【導(dǎo)讀】(carburizing,quenching,atempering,andsecondtempering)processanditsmain. temperature,timean,coolingmethod,directquenching,aquenching,secondary. mainly.

　　

【正文】 nical properties. In this paper the main conclusions obtained institute as follows: 20Cr eccentric shaft by 930 degree heat treatment process carburized five hours, wait temperature drop to 840 degrees out, with oil cold after 10 ℃ hardening 160 soil. Its carbonitriding layer in mm, surface hardness of heart , minimum hardness of of industrial production, accord with heat treatment technology and parameters requirements. 偏心軸的熱處理及其 力學(xué)性能的研究 摘要 本文著重研究了材料為 20Cr 的偏心軸的熱處理（滲碳、淬火、一次回火、二次回火）工藝及其高硬度為主的力學(xué)性能。從理論上分析滲碳溫度、時間和冷卻方式直接淬火、一次淬火、二次淬火等因素對力學(xué)性能、組織的影響。確定了材料為 20Cr 的偏心軸的最佳熱處理工藝參數(shù)和最佳滲碳淬火方式（鹽浴、直接淬火、低溫回火）后進行對滲碳后滲層深度、金相組織及力學(xué)件能的檢測與分析。 關(guān)鍵詞：偏心軸、熱處理、滲碳、滲碳溫度、冷卻方式、滲碳層 第一章緒論 1. 1 前 言 偏心軸的作用是為了方便調(diào)節(jié)軸與軸之間的中 心距，偏心軸通常運用在平面連桿機構(gòu)三角帶傳動中。一般的軸，只能帶動工件自轉(zhuǎn)，但是偏心軸，不但能傳遞自 轉(zhuǎn)，同時還能傳遞公轉(zhuǎn)。現(xiàn)在美國的壓縮機巨頭 Copeland 就是用偏心軸來帶動渦旋公轉(zhuǎn)從而快速高效的壓縮制劑的。偏心軸是電動工具電錘的重要傳動零件。安裝偏心軸就是靠它的慣性作用 讓 機器在運轉(zhuǎn)到死點位置 不會產(chǎn)生 鎖機。最常見的例子就是：家用縫紉機腳動驅(qū)動輪的運轉(zhuǎn)。偏心軸帶動機器的轉(zhuǎn)動，是機械制造中不 可 少的零件。 偏心軸結(jié)構(gòu)示意圖 偏心軸的用途及性能要求 偏心軸在采礦、機電、水利等方面的應(yīng)用極為廣泛，隨著這些 成品產(chǎn)量的增加以及消費人群要求的不斷提高，偏心軸質(zhì)量的提髙也迫在眉睫。截止 2020 年我國共出口空調(diào)壓縮機400 萬臺，比 2020 年出口空調(diào)壓縮機同期增長 27%。空調(diào)壓縮機出口地區(qū)以東南亞為主。 因為偏心軸在工作時承受巨大的沖擊載荷，而且電錘的工作環(huán)境惡劣、多粉塵，零件易磨損。所以要求偏心軸表面具有髙的硬度、耐磨性及疲勞強度，而心部則具有一定的強度和良好的塑性、韌性等的特殊性能。 國內(nèi)外的現(xiàn)狀 國內(nèi)研究動態(tài) 我國熱處理工藝歷史悠久，隨其它科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，熱處理技術(shù)得到迅速的發(fā)展。即，（ 1） 實驗手 段和技術(shù)的不斷完善。對金屬中的組織轉(zhuǎn)變規(guī)律及組織與性能之間的關(guān)系不斷了解，進而發(fā)展新的熱處理工藝。 （ 2） 在基礎(chǔ)理論方面不斷取得成就。 (3)表面化學(xué)的研究，發(fā)展了各種表面防護熱處理及表面強化熱處理。 （ 4） 其它新能源，新技術(shù)的開發(fā)，使熱處理工藝成為許多復(fù)合的工藝。 最近幾屆國際材料及熱處理會議上對古今金屬材料熱處理工藝和加熱設(shè)備的發(fā)展作了預(yù)測，基本看法是： (1)加熱設(shè)備 在加熱設(shè)備中要更多地發(fā)展電爐，特別發(fā)展感應(yīng)加電爐，減少燃料爐。大多數(shù)加熱爐和熱處理設(shè)備要實現(xiàn)自動化及數(shù)字控制，這不僅可以減少勞動力，而且是提 高熱處理質(zhì)量的前提。 (2)熱處理工藝 ?？諝饧訜釋⒈徽婵占訜?，控制氣氛或保護氣氛加熱，以及真空和控制氣氛聯(lián)合加熱所取代。隨著真空技術(shù)的進步，真空熱處理向著提高爐子工作溫度，自動化方向發(fā)展。感應(yīng)加熱熱處理，趨向與增大功率及擴大頻率范圍方向發(fā)展。 。 國外熱處理設(shè)備及熱處理技術(shù)現(xiàn)狀 (Ⅰ )在七十年代初，美國金屬學(xué)會 (ASM)、英國的沃爾夫遜熱處理中心 (Wolfson Heat Treatment Center)以及原南斯拉夫 (現(xiàn)克羅地亞 )都相繼建立了材料與熱處理數(shù)據(jù)庫，做到了可以根據(jù)零件熱處理后力學(xué)性能要求進行計算機輔助選材，或已知材料和熱處理工藝預(yù)見最后的組織和性能。隨后歐美、日本等先進工業(yè)國家開發(fā)出用計算機對各種熱處理工藝過程的控制技術(shù)，開展了計算機控制下的工藝參數(shù)數(shù)?？刂萍夹g(shù)研究，并在生產(chǎn)中獲得了應(yīng)用。目前國際知名廠家的許多連續(xù)式和周期式熱處理生產(chǎn)線都采取了用可編程控制器(Programable Controller)或微處理機的單控或群控。國外的熱處理廠家非常重視熱處理過程中的冷卻。根據(jù)產(chǎn)品的技術(shù)和 工藝要求，可進行快速冷卻、油淬冷卻、一次性氣淬冷卻等。以前采用氣淬方式冷卻的淬火氣體有氮氣、氦氣等，現(xiàn)在用空氣強烈噴射，使工件在極快速度下冷卻，淬火后表面僅有極薄的氧化色膜，呈灰白色，零件色彩依然美觀，而節(jié)約大量氮氣和惰性氣體，使熱處理成本進一步下降。 真空低壓滲碳與高壓氣淬相結(jié)合是當(dāng)今一種先進的滲碳淬火工藝，它具有滲碳速度快、碳化物組織優(yōu)良、淬火開裂和變形小、節(jié)約能源和滲碳劑原料、滲碳零件表面質(zhì)量好、有利于環(huán)保等特點。 (Ⅱ )熱處理設(shè)備：國外熱處理爐的發(fā)展趨勢： （ 1） 以電能為熱源的爐子增多，熱源為煤氣的熱 處理爐比例逐漸減少。 （ 2） 對產(chǎn)品表面質(zhì)量的要求更為嚴(yán)格，可控氣氛熱處理爐仍占重要地位。 （ 3） 爐襯趨向使用輕質(zhì)材料，在電阻爐上應(yīng)用非金屬爐用耐熱構(gòu)件和發(fā)熱元件的比例逐漸增加。 （ 4） 微機和可編程序控制器的發(fā)展加速了熱處理自動化，并有與其它工序組成全自動熱處理線的趨勢。 偏心軸的失效形式及其防止措施 軸類載荷：疲勞、沖擊、拉、壓、彎、扭、切、磨損、表面變化、尺寸變化、咬蝕，腐蝕等失效形式。 （ 1） 偏心軸在工作時承受巨大的沖擊載荷、受到彎曲應(yīng)力，除頸部發(fā)生磨損外，主要有斷裂及軸向裂紋兩種情況零件 （ 2） 軸向裂紋， 軸向裂紋也是偏心軸零件常見的失效形式，此種裂紋除材質(zhì)不良外，主要是熱處理不當(dāng)引起的淬透性過大引起表面拉應(yīng)力，由于合并部分周向表面拉應(yīng)力大于軸向表面拉應(yīng)力，且材料的橫向性能低于縱向的，防止此類失效也應(yīng)從熱處理工藝方面解決，控制零件的淬硬層深度，并及時進行回火。 （ 3） 軸的失效形式：主要有因疲勞強度不足而產(chǎn)生的疲勞斷裂、因靜強度不足而產(chǎn)生的塑性變形或脆性斷裂、磨損、超過允許范圍的變形和振動等。 （ 4） 軸類的斷裂主要是扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂。 第二章理論分析 偏心軸的熱處理 統(tǒng)一數(shù)字代號： A20202 【化學(xué)成分】⑷（質(zhì) 量分數(shù)） （ %） C: ~ Si: ~ Mn: ~ Cr: ~ 【力學(xué)性能】 試樣毛坯尺寸 （ mm）： 15 熱處埋： 第一次淬火加熱溫度 ： 880℃ ；冷卻劑 ： 水、油 第二次淬火加熱溫度 ： 780? 820℃ ；冷卻劑：水、油 回火加熱溫度 ： 200℃ ；冷卻劑：水、空 抗拉強度 b? ≥ 835MPa 屈服點 s? ：≥ 540 Mpa 斷后伸長率 ? :≥ 10% 斷面收縮率 ? :≥ 40% 沖擊吸收功≥ 47J 布氏硬度 ? ?3000/100HBS （退火或髙溫回火狀態(tài)）： ≤ 179 【主要特件】 與 15Cr鋼相比，有較高的強度及淬透性，在油中臨界淬透直徑達 4~22mm，在水中臨界淬透直徑達 11? 40mm，但韌件較差，此鋼滲碳時晶粒仍有長大傾向，降溫時直接淬火對沖擊韌性影響較大，所以滲碳后需二次淬火以提高零件心部韌性，無回火脆性；鋼的冷應(yīng)變塑性高，可在冷狀態(tài)下拉絲；可切削性在髙溫正火或調(diào)質(zhì) 狀態(tài)下良好，但退火后較差；焊接性較好，焊后一般不需熱處理，但厚度大于 15mm 的零件在焊前需預(yù)熱到 100? 150℃ 。 【應(yīng)用舉例】 這種鋼大多用于制造心部強度要求較高，表面承受磨損、截面在 30mm 以下的或形狀復(fù)雜而負荷不大的滲碳零件 (油淬 )，如：機床變速箱齒輪、齒輪軸、凸輪、蝸桿等；對熱處理變形小和高耐磨性的零件，滲碳后應(yīng)進行高頻表面淬火，如模數(shù)小于 3 的齒輪、軸等。 20Cr也可在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下使用，用于制造工作速度較大并承受中等沖擊負荷的零件，這種鋼還可用作低碳馬氏體淬火用鋼，更進一步增加鋼的屈服強度和抗拉強度。 第三章實驗材料及實驗方法 材料： 本文研究的是材料為 20Cr 的偏心軸， 20Cr 是碳含量為 %的低碳鋼適合進行滲碳處理， 20Cr 鋼比相同含碳量的碳素鋼的強度和淬透性都明顯地高，油淬到半馬氏體硬度的淬透性為 φ 20~23mm。與 15Cr 鋼相比，有較高的強度及淬透性，臨界淬透直徑 ，油中約為422mm，水中約為 1140mm，韌性較差，焊接性較好，焊后 般不需熱處理。用途：大都用作滲碳鋼，適用于制造心部強度要求較高，表面承受摩擦，截面尺寸在 30mm 以下或形狀復(fù)雜而載荷不大的滲碳件（油淬），如機床變速箱 齒輪，齒輪軸，凸輪，蝸桿等，對要求熱處理變形小和高耐磨性的零件，滲碳后可進行高頻表面淬火，如模數(shù) ≤3mm 的齒輪，軸和花鍵軸等。此外，也可在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下使用，用于制造工作速度較大并承受中等沖擊載荷的零件。 這種鋼淬火低溫回火后具有良好的綜合力學(xué)性能，低溫沖擊韌性良好，回火脆性不明顯。滲碳時鋼的晶粒有長大傾向，所以要求二次淬火以提高心部韌性，不宜降溫淬火。當(dāng)正火后硬度為 HB170~217 時相對切削加工性約為 65%，焊接性中等，焊前應(yīng)預(yù)熱到 100? 150℃ ，冷變形時塑性中等。 實驗內(nèi)容： 本次試驗的熱處理工 藝如下： 裝爐：將軸（清洗）垂直插入筐篩孔，大孔向下，小孔朝上插賭銷，在裝爐時，將一個偏心軸式樣裝入底筐內(nèi)。將裝好工件的料筐衣次吊入爐內(nèi)，關(guān)閉爐蓋，擰緊爐蓋螺栓，滴甲醇，開風(fēng)扇，送電升溫，進入排氣期。打開排氣口、式樣孔。 排氣：≤ 880℃ 裝外式樣 2 只，甲醇滴量 180200 滴 /分； 880920℃ 停滴甲醇，該滴煤油，煤油滴量 180200 滴 /分； 910\920℃ ， 30 分，煤油滴量 180200 滴 /分；到溫 30 分鐘后關(guān)閉式樣孔， 排氣口火苗長度 80? 150mm，進入滲碳期 . 滲碳期 910~920℃ ,180 分，煤油滴量 180200 滴 /分；在 30? 60mm 水柱。 擴散降溫：滲層深≥ 時，可轉(zhuǎn)入擴散降溫，調(diào)整煤油滴量 100? 140 滴 /分， 10? 30mm 水柱。 出爐風(fēng)冷。 、照金相組織及測硬度梯度 相顯微式樣的制備包括取樣、磨制、拋光、浸蝕等工序。 取樣 式樣的選取應(yīng)根據(jù)研究的目的，取其具有代表性的部位。 磨制 切好的式樣在砂輪機上磨平，尖角要倒圓。然后用 180℃ 、 240℃ 、 300℃ 和 600℃ 的粗砂布磨光，再換用 800℃ 、 1500℃ 的金相砂紙逐級細磨，一直磨到 2020℃ 砂紙方可進行粗拋光和細拋光。 磨制式樣時，每換一次磨制步驟（即每換一號砂紙）時，式樣磨制方向應(yīng)轉(zhuǎn) 90 度。這樣才能看出磨痕是否磨去。式樣在每一號砂布（紙）上磨制時，要沿一個方向磨，切忌來回磨削，而且要對式樣施加適當(dāng)?shù)牧Α? 拋光 細磨的式樣還需進行拋光。拋光的目的是去除細磨時遺留下來的細微磨痕從而獲得光亮的鏡面。式樣的拋光是在專用的拋光機上進行的，轉(zhuǎn)速般 100? 150r/min。拋光時在拋光盤盤面上鋪有絲絨等織物，并不斷滴注拋光液。拋光液是由 Cr203 或 Mg0 等極細粒度的磨料加水而形成的懸浮液，依靠拋光液中極細的拋光粉末與式樣磨面間產(chǎn)生的相對磨削和滾壓作用來消除磨痕。 拋光時應(yīng)使式樣磨面均勻地壓在旋轉(zhuǎn)的拋光盤上，并沿盤的邊緣到中心不斷作徑向往復(fù)運動。 浸蝕 經(jīng)拋光后的式樣還必須經(jīng)過浸蝕后才能在顯微鏡下進行觀察。浸蝕主要是依靠浸蝕劑對金屬的溶解或電化學(xué)腐蝕過程，使金屬式樣表面的晶粒與晶界及各組成相之間呈現(xiàn)輕微的凹凸不平，在顯微鏡下就可以清楚地觀察到式樣表面，浸蝕時間要適當(dāng)，一般式樣磨面發(fā)暗時就可停止。如果浸蝕不足重復(fù)浸蝕。浸蝕完畢后立即用清水沖洗，然后用酒精沖洗， 最后用吹風(fēng)機吹干，式樣即可置于金相顯微鏡上進行觀察。 利用金相顯微鏡觀察組織和照金相組織。 硬度梯度的測定 顯微硬度計 顯微硬度計是近年來常用測量硬度的設(shè)備。測讀硬度是通過升降顯微硬度計 的調(diào)焦機構(gòu)、測量顯微鏡、加荷機構(gòu)，正確選擇負荷、加荷速度進行全自動加卸 試驗力及正確控制試驗力保持時間，通過顯微硬度計光學(xué)放大 ,測出在一定試驗 力下金剛石角錐體壓頭壓入被測物后所殘留壓痕的對角線長度，來求出被測物硬 度值。 第四章實驗結(jié)果及分析 本次實驗的硬度 溫度 表層 過濾層 心部 室溫 59? 63HRC 36? 42HRC 27? 32HRC 表層硬度達到 ，心部最低硬度達到 都達到偏心軸的性能要求，并硬度從表面向心部逐漸降低也符合表面高硬度、高耐磨性而心部具有良好的強韌性的要求。 如下圖就是硬度、離心部距離的關(guān)系圖：圖上顯示和硬皮表一樣離心部越遠其硬度值越大，表層的硬度最大滿足了偏心軸的性能要求。 金相分析與討論 通過以上相關(guān)實驗過程及結(jié)果，我們可以得到將 20Cr 偏心軸進行滲碳處理