【曲轴的热处理工艺探析（论文）5800字】

曲轴的热处理工艺探析目录TOC\o"1-2"\h\u9769曲轴的热处理工艺探析 114295引言： 1210881热处理方法 2222662渗碳表层含碳量的选择 3173423.材料硬度的确定 4266623热处理工艺面临的难点分析 5275233.1力学性能分析 5268273.2淬裂性分析 682333.3变形分析 6141404曲轴热处理中面临淬火变形的问题和原因 6172584.2热处理过程曲轴变形原因 7204425.减少和控制曲轴渗碳淬火变形的措施 926638结语 913718参考文献： 10摘要：采煤机曲轴的承载能力和使用寿命不仅取决于曲轴的制造工艺，而且在很大程度上取决于曲轴的热处理工艺。18Cr2Ni4WA材料淬透性高。经过渗碳、淬火和冷处理后，具有较高的强度和韧性。为了进一步提高曲轴芯的强度和硬度。关键词：曲轴；承载力；热处理引言：曲轴是机器中承受旋转质量离心力、气体惯性力和往复惯性力共同作用的关键性部位，因此当弯曲载荷施加在曲轴上时，就要求曲轴必须具备足够的强韧度和刚度，轴颈表面必须具有极强的耐磨性能和匀之性且平衡性感良好。为了减少曲轴的质量和运动时产生的离心力，曲轴轴颈通常设计为空心状态。此外，在每个轴颈表面还设计了油孔，让油进出以更好地提升轴颈的润滑性。为减少应力集中，主轴颈、曲柄销和曲柄臂的所有接头均采用横拱连接。韧性钢中图形的形状和尺寸对塑性和耐久性有很大影响。本文主要研究了不同组织和热处理工艺的铸铁曲轴的组织变化和力学性能，从铸造和热处理的角度进行研究，并希望这一研究结果能给更高功能的曲轴开发设计提供有益的借鉴意义。1热处理方法采用深度渗碳法，L²曲轴淬火后渗碳层深度提高到1.9-2.3毫米，齿面硬度为58-62HRC，芯部硬度为36HRC。表面渗碳层浓度应控制在0.75%~1.00%，过渡层的变化应平缓，以降低过渡层的残余拉应力。有效硬化层应控制在整个渗碳层的68%。金相组织要求碳化物等级≤3级，残余奥氏体量≤4级，脱碳层≤0.05轧机，渗碳淬火后应保证型芯的机械性能。控制热处理质量主要在于控制渗碳和淬火。在18Cr2Ni4WA材料中，硅和Mn2元素很少，它们对渗碳层和渗碳层浓度梯度的影响可以忽略不计。它的主要合金元素镍是非碳化物形成元素。其主要功能是提高淬透性，降低渗层中碳的浓度和梯度。铬和钨是碳化物形成元素。由于其极高的碳吸收能力，渗透层中的碳浓度增加，浓度梯度变得陡峭。因此，合金元素镍、铬、钨的综合作用导致渗层中碳浓度的增加。浓度梯度变得陡峭。如果采用普通渗碳方法，渗碳层很容易产生网状碳化物，这将使渗碳层变脆并产生裂纹。鉴于此，渗碳过程分为排气、升温、强渗碳和扩散几个阶段。所谓分段渗碳法是将整个渗碳过程分成几个阶段，在不同阶段使用不同的碳势和温度。为防止渗碳层网状碳化物的产生，18Cf2Ni4WA曲轴先进行分级渗碳，然后根据型芯的不同硬度要求，在220、420、540℃的硝石罐中进行分级淬火，使型芯获得低碳马氏体+贝氏体+残余奥氏体组织。淬火后，将表面残留的盐清洗干净，在液氮+酒糟溶液中于60-80℃进行冷处理，其主要目的是将渗层中残留的奥氏体转化为马氏体，提高其硬度。低温回火应该在冷处理后及时进行。经过渗碳、淬火、冷处理和低温回火处理后，可对齿面和齿根进行喷丸处理，以进一步提高齿根强度。喷丸处理通常是曲轴加工的最后一步。在喷丸过程中，微小的球形颗粒撞击曲轴表面。将产生大的残余压应力薄层。该薄层仅集中在曲轴的表面和副表面。喷丸处理后，曲轴的接触疲劳强度可提高30%~50%，齿根弯曲疲劳强度可提高，可有效防止裂纹扩展。能有效抵抗破坏性冲击，减少点蚀。信息表明。通过喷丸强化处理，曲轴的使用寿命可明显延长。提高了内齿圈的制造质量；每个剪切器系列中主变速器内齿圈的模数为7-10。直径585~820nlnlnl，压力角200°，材质42CrMo。内齿圈是薄壁零件，经过车削、铣削、镶入、钻孔、磨削等加工工序和热处理后容易变形。为了防止变形，保证质量，锻造后增加正火工艺。粗车后，进行调质处理。淬火回火后硬度从240-280HBS提高到260-300HBS。增加这两种热处理工艺的目的是最大限度地消除内应力，细化晶粒，稳定显微组织，改善切削条件，改善齿面光洁度，从而减少内齿圈的变形。半成品车削后，再次进行人工时效，曲轴成形分为粗镶和精镶两个过程。为了减少粗曲轴成形产生的内应力。进行第二次人工时效处理，在Magog梳齿机上进行精齿成形，完全保证了齿形精度。最后，进行氮化处理。渗氮层深度从0.3±113133增加到0.4±0.6升，硬度大于600HV。渗氮过程在井式气体氮化炉中进行。氮化炉应具有良好的密封性能，以防止空气进入氧化。用风扇搅拌氮气，使渗氮层和硬度均匀，从而保证内齿圈的制造质量。齿轨轮的热处理工艺作业曲线如图l所示。从上图中曲线上可以明显看出，行走车轮的热处理工艺分三部分：①正火与高回；②渗碳与高回；③淬火与低回。2渗碳表层含碳量的选择下面以18Cr2Ni4W材料为例。1)元素含量如下：C:0.13%-0.19%；Si:0.17%~0.37%；Mn:0.30%-0.60%；Cr:1.35%-1.65%；Ni:4.0%-4.5%；W:0.80%-1.20%。2)热处理过程中各元素的作用如下:淬火硬度，主要提高强度；硅-强化铁素体和提高材料韧性；锰-提高材料的淬透性、强度、硬度和脆性；镍-提高材料的淬透性、硬度和塑性；提高材料的淬透性和强度、硬度和脆性；回火脆性一旦降低，材料的强度就会大大提高。3)渗碳表面层的碳含量。碳含量越高，防止齿面胶合的能力越强。然而，碳含量越高，晶粒生长和脆性越大。对于齿轨轮，渗碳齿面的碳含量通常控制在0.85%至1.00%之间。4)渗碳层深度。渗碳层应有足够的深度，最好大于3~3.5毫米渗碳表面层的碳含量和渗碳层深度是相互矛盾的。如果你想要碳渗透的深度，它必然会导致碳浓度的增加，因此，必须通过通过控制碳势及其在渗碳炉中的变化，促进碳原子向深处扩散，但表层碳浓度不太高。贝氏体组织和网状碳化物在渗碳层是不允许的。渗碳层的深度意味着有效渗碳层深度的硬度是HRC50。3.材料硬度的确定材料采用18Cr2Ni4W时，在渗碳后要进行整体淬火，其表面硬度控制在HRC60左右就可以了。很高或过低都会带来脆裂，不耐磨等等不足。如果淬火后再冰冷处理，使残余奥氏体充分地体现转马式氏体，硬度就会相对提高一些，同时也会淬硬层、内部有所延伸(如图2所示)。3热处理工艺面临的难点分析3.1力学性能分析对于曲轴，在淬火加热后，在输出端和自由端的连接处切取一系列纵向试样进行机械性能测试，并且对试样的抗拉强度要求在1000~1130MPa范围内，且自由端和输出端抗拉强度差值≤80MPa。另外还有一种34CrNi3MoA钢不同的曲轴类型，调质后抗拉强度要求为800～950MPa，对于两端取样的大型曲轴，两端的强度差为100MPa。由于曲轴的机械性能要求比以前更高，同时对于自由端力与输出端的抗拉和抗压强度以及均匀程度要求更高，为保证机械性能要求的稳定性，曲轴表面材料的化学成分可以准确地优化，以及增加V微量元素的比例等。另外，在进行曲轴调质淬火冷却时，冷却速度必须更快才能改善冷却效能。3.2淬裂性分析曲轴制造和结构较为复杂，并且不同类型的曲轴造型差异性较大。在加热和冷却状态下，能产生很高的热应力和工作应力。另外本文研究的曲轴材质为34CrNi3MoA，属于高含量合金中的的中合金钢。由于过冷奥氏体的稳定性随合金含量的不同而改变，奥氏体等温曲线向右转，通过34CrNi3MoA具有良好的抗铁性，其DI值可达200～400mm。因此，在以清水为冷却载体的淬火冷却过程中出现淬裂的几率很高。因此在设计曲轴和调质工艺参数时，要非常注意设置空气冷却和水淬所需的工艺参数，并严格控制水和空气冷却时所运用的时间节点，以提高曲轴性能且无裂纹，并达到机械性能高等技术标准。3.3变形分析曲轴采用卧式冷却方式，即将曲轴置于台车炉内加热，停止传热后，通过传热器传至卧式淬火水箱中进行冷却操作。曲轴在加热过程中会长时间处于高温状态，关闭时温度会明显下降。在整个操作过程中，热应力和操作应力会很高。此外，由于曲轴的多次弯曲旋转运动，在施工阶段还有许多不可预测的情况。因此，要控制水平轴的弯曲周期和曲轴的回火，必须在加热、切换和淬火冷却过程中采取有效措施，尽可能地保持曲轴的稳定状态。4曲轴热处理中面临淬火变形的问题和原因表面淬火组织的必要条件是没有网状碳化物，组织为均匀分布的细小颗粒碳化物。行业标准推荐:Jql-3级合格，4级可协商，5-6级不合格。马氏体和残余奥氏体组织是隐晶或细针状马氏体，残余奥氏体量少，其等级为合格14级，合格5级，不合格6级。铁芯结构不允许有块状、网状或针状铁素体。其等级为L²4级，5级可以协商，6级不合格。淬火组织和渗碳层的浓度和深度以及淬火硬度必须在热处理过程中严格控制，并且必须有带熔炉的试块进行显微照片和分析。4.1曲轴热处理变形现状(1)机架由18Cr2Ni4WA、1836mm长、245mm直径、25mm模数、21.5齿、78.54mm节距、0.03mm节距偏差和7GKGB/T10096-1988制成。齿面渗碳淬火，有效硬化层为2.50-3.00毫米，淬火硬度为56-60HRC，型芯硬度为35-41HRC。(2)曲轴加工工艺:下料、锻造、正火+回火、车削、应力消除、铣削、渗碳+淬火、磨削外圆、车削、磨削面粉、精铣(齿形)、装配工和检验。(3)曲轴是热处理变形状态下长轴不对称曲轴的渗碳部分。该设备采用2.0t吉埃斐济密封箱式多用炉生产线，齿面水平向上支撑3点进行渗碳淬火。热处理过程中，在热应力、组织应力和附加应力的共同作用下，曲轴变形较大，扭曲变形。曲轴变形如下:曲轴齿面向上倾斜的麴呈凸扭状，变形范围为1.55毫米至7.80毫米；刻面在0.58~1.20毫米处弯曲，呈凹形。机架的长度方向一般缩短0.85~1.80毫米；；杆间距有不同程度的增加，增加幅度为0.40~0.78毫米；轴向直径呈膨胀趋势，膨胀量在0.35~0.55毫米至0.55毫米之间4.2热处理过程曲轴变形原因(1)热应力引起的变形热处理工件的变形变化是内应力和外应力共同作用的结果。在加热和冷却过程中，由于工件各部分的温差以及受热不均匀膨胀和冷收缩而产生内应力。齿杆的形状比较复杂(底部和一侧是平的，齿的底部非常靠近轴的中心线)，齿部的表面积明显大于下平面面粉的表面积，齿杆是结构不对称的工件，因此加热和冷却过程中产生的内应力较大。当应力值超过材料的屈服强度时，会发生塑性变形，导致麴翘曲和工件变形。加热温度越高，热应力越大，变形越大。冷却速度越快，变形越大。当热应力占主导地位时，工件变形为快速冷却表面的凸面。(2)组织应力引起的变形组织应力引起的变形是由于零件渗碳、淬火和冷处理过程中组织转变引起的组织比容转变不一致引起的。马氏体相变过程中的体积变化会产生不同的相变变形，从而导致不同的变形。钢中碳含量越高，马氏体转变过程中的比体积变化越大，即膨胀量越大。奥氏体中碳含量越高，变形越大。马氏体越多，变形越大。残余奥氏体和未溶解碳化物越少，变形越大。(3)残余应力变形锻造产生的应力和机械加工(车铣齿)产生的加工应力，如果热处理前不采取措施消除和减少，在渗碳淬火过程中必然会增加曲轴热处理变形。(4)渗碳淬火过程中产生的变形曲轴由航空渗碳材料18Cr2Ni4WA制成。因为它含有更多的铬、镍和钨合金元素，它抑制了奥氏体向珠光体转变过冷的速度，所以淬透性极高。渗碳淬火后，强度和韧性优良。渗碳处理后，材料表层的碳和合金元素大量溶解在奥氏体中，明显提高了奥氏体的合金化程度，贝氏体转变曲线大大向右偏移，不同含量的贝氏体和马氏体可以根据炉料和曲轴尺寸在空冷条件下转变。由于工艺复杂，用该材料制造的曲轴经过热处理后变形较大，这是由于曲轴经过反复加热和冷却后变形较大。渗碳层的熔点从渗碳前的310℃下降到80~90℃。渗透层和芯之间碳含量的这种差异导致淬火过程中芯表面马氏体转变的相反顺序。这种相变顺序有时会在曲轴尺寸、装炉方法和冷却条件的影响下发生变化，因此曲轴在热处理过程中产生的应力变得相对复杂，曲轴的变形程度变得相对离散。当曲轴被渗碳、淬火和冷却时，由于表层中的高碳，马氏体转变点(Ms)变得非常低，而芯中的马氏体转变点仍然处于相对较高的温度。通常，当尺寸小且冷却速度相对较高时，芯中的低碳奥氏体首先转变为低碳贝氏体和马氏体，并且体积增大。此时，高碳表层结构由从高温度猝灭温度到毫秒温度点的热应力主导的在机架的热膨胀和冷收缩区域，两者之间产生大的内应力，导致机架的两个相应面粉的变形和变形。变形趋势为齿状面凹陷。尽管当随后的温度下降到低于具有较低表面的毫秒时马氏体转变发生并且体积增加，但是在芯中已经形成了较高强度的贝氏体和马氏体，阻碍了变形的发展并且将变形保持在低温。然而，事实上，该项目的支架具有大的横截面积，并且由高度可硬化的材料制成。它的弯曲变形使得齿面向上拱起。在实际冷却过程中，由于齿部的冷却速度明显快于齿的相对平面，所以马氏体转变首先发生在轮条的表面上，而不是在齿的中心部分和相对平面上。此外，大表面积增加了马氏体转变的速度和数量。马氏体相变引起的体积膨胀明显高于相对平面的体积膨胀。在热应力和组织应力的共同作用下，曲轴向上拱向齿形面粉。由于内外Ms温度点之间的差异，此时铁芯的冷却速度足以进行马氏体转变，因此铁芯的体积膨胀导致曲轴表面形成残余拉伸应力状态，这进一步加剧了曲轴变形。此外，低碳马氏体在中心的体积变化比表面层中形成的马氏体小得多。表面层中的马氏体具有高屈服强度，这不足以引起塑性压缩和扭转变形。最后，变形仍然保持在齿面的弓形变形。5.减少和控制曲轴渗碳淬火变形的措施(1)优化加工工艺，减少曲轴渗碳淬火侧弯变形，优化加工工艺。渗碳淬火后，曲轴的侧面在立式加工中心进行铣削。通过试验，机架侧弯控制在0.30~0.50毫米，变形明显改善。(2)淬火过程中增加中间无应力工序钢零件变形和开裂的原因比较复杂。由于机械加工应力导致淬火变形增加，零件尺寸超出公差范围，并不时产生废品。机械加工后工件表层存在残余应力。有残余应力的零件处于不稳定状态。一旦内部平衡条件被打破，内应力的分布将发生变化，从而导致新的变形，特别是对于几何形状不对称的零件，它们在热处理过程中更容易发生翘曲麴变形。为了减少热变形，在曲轴铣削后和渗碳前增加了55