【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(shí)間和冷卻方式直接淬火、一次淬火、二次淬火等因素對(duì)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(jìn)行對(duì)滲碳后滲層深度、金相組織及力學(xué)件能的檢測(cè)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(yùn)用在平面連桿機(jī)構(gòu)三角帶傳動(dòng)中。一般的軸，只能帶動(dòng)工件自轉(zhuǎn)，但是偏心軸，不但能傳遞自 轉(zhuǎn)，同時(shí)還能傳遞公轉(zhuǎn)?，F(xiàn)在美國(guó)的壓縮機(jī)巨頭 Copeland 就是用偏心軸來(lái)帶動(dòng)渦旋公轉(zhuǎn)從而快速高效的壓縮制劑的。偏心軸是電動(dòng)工具電錘的重要傳動(dòng)零件。安裝偏心軸就是靠它的慣性作用 讓 機(jī)器在運(yùn)轉(zhuǎn)到死點(diǎn)位置 不會(huì)產(chǎn)生 鎖機(jī)。最常見(jiàn)的例子就是：家用縫紉機(jī)腳動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪的運(yùn)轉(zhuǎn)。偏心軸帶動(dòng)機(jī)器的轉(zhuǎn)動(dòng)，是機(jī)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(jī)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(fèi)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(guó)共出口空調(diào)壓縮機(jī)400 萬(wàn)臺(tái)，比 2020 年出口空調(diào)壓縮機(jī)同期增長(zhǎng) 27%?？照{(diào)壓縮機(jī)出口地區(qū)以東南亞為主。 因?yàn)槠妮S在工作時(shí)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(qiáng)度，而心部則具有一定的強(qiáng)度和良好的塑性、韌性等的特殊性能。 國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)研究動(dòng)態(tài) 我國(guó)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(shí)驗(yàn)手 段和技術(shù)的不斷完善。對(duì)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(jìn)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(hù)熱處理及表面強(qiáng)化熱處理。 （ 4） 其它新能源，新技術(shù)的開(kāi)發(fā)，使熱處理工藝成為許多復(fù)合的工藝。 最近幾屆國(guó)際材料及熱處理會(huì)議上對(duì)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(cè)，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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化及數(shù)字控制，這不僅可以減少勞動(dòng)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(hù)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(jìn)步，真空熱處理向著提高爐子工作溫度，自動(dòng)化方向發(fā)展。感應(yīng)加熱熱處理，趨向與增大功率及擴(kuò)大頻率范圍方向發(fā)展。 。 國(guó)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(guó)金屬學(xué)會(huì) (ASM)、英國(guó)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(kù)，做到了可以根據(jù)零件熱處理后力學(xué)性能要求進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助選材，或已知材料和熱處理工藝預(yù)見(jiàn)最后的組織和性能。隨后歐美、日本等先進(jìn)工業(yè)國(guó)家開(kāi)發(fā)出用計(jì)算機(jī)對(duì)各種熱處理工藝過(guò)程的控制技術(shù)，開(kāi)展了計(jì)算機(jī)控制下的工藝參數(shù)數(shù)模控制技術(shù)研究，并在生產(chǎn)中獲得了應(yīng)用。目前國(guó)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(jī)的單控或群控。國(guó)外的熱處理廠家非常重視熱處理過(guò)程中的冷卻。根據(jù)產(chǎn)品的技術(shù)和 工藝要求，可進(jìn)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?dú)?、氦氣等，現(xiàn)在用空氣強(qiáng)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?dú)夂投栊詺怏w，使熱處理成本進(jìn)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(jìn)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(kāi)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(diǎn)。 (Ⅱ )熱處理設(shè)備：國(guó)外熱處理爐的發(fā)展趨勢(shì)： （ 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(duì)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(jī)和可編程序控制器的發(fā)展加速了熱處理自動(dòng)化，并有與其它工序組成全自動(dòng)熱處理線的趨勢(shì)。 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(shí)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(jiàn)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(guò)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(shí)進(jìn)行回火。 （ 3） 軸的失效形式：主要有因疲勞強(qiáng)度不足而產(chǎn)生的疲勞斷裂、因靜強(qiáng)度不足而產(chǎn)生的塑性變形或脆性斷裂、磨損、超過(guò)允許范圍的變形和振動(dòng)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(hào)： A20202 【化學(xué)成分】⑷（質(zhì) 量分?jǐn)?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(qiáng)度 b? ≥ 835MPa 屈服點(diǎn) s? ：≥ 540 Mpa 斷后伸長(zhǎng)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(qiáng)度及淬透性，在油中臨界淬透直徑達(dá) 4~22mm，在水中臨界淬透直徑達(dá) 11? 40mm，但韌件較差，此鋼滲碳時(shí)晶粒仍有長(zhǎng)大傾向，降溫時(shí)直接淬火對(duì)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(wú)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(qiáng)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(fù)荷不大的滲碳零件 (油淬 )，如：機(jī)床變速箱齒輪、齒輪軸、凸輪、蝸桿等；對(duì)熱處理變形小和高耐磨性的零件，滲碳后應(yīng)進(jìn)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(fù)荷的零件，這種鋼還可用作低碳馬氏體淬火用鋼，更進(jìn)一步增加鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。 第三章實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)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(jìn)行滲碳處理， 20Cr 鋼比相同含碳量的碳素鋼的強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(jī)床變速箱 齒輪，齒輪軸，凸輪，蝸桿等，對(duì)要求熱處理變形小和高耐磨性的零件，滲碳后可進(jìn)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(shí)鋼的晶粒有長(zhǎng)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(shí)相對(duì)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(shí)塑性中等。 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容： 本次試驗(yàn)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(shí)，將一個(gè)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(kāi)風(fēng)扇，送電升溫，進(jìn)入排氣期。打開(kāi)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(zhǎng)度 80? 150mm，進(jìn)入滲碳期 . 滲碳期 910~920℃ ,180 分，煤油滴量 180200 滴 /分；在 30? 60mm 水柱。 擴(kuò)散降溫：滲層深≥ 時(shí)，可轉(zhuǎn)入擴(kuò)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(cè)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(jī)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(jí)細(xì)磨，一直磨到 2020℃ 砂紙方可進(jìn)行粗拋光和細(xì)拋光。 磨制式樣時(shí)，每換一次磨制步驟（即每換一號(hào)砂紙）時(shí)，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(hào)砂布（紙）上磨制時(shí)，要沿一個(gè)方向磨，切忌來(lái)回磨削，而且要對(duì)式樣施加適當(dāng)?shù)牧Α? 拋光 細(xì)磨的式樣還需進(jìn)行拋光。拋光的目的是去除細(xì)磨時(shí)遺留下來(lái)的細(xì)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(jī)上進(jìn)行的，轉(zhuǎn)速般 100? 150r/min。拋光時(shí)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(xì)粒度的磨料加水而形成的懸浮液，依靠拋光液中極細(xì)的拋光粉末與式樣磨面間產(chǎn)生的相對(duì)磨削和滾壓作用來(lái)消除磨痕。 拋光時(shí)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(yùn)動(dòng)。 浸蝕 經(jīng)拋光后的式樣還必須經(jīng)過(guò)浸蝕后才能在顯微鏡下進(jìn)行觀察。浸蝕主要是依靠浸蝕劑對(duì)金屬的溶解或電化學(xué)腐蝕過(guò)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(shí)間要適當(dāng)，一般式樣磨面發(fā)暗時(shí)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(jī)吹干，式樣即可置于金相顯微鏡上進(jìn)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(cè)定 顯微硬度計(jì) 顯微硬度計(jì)是近年來(lái)常用測(cè)量硬度的設(shè)備。測(cè)讀硬度是通過(guò)升降顯微硬度計(jì) 的調(diào)焦機(jī)構(gòu)、測(cè)量顯微鏡、加荷機(jī)構(gòu)，正確選擇負(fù)荷、加荷速度進(jìn)行全自動(dòng)加卸 試驗(yàn)力及正確控制試驗(yàn)力保持時(shí)間，通過(guò)顯微硬度計(jì)光學(xué)放大 ,測(cè)出在一定試驗(yàn) 力下金剛石角錐體壓頭壓入被測(cè)物后所殘留壓痕的對(duì)角線長(zhǎng)度，來(lái)求出被測(cè)物硬 度值。 第四章實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 本次實(shí)驗(yàn)的硬度 溫度 表層 過(guò)濾層 心部 室溫 59? 63HRC 36? 42HRC 27? 32HRC 表層硬度達(dá)到 ，心部最低硬度達(dá)到 都達(dá)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(qiáng)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(yuǎn)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(guò)以上相關(guān)實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果，我們可以得到將 20Cr 偏心軸進(jìn)行滲碳處理