是我厂主打产品之一，近年来，我厂 承接了一大批大型皮带机生产任务。在这些大型皮带机上其 主要传动轴直径普遍超过 3

2、00mm,长度超过3000mm，在对 此类主轴质量的控制中，我厂通过多次的探索总结了一些实 用的方法。皮带机主轴属于传动件，在工作过程中要承受复杂载荷 （如扭转、弯曲、拉压、冲击等）的作用，并经受强烈摩擦， 是皮带机中性能要求较高的零件。因此，必须对该轴的机械 性能进行强化处理，即调质热处理。调质能使零件获得良好 的综合力学性能，能够提高零件的强度、塑性和韧性。由于皮带机主轴的直径较大，长度较长，在调质淬火时 表面与心部冷却速度冷却顺序和冷却速度的差异，使表面和 心部存在温度和组织差异，产生了热应力和组织压力。如果 主轴内部存有少许组织缺陷，很容易造成淬火断裂和弯曲变 形，一旦造成断裂或严重弯

3、曲变形，带来的后果一方面是工 件报废，给生产带来重大损失，另一方面如果出现隐性内裂 现象，可能会存在巨大安全隐患， 甚至造成机毁人亡的事故。 因此必须对大型皮带机主轴热处理的质量控制。1 产生质量问题的原因分析 从材料学的观点看，工件之所以产生裂纹、断裂和弯曲 变形现象除了工件材质存在杂质、气孔、组织不均匀等缺陷 外，主要由于材料所承受的应力超过了材料本身的破断抗 力。因此，我们从热处理淬火加热时的应力及材料回火的应 力两方面分析：1.1 淬火应力 大型工件热处理淬火过程中的应力主要由热应力、组织 应力及由于截面上转变组织比容不同引起的应力。（1）热应力是在热处理过程中，工件表面和中心由于 加

4、热或冷却速度不一，导致体积膨胀不均匀而产生的内应 力。对于大型轴类工件，从高温快速冷却时表面冷却得快， 心部冷却得慢，内外存在较大的温差。由于表面先冷必然收 缩，而心部有较高温度比热阻止其收缩， 即心部使表面受拉， 表面对心部产生压力。 但是，钢在高温塑性阶段屈服强度低， 塑性变形后应力将得到松弛，当外部先进入弹性阶段形成冷 硬外壳后，将对心部收缩产生阻碍作用。这时工件中的热应 力将发生改变，表面由原来的受拉转变为受压，心部则由受 压转变为受拉，而且随着冷却的继续进行不断增大，于是形 成了残余热应力。（2）组织应力是钢在淬火冷却时，由于表面冷却的快 先发生组织转变（膨胀） ，中心或冷却较慢的部

5、分后发生组 织转变（亦膨胀） ，从而造成体积转变的不等时性所产生的 内应力。以轴类工件为例，当淬火时，工件从高温急冷，表 面先组织转变即膨胀，未发生组织转变的心部将阻碍其膨 胀，因而表面受压心部受拉。由于这时心部温度较高而且处 于奥氏体状态，塑性较好将发生不均匀的塑性变形使应力松 弛。继续冷却，心部发生组织转变并膨胀时，表面形成的弹 性外壳将阻碍心部膨胀转而受压，表面受拉，形成残余组织 应力。（3）组织比容差异引起的应力，大型工件由于截面较 大，不容易完全淬透，往往只淬透一定深度的表层，这样就 产生了沿截面上组织比容差异引起的应力。完全淬为马氏体 的层深距表面不过10mm左右，马氏体消失一般都

6、在 25 50mm 以内。由于组织转变的比容不同，以及在随后冷却过程中残余 奥氏体的分解，便形成了表面马氏体层受压，心部受拉的残 余应力。大型工件淬火后的残余应力是以上三种应力的叠加，淬 火应力属于热应力型的，最大淬火拉应力峰值位于圆形截面 的中心区或壁厚的 1/2 处。由于以上几种应力的存在和相互作用，大型皮带机主轴 很容易出现弯曲变形，甚至断裂、内裂等现象。1.2 淬火后回火工件淬火后，一般要进行回火处理，回火加热的升温速 度控制也相当重要。因为截面大的工件，表面先受热膨胀， 心部仍是受热慢不膨胀，这时工件又处于低温弹性状态，因 此加热时内外温差形成的应力仍是表面受压，心部受拉的热 应力。

7、与淬火时的残余应力正好叠加，故此时最易使工件形 成开裂，易引起工件变形。实践证明，在我们遇到的热应力型内裂、断裂、变形严 重等现象，在探伤检测过程中未发现严重缺陷的，主要是由 于淬火操作不当或回火不及时，致使工件中残余应力过大所 致。2 大型皮带机主轴热应力问题的预防热应力型内裂、断裂、变形严重等现象产生的主要原因 是工件淬火时的残余应力，材料中的缺陷是引起以上问题的 辅助原因。为了预防内裂、断裂及严重变形现象，主要应从 降低心部拉应力和提高材料破断抗力两方面加以考虑。（1）适当降低淬火温度；降低淬火温度可以减小热应 力，对防止内裂、 断裂、 变形严重有利。 因为淬火温度越高， 热应力越大，同

8、时，加热温度过高也会使奥氏体晶粒粗化， 使材料强度变低。工件出炉后淬火前适当预冷，对解决以上 问题有利。（2）淬火时注意工件的均匀冷却；工件在淬火冷却时 注意开启循环水（油）泵，使工件在淬火介质中上下缓慢移 动，均匀冷却。（3）工件及时回火处理；工件淬火后不及时回火将导 致残余应力加剧，并随时间的延长，表层的残余奥氏体继续 分解，进一步加剧了内部的拉应力。因此，大型皮带机主轴 要及时回火。（4）控制加热升温速度；控制加热升温速度十分重要， 快速加热会导致内外温差加剧，热应力增大。特别是含碳与 合金元素高的大型工件，低温阶段的升温速度要严加控制。 一般来说，大型工件实行分段加热，使工件外部与心部加热 均匀、同步，在 350 C450 C之间和在 600 C680 C之间 工件心部和表面温差最大，有时可能达到400 C温差，所以一般在450 C和650 C下保温来减小温差，并且，在低温阶 段的升温速度要控制在 30 C70 C /之间。回火加热时，因 工件有很大的残余应力。升温时更要注意。（5）减少材料中的缺