【正文】 —290～95—5～10—387—103②滲碳溫度：根據(jù)Fe—Fe3C狀態(tài)圖（圖24），只有在奧氏體區(qū)域，鐵中碳的濃度才可能在很大范圍內(nèi)變動，碳的擴散才能在單相的奧氏體中進行。900～930℃這個溫度恰好較滲碳鋼的Ac3點稍高，保證了上述條件的實現(xiàn)。故滲碳溫度取920℃。圖24 Fe—Fe3C狀態(tài)圖③保溫時間：零件在滲碳溫度下需要保溫的時間長短視滲碳層深度要求而定，下表中列出了滲碳層深度與保溫時間的關系。表24 滲碳溫度、保溫時間和滲碳層深度間的經(jīng)驗數(shù)據(jù)滲碳層深度（mm）保溫時間（h）滲碳溫度（℃）880900920940960980，滲碳溫度920℃，故由表中查得保溫時間為5小時。④冷卻方式：先隨爐冷卻到630℃左右，然后出爐空冷，以防止?jié)B碳層深度未達到技術要求。（3）淬火①加熱溫度：一般在Ac3點以上30～60℃，取900℃[15]。②保溫時間：由式22，計算可得保溫時間為2小時。③冷卻方式：采用水冷。（4）低溫回火 ①加熱溫度：一般回火溫度不超過200℃，以保證其表面具有高的硬度和耐磨性，而心部具有高的強度、良好的塑性和韌性。故加熱溫度取180℃；②保溫時間：低溫回火保溫時間應大于3個小時，根據(jù)材料的有效厚度來確定回火的保溫時間，常用以下經(jīng)驗公式計算 （式24）式中τ為保溫時間（min），k為時間基數(shù)（min），A為回火時間系數(shù)（min/mm），D為工件的有效厚度（mm）。對于300℃以下的回火，k值為120，A值為1；D值為70。所以保溫時間=120+170=190min﹥3h，保溫時間合理。③冷卻方式：采用空冷。第3章 實驗過程及結果分析 熱處理實驗過程 制定模擬實驗方案由于材料和設備等條件的限制，因此在實驗室內(nèi)進行模擬實驗。相應的模擬實驗方案如下：制備熱處理試樣分別選用45鋼、Q235鋼作為齒輪材料，將其切割成101020mm的毛坯試樣，留待進行熱處理實驗。制定模擬工藝（1）45鋼作齒輪材料時，采用完全退火、淬火和高溫回火處理。完全退火：840℃；；先隨爐冷卻到600℃以下，然后出爐空冷。淬火：840℃；20min；水冷。高溫回火：560℃；20min；空冷。（2）Q235鋼作齒輪材料時，采用高溫退火、滲碳、淬火、低溫回火處理。高溫退火：1000℃；；先隨爐冷卻到600℃以下，然后出爐空冷。滲碳：920℃；5h；先隨爐冷卻到630℃左右，然后出爐空冷。淬火：900℃；20min；水冷。低溫回火：180℃；30min；空冷。進行熱處理采用箱式電阻爐（圖31）加熱試樣，進行熱處理。制備金相試樣毛坯試樣經(jīng)過粗磨、細磨、拋光和腐蝕后，制成所需的金相試樣。測定組織和性能參數(shù)測試其組織和硬度。分析組織和硬度的變化，并查閱相關資料，與齒輪要求的使用性能進行對比，檢驗熱處理工藝設計的正確性。 實驗操作過程 圖31 KSJ系列箱式電阻爐退火將45鋼試樣放進箱式電阻爐內(nèi)加熱到840℃，使鋼中達到完全奧氏體化；先隨爐冷卻到600℃以下，然后取出試樣，在空氣中冷卻到室溫，留待淬火處理。同理將Q235鋼試樣放進爐內(nèi)加熱到1000℃，隨爐冷卻到600℃以下后取出試樣，空冷至室溫，留待滲碳處理。滲碳（1）配制滲碳劑由于全新的滲碳劑催滲作用過于強烈，易導致零件滲碳后表層濃度過高和出現(xiàn)粗大或網(wǎng)狀碳化物。因此，一般新舊混合使用，其中新滲碳劑占20～40%，舊滲碳劑占60～80%?；厥盏呐f滲碳劑應篩去灰粉后，才能與新滲碳劑配合使用。（2）滲碳試樣，滲碳前的準備處理要滲碳的試樣，表面應盡可能潔凈，不應有嚴重銹斑及油垢，以免影響滲碳正常進行，造成試樣滲碳后深度不均勻和產(chǎn)生軟點。（3）裝箱滲碳箱一般用鋼板焊成或鑄鐵鑄成，滲碳箱不宜過大，其外形尺寸應盡可能適合工件的要求，箱子最好與爐底板架空，受熱均勻。應根據(jù)零件大小，滲碳時選用合適的滲碳箱，盡可能做到近似尺寸的零件同爐滲碳，盡量避免尺寸相差懸殊的零件同爐滲碳或小件用大箱滲碳。試樣裝箱時，在滲碳箱底部先鋪上一層滲碳劑(厚30～40mm)，隨后即往箱內(nèi)放試樣，試樣間距須保持10～15mm，試樣和箱壁的距離則為20～25mm。裝好一層試樣后，鋪上一層滲碳劑并細心搗實，然后放上第二層試樣，上下兩層試樣之間滲碳劑厚度為15～25mm.。在裝試樣的同時，應裝上試棒，試棒放置位置應盡可能的反映試樣的實際滲碳情況。在箱內(nèi)放入最后一層試樣后，上面放的滲碳劑厚度不得小于30～40mm。裝箱好后，用耐火粘土(加上3～5%食鹽水調(diào)好)進行封蓋，以防止在滲碳過程中滲碳氣體的逸出。滲碳箱封好后，即在箱蓋上插入長試棒一根，同時也用耐火粘土封好試棒與箱蓋孔之間隙，試棒材料應與試樣相同，試棒直徑可用ф10～ф12mm，其插入深度為接近上層試樣之間。（4）裝爐與升溫零件可在低溫入爐并用分段升溫的方法。但對于連續(xù)生產(chǎn)，這種方法不經(jīng)濟，故通常采用高溫入爐的方法。由于固體滲碳時試樣裝于密封的滲碳箱內(nèi)，熱量要通過箱殼及箱內(nèi)滲碳劑傳遞到試樣上，如果控制不當，容易造成爐溫與試樣實際溫度或箱內(nèi)表層和中心的溫度差很大，試樣滲碳深度不均勻。因此，在爐溫升到820～850℃范圍保溫一段時間，使各部分溫度均勻一致后，才以緩慢的加熱速度升至920℃的滲碳溫度。（5）出爐前的試棒檢查保溫完畢大約半小時抽檢試棒，可把試棒淬于水中，折斷后觀察斷口，或將斷面拋光后用4%硝酸酒精腐蝕，以檢查滲碳層所達到的深度，滲碳深度達到了技術要求則可出爐。如還未達到滲碳層深度，應適當延長保溫時間，先隨爐冷卻到630℃左右，再準備出爐。（6）出爐冷卻將滲碳層深度達到技術要求的試樣取出，并在空氣中冷卻到室溫，留待淬火處理。淬火首先把箱式電阻爐加熱到840℃，然后將退火處理后的45鋼試樣迅速放進爐內(nèi)，保溫20分鐘，取出試樣，放入水中不斷攪拌使其冷卻至室溫，留待回火處理。同理先把電阻爐加熱到900℃，再將滲碳處理后的Q235鋼試樣放進爐內(nèi)，保溫20分鐘，最后取出水冷，留待回火處理?；鼗饘⒋慊鸷蟮腝235鋼試樣放進箱式電阻爐加熱到180℃，保溫30分鐘，取出試樣，在空氣中冷卻到室溫，留待制作金相試樣。同理將淬火后的45鋼試樣放進爐內(nèi)加熱到560℃，保溫20分鐘，取出試樣，空冷至室溫，留待制作金相試樣。制備金相試樣（1）粗磨在砂輪機上將試樣磨面磨平，磨時要用水冷卻，以防止試樣受熱改變組織。不需要檢查表層組織的試樣要倒角倒邊。（2）細磨選用不同型號的金相砂紙（1號、0號、01號、02號、03號、04號），由粗到細，依次對試樣進行打磨。磨時將砂紙放在玻璃板上，手持試樣單方向向前推磨，切不可來回磨制，用力均勻，不宜過重。每換一號砂紙時，試樣磨面需轉90176。，與舊劃痕垂直，以此類推，直到舊劃痕消失為止。試樣細磨結束后，用水將試樣沖洗干凈留待拋光。（3）拋光機械拋光在金相拋光機上進行（圖32）。拋光機的主要結構是由電動機和水平拋光盤組成，轉速300～500轉／分鐘。拋光盤上鋪以細帆布、呢絨、絲綢等拋光織物。機械拋光就是靠拋光液與磨面間產(chǎn)生的相對磨削和滾壓作用來消除磨痕。拋光時，試樣磨面應均勻的輕壓在拋光盤上。并將試樣由中心至邊緣移動。并做輕微移動。在拋光過程中要以量少次數(shù)多和由中心向外擴展的原則不斷加入拋光微粉乳液（氧化鉻），拋光應保持適當?shù)臐穸?，因為太濕降低磨削力，使試樣中的硬質(zhì)相呈現(xiàn)浮雕。濕度太小，由于摩擦生熱會使試樣生溫，使試樣產(chǎn)生晦暗現(xiàn)象，其合適的拋光濕度是以提起試樣后磨面上的水膜在3～5秒鐘內(nèi)蒸發(fā)完為準。拋光壓力不宜太大，時間不宜太長，否則會增加磨面的擾亂層。粗拋光可選用帆布、海軍呢做拋光織物，精拋光可選用絲絨、天鵝絨、絲綢做拋光織物。拋光前期拋光液的濃度應大些，后期使用較稀的，最后用清水拋，直至試樣成為光亮無痕的鏡面，即停止拋光。用清水沖洗干凈后即可進行浸蝕。（4）浸蝕拋光結束后先用水沖洗試樣，然后用干凈棉花蘸99﹪純酒精擦洗拋光面，再用吹風機將試樣吹干。將風干的試樣表面在腐蝕液（4﹪的硝酸酒精溶液）里侵蝕約5～8秒鐘，接著用水沖洗，再用酒精擦洗，最后用吹風機吹干即可。（5）檢查觀察制得的金相試樣是否有明顯劃痕，若有明顯劃痕，則要重新制取，無明顯劃痕則留待下一步金像攝影。圖32 機械拋光過程圖金像攝影金相顯微鏡（圖33）操作規(guī)程：（1）安裝物鏡、目鏡；（2）接通電源，打開變壓器開關；（3）調(diào)整燈絲，使其正確對準中心以得到平行光照明；（4）調(diào)整孔徑光闌與視場光闌以獲得最好的襯度；（5）調(diào)整載物臺的機械中心，載物臺的機械中心與光學系統(tǒng)的光軸盡可能的重合，這樣才能使載物臺在旋轉時，被觀察的部位不會跑到視場以外；（6）完成上述步驟，把式樣放在載物臺上觀察其金相組織；（7）選擇不同區(qū)域的金相組織，通過操作鍵盤上的快捷鍵（Ctrl+L）來拍攝多組照片；圖33 金相顯微鏡（8）實驗結束后，關閉電源。測試硬度硬度計（圖34）的操作順序：（1）選擇試驗力1471N（150kg）和金剛石壓頭。順時針轉動變荷手輪，確定總試驗力。（2）把壓頭朝主軸孔中推進，貼緊支承面，將壓頭柄缺口平面對著螺釘，壓頭止緊螺釘略微擰緊，然后將試樣置于試臺上。（3）在主菜單“修改”選項中選擇HRC。（4）再選擇測試硬度的換算標尺和保荷時間。（5）旋輪順時針轉動，升降螺桿上升，應使試樣緩慢無沖擊地與壓頭接觸，直至硬度計顯示在570~610之間時，此時試臺停止上升，硬度計自動加試驗力。（當試臺上升速度過快，顯示值超過610時，蜂鳴器長響，提示操作錯誤，應下降試臺，改換時間位置再測試）。（6）自動加試驗力，保持時間為5秒，此時秒數(shù)倒計時，從5~0，時間到電機轉動，自動卸除試驗力，蜂鳴器聲響，讀取顯示屏的硬度測試值。注意：加卸試驗力時，嚴禁轉動變荷手輪，如用力旋轉會使內(nèi)部齒輪錯位，試驗力出現(xiàn)混亂。（7）反向旋轉旋輪，試臺下降，更換試樣測試點，重復上述操作。（8）在每個試樣上的測試點不少于五點（第一點不計）。（9）光標移至“打印”鍵，按OK鍵，打印輸出。 圖34 HRS150數(shù)顯洛氏硬度計 實驗結果及分析 45鋼熱處理組織分析 a）退火組織 b）淬火組織c）高溫回火組織圖35 45鋼熱處理顯微組織照片200 退火組織分析如35a圖所示，組織為先共析鐵素體和珠光體。60%左右的珠光體和40%左右的鐵素體，圖中黑色為珠光體，白色為鐵素體[16]。珠光體是奧氏體(奧氏體是碳溶解在γ－Fe中的間隙固溶體)發(fā)生共析轉變所形成的鐵素體與滲碳體的共析體。其形態(tài)為鐵素體薄層和滲碳體薄層交替重疊的層狀復相物，也稱片狀珠光體。用符號P表示，含碳量為ωc＝％。由于為連續(xù)冷卻，故片狀珠光體的片間距大小不一。珠光體的性能介于鐵素體和滲碳體之間,強韌性較好。其抗拉強度為750～900MPa,180～280HBS,伸長率為20～25%,沖擊功為24～32J。力學性能介于鐵素體與滲碳體之間,強度較高,硬度適中,塑性和韌性較好σb=770MPa,180HBS,δ=20%～35%,AKU=24～32J)。鐵素體沿奧氏體晶界呈網(wǎng)絡狀分布，鐵素體的強度、硬度不高，但具有良好的塑性與韌性。在外力作用下，將引起不均勻的塑性變形，并導致應力集中，從而使鋼的強度和塑性都降低。 淬火組織分析如35b圖所示，組織為針狀淬火馬氏體和殘余奧氏體。馬氏體由奧氏體急速冷卻（淬火）形成，這種情況下奧氏體中固溶的碳原子沒有時間擴散出晶胞。當奧氏體到達馬氏體轉變溫度（Ms）時，馬氏體轉變開始產(chǎn)生，母相奧氏體組織開始不穩(wěn)定。在Ms以下某溫度保持不變時，少部分的奧氏體組織迅速轉變，但不會繼續(xù)。只有當溫度進一步降低，更多的奧氏體才轉變?yōu)轳R氏體。最后，溫度到達馬氏體轉變結束溫度Mf，馬氏體轉變結束。馬氏體還可以在壓力作用下形成，這種方法通常用在硬化陶瓷上（氧化釔、氧化鋯）和特殊的鋼種（高強度、高延展性的鋼）。因此，馬氏體轉變可以通過熱量和壓力兩種方法進行。鐵素體全部溶于奧氏體，當返回臨界溫度時，鐵素體沿奧氏體晶界塊狀析出，或在奧氏體內(nèi)成堆析出，同時由于溫度高，導致奧氏體晶粒的粗大，使得馬氏體組織粗大，降低了45鋼的強度和硬度。 高溫回火組織分析如35c圖所示，組織為均勻細小的保持馬氏體位向分布的回火索氏體。45鋼淬火后得到過飽和的固溶體即淬火馬氏體。它的強度及硬度很高（硬度可達58~60HRC左右），而其韌性及塑性則明顯下降。為了消除淬火時的內(nèi)應力和組織應力，淬火的工件應及時進行回火處理，析出極細的滲碳體顆粒，從而使基體分解為索氏體組織，此時工件的強度和硬度有所下降，而塑性及韌性則顯著提高?；鼗鹚魇象w中的碳化物分散度很大，呈球狀，故其綜合力學性能良好，以適應制造要求強度較高、塑性及韌性也好的機械零件。 Q235鋼熱處理組織分析圖36 Q235鋼退火處理顯微組織照片200 a）過共析層組織 b）共析滲碳層組織 c）亞共析過渡層組織 d）心部組織圖37 Q235鋼滲碳處理緩冷顯微組織照片200 a）表層組織 b）心部組織圖38 Q235鋼淬火處理顯微組織照片200 a）表層組織 b）心部組織圖39 Q235鋼低溫回火處理顯微組織照片200 退火組織分析如圖36所示，Q235退火后的金相組織為鐵素體+珠光體，圖中黑色為珠光體，白色為鐵素體。由于低碳鋼含碳量低，所以組織中珠光體較少。鋼中珠光體含量越多，強度、硬度越高，韌性下降，臨界脆化溫度提高。退火主要是在高溫的作用下使奧氏體轉化均勻，冷卻后得到的組織被細化，硬度降低。 滲碳組織分析（1） 過共析層如37a圖所示，組織為珠光體+網(wǎng)狀的滲碳體，圖中黑色為珠光體，網(wǎng)狀的為滲碳體。這是滲碳試樣的最表層，其碳濃度最高，在一般正常的滲碳工藝條件下，%～%。因此滲碳試樣在緩慢冷卻到Fe—Fe3C狀態(tài)圖的ES線時，便首先沿奧氏體晶界析出二次滲碳體，繼續(xù)緩冷到共析溫度，奧氏體發(fā)生共析轉變成為珠光體，故過共析滲碳層在隨爐冷卻后的金相組織為珠光體和少量網(wǎng)狀碳化物（Fe3C）。（2） 共析滲碳層如37b圖所示，組織為珠光體。%，當Q235鋼試樣滲碳后隨爐冷卻至共析溫度時，共析成分奧氏體將全部轉變?yōu)槠瑺钪楣怏w。（3） 亞共析過渡層如37c圖所示，組織為珠光體+鐵素體，圖中黑色為珠光體，白色為鐵素體。碳濃度隨著距離表面距離增加而減小，直至過渡到心部原始成分為止，故亞共析過渡區(qū)隨爐冷卻后得到的金相組織為珠光體和鐵素體的混合組織。愈接近心部，鐵素體量愈多而珠光體量愈少。（4） 心部如37d圖所示，原始組織，鐵素體+珠光體，組織中大多數(shù)為鐵素體，珠光體較少。對于Q235鋼在滲碳隨爐冷卻后的心部組織中，其中鐵素體約占視場面積的75%左右，而珠光體約占25%左右。這種組織既滿足不了滲碳件表面高硬度、高耐磨性的要求，也滿足不了心部強韌性的要求。為了滿足這些要求，滲碳后必須進行淬火和回火。 淬火組織分析（1） 表層如38a圖所示，組織為馬氏體+殘留奧氏體。（2） 心部如38b圖所示，組織為為低碳馬氏體。低碳馬氏體形成時可能存在碳的擴散,使條間奧氏體富碳,以及受協(xié)作形變強化的力學穩(wěn)保持至室溫,形成淬火鋼中馬氏體條間的奧氏體,它對低碳馬氏體的韌化起重要的作用。低碳馬氏體形成時,碳的擴散并非必需過程；馬氏體與基體間為平直界面,而貝氏體界面卻存在巨型臺階；低碳馬氏體也并不按貝氏體形式長大；證明低碳馬氏體形成機制和貝氏體的不同。低碳馬氏體形成時所存在碳的擴散過程并不是低碳馬氏體相變的主要過程，它不屬于擴散型相變，仍屬于無擴散位移型的相變。由于加熱溫度高于心部的Ac3溫度，可以細化晶粒，使心部不出現(xiàn)游離鐵素體，表層不出現(xiàn)網(wǎng)狀滲碳體。 低溫回火組織分析（1） 表層如39a圖所示，組織為回火馬氏體+殘留奧氏體。（2） 心部如39b圖所示，組織為低碳回火馬氏體。滲碳淬火后的零件，要經(jīng)過回火后才能使用。為了保證滲碳淬火零件表面的高硬度和高耐磨性，通?；鼗饻囟热?50～190℃。這種低溫回火可消除部分內(nèi)應力，并使殘留奧氏體趨于穩(wěn)定。低溫回火時,由于滲碳體自馬氏體脫溶的形核(長大)驅動力較大,先由馬氏體析出滲碳體；長時間回火時,由于條間奧氏體分解驅動力較大,又受到馬氏體脫溶呈收縮的拉應力促使分解；提出回火馬氏體致脆的機制為馬氏體脫溶和奧氏體分解的互為關聯(lián)的過程。 45鋼熱處理硬度分析表31 45鋼不同熱處理后的硬度值 （HRC）熱處理工藝退火淬火高溫回火硬度值硬度變化分析由表31中數(shù)據(jù)可知，因為45鋼完全退火后，獲得了片狀珠光體和鐵素體，細化了晶粒、消除了內(nèi)應力、降低了硬度，所以硬度值最低。，因為45鋼淬火后，獲得針狀淬火馬氏體和殘余奧氏體組織，提高了鋼的硬度、強度和耐磨性，所以硬度值最高。，因為45鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，得到由鐵素體基體和彌散分布于其上的細粒狀滲碳體組成的回火索氏體組織，使鋼的強度、塑性、韌性配合恰當，具有良好的綜合力學性能，所以硬度值適中。檢驗熱處理工藝的合理性，由45鋼齒輪的技術要求，齒表硬度：30～35HRC。在實驗誤差允許的情況下，45鋼試樣實驗獲得的硬度值符合要求，即所設計的熱處理工藝是合理的。 Q235鋼熱處理硬度分析表32 Q235鋼不同熱處理后的硬度值離表面的距離（mm）滲碳后緩冷的硬度值（HV）淬火的硬度值（HV）低溫回火的硬度值（HV）820890850810860830760810780630750720560680640440560540410530510360500490310480470290470460260460450250440420240410390220370340210340290210340290圖310 Q235鋼不同熱處理后硬度曲線圖硬度變化分析由表32中數(shù)據(jù)可知，Q235鋼滲碳后碳原子滲入表面，使其表面硬度提高，心部硬度較軟。然后進行淬火處理，硬度進一步提高。最后通過低溫回火，得到一個適中的硬度值，即獲得表面高硬度、高耐磨性，心部高韌性的良好的綜合力學性能。由圖39中曲線走勢可知，Q235鋼熱處理后從表層到心部，硬度值逐漸下降，這是由于滲碳后的Q235鋼由表及里形成了一定的碳濃度梯度。檢驗熱處理工藝的合理性Q235鋼試樣經(jīng)過熱處理后最終的表層硬度為850HV，心部硬度為290HV，由Q235鋼齒輪的技術要求，齒表硬度：700～860HV，心部硬度：240～295HV。在實驗誤差允許的情況下，Q235鋼試樣實驗獲得的硬度值符合要求，即所設計的熱處理工藝是合理的。結論與展望通過本課題的研究，解決了機床齒輪的選材和熱處理工藝設計中的所有問題。機床齒輪承擔著傳遞動力、改變運動速度和運動方向的任務,但機床齒輪工作負荷不太大,中速運轉較平穩(wěn),選用45鋼和Q235鋼制造。通過分析判斷，最終確定45鋼采用退火、調(diào)質(zhì)處理，Q235鋼采用退火、滲碳、一次加熱淬火，低溫回火處理。45鋼經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理可以改善金相組織和材料的可切削性，降低加工后的表面粗糙度， 并可減少淬火過程中的變形。Q235鋼具有良好的切削性能，滲碳時工件的變形量小。滲碳后，經(jīng)過淬火和低溫回火處理，可以使齒輪獲得高的齒面硬度而心部又有足夠韌性和較高的抗彎曲疲勞強度。由于知識水平和設備條件的限制，在該設計中，也存在著一些不足之處還有待改進。因為45鋼淬透性差，整體淬火后材料變脆，變形也大， 所以一般采用齒面表面淬火， 硬度可達52～58HRC，適合于機床行業(yè)、7級精度以下的齒輪。Q235鋼滲碳過程中，由于滲碳溫度高，奧氏體晶粒大，殘余奧氏體也較多且組織粗大，造成耐磨性降低，變形較大。故采用碳氮共滲，共滲溫度較低，晶粒長大傾向小，預冷淬火后得到含氮馬氏體、殘余奧氏體及碳氮化合物，晶粒較細、變形小，并且齒輪共滲后經(jīng)熱處理獲得的含氮馬氏體和少量氮化物耐磨性比滲碳組織更好，同時心部組織為低碳馬氏體及鐵素體，保證了工件心部具有較高的強度和沖擊韌性[17]。本課題繼續(xù)開展工作，除了可以在原有基礎上完善熱處理工藝外，我認為更有前景的是研究汽車齒輪的選材和熱處理工藝。隨著人