【正文】 第2章 熱處理工藝設(shè)計 零件的結(jié)構(gòu)與工作條件 機床齒輪的結(jié)構(gòu)圖21 機床齒輪結(jié)構(gòu)圖該齒輪零件的模數(shù)m=4毫米，要求小批量生產(chǎn)。其主要作用是傳遞動力，改變運動速度和方向。其服役條件如下：（1）齒輪工作時，通過齒面的接觸來傳遞動力。因此，齒輪表面受到很大的接觸疲勞應(yīng)力和摩擦力的作用。失效形式 根據(jù)其服役條件，常見的失效形式為以下四點：（1）疲勞斷裂齒輪在交變應(yīng)力和摩擦力的長期作用下，導(dǎo)致齒輪點面接疲勞斷裂。 b. 硬化層剝落 由于硬化層以下的過渡區(qū)金屬在高接觸應(yīng)力作用下產(chǎn)生塑性變形，使表面壓應(yīng)力降低，形成裂紋造成碳化層剝落。 零件材料的選擇齒輪材料的選用主要是根據(jù)齒輪工作時載荷的大小,轉(zhuǎn)速的高低及齒輪的精度要求來確定的。一般分為:輕載荷、中載荷、重載荷和超重載荷。因此,可以把齒輪轉(zhuǎn)動的圓周速度v 的大小,作為材料承受疲勞和磨損的尺度。齒輪的精度高,則齒形準(zhǔn)確,公差小,嚙合緊密,傳動平穩(wěn)且無噪聲。機床中使用的齒輪主要起傳遞動力、改變運動速度和運動方向的作用。一般機床中的齒輪精度大部分是7級精度,只有在分度傳動機構(gòu)中要求較高的精度。那么如何確定選擇那種材料最為合適呢？在對齒輪材料進(jìn)行選材時，必須要圍繞著熱處理材料的選材原則，進(jìn)行多方面考慮。在選材之前必須了解零件承受的負(fù)載類型及大小，所處工作環(huán)境和介質(zhì)溫度等服役條件。根據(jù)上一節(jié)中描述的齒輪的服役條件，我們得出機床齒輪的受力情況和性能要求如下：機床齒輪工作時一般受力情況為:(1) 齒部承受很大的交變彎曲應(yīng)力；(2) 換檔、啟動或嚙合不均勻時承受沖擊力；(3) 齒面相互滾動、滑動時摩擦, 并承受接觸壓應(yīng)力。據(jù)此, 在選擇齒輪材料時要使材料性能滿足以下要求:(1) 高的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度；(2) 齒面有高的硬度和耐磨性；(3) 齒輪心部有足夠高的強度和韌性；(4) 較好的熱處理工藝性。從原材料到成品件，不同的工作經(jīng)過了不同的冷、熱加工工藝，從工藝性出發(fā)，選材可按下列技術(shù)路線進(jìn)行：綜合比較初選材料提出對材料工藝性能的要求制造加工工藝路線 初選材料合格不合格重選或修改確定材料圖22 零件選材技術(shù)路線圖經(jīng)濟(jì)性原則選材要講經(jīng)濟(jì)效益，即應(yīng)計算所得與所費、投入與產(chǎn)出、有用效果與、勞動消耗，要對它們進(jìn)行評價和比較，從中選擇最合適的不一定是最好的或單價最貴的材料，以最好的消耗量得到最大的效益，這就是經(jīng)濟(jì)性原則[6]。同時，我們在進(jìn)行選材時，還需要注意一些問題。如果零件的最終狀態(tài)與手冊上給出的相同，可直接使用，否則，還得查閱其它手冊、文獻(xiàn)資料或進(jìn)行針對性的力學(xué)性能試驗；（4）手冊或標(biāo)準(zhǔn)給出的力學(xué)性能數(shù)據(jù)是在試驗室條件下對小試樣的試驗結(jié)果，引用這些數(shù)據(jù)時要注意尺寸效應(yīng)；（5）由于材料成分是一個范圍，試樣毛坯的供應(yīng)狀態(tài)可以有多種，因此，即使是同一牌號的材料，性能也不完全相同。分別從使用性、工藝性和經(jīng)濟(jì)性三方面入手，結(jié)合零件的結(jié)構(gòu)尺寸與實際工作條件分析，最終確定分別選擇45鋼和Q235鋼作為機床齒輪的材料。在這些理論基礎(chǔ)上，結(jié)合工件的實際技術(shù)要求，全方位分析，制定出有效實用的工藝路線。在保證技術(shù)要求和質(zhì)量穩(wěn)定的前提下，可選用周期作業(yè)爐、連續(xù)作業(yè)爐或設(shè)計新標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。45鋼齒輪工藝路線（1）工藝路線的安排齒輪材料選為45鋼時, 毛坯為鍛件, 由于鍛造加工后, 鋼件不但存在有殘余應(yīng)力, 而且組織粗大不均勻,成分也有偏析, 嚴(yán)重影響切削加工, 故需采用退火處理改善鋼件的切削加工性能。調(diào)質(zhì)處理可以使齒輪具有較高的綜合機械性能,提高齒輪心部的強度和韌性,使齒輪能承受較大的彎曲應(yīng)力和沖擊力。高頻淬火及低溫回火是賦予齒輪表面性能的關(guān)鍵工序,感應(yīng)加熱表面淬火可以在工件表層得到極細(xì)的“隱晶馬氏體”組織,從而提高齒輪表面硬度和耐磨性,并使齒輪表面有壓應(yīng)力存在而增加抗疲勞破壞的能力。Q235鋼齒輪工藝路線（1）工藝路線的安排齒輪材料選為Q235鋼時, 毛坯同樣為鍛件,同理也需采用退火處理改善鋼件的切削加工性能。由于彎曲與接觸應(yīng)力都很大, 所以齒輪都需滲碳、淬火處理, 以提高耐磨性和疲勞抗力。滲碳處理改變了材料的表面特性，使鋼的表面具有高的耐磨性、疲勞強度和抗彎強度，心部具有足夠的強度和韌性?；鼗饻囟纫话銥?80177。低溫回火后, 滲碳層的硬度變化很小, 但是滲碳層的抗彎強度、脆斷強度、塑性卻可以提高。 確立工藝參數(shù)所選材料的相變臨界點表21 45鋼和Q235鋼的臨界溫度[9] （℃）鋼號臨界溫度（近似值）Ac1Ac3Ar1Ar345724780682751Q23573585568083545鋼齒輪工藝參數(shù)（1）完全退火①加熱溫度：一般在Ac3點以上30～60℃，使之完全奧氏體化，取840℃。由齒輪的材質(zhì)和尺寸，取Q=4。這樣冷卻速度緩慢，以保證奧氏體在Ar1點以下不大的過冷度情況下進(jìn)行珠光體轉(zhuǎn)變，以免硬度過高[10]。②保溫時間：淬火加熱時間包括升溫和保溫時間兩段時間，升溫時間包括相變重結(jié)晶時間，保溫時間實際上只考慮碳化物溶解和奧氏體成分均勻化所需要的時間。加熱系數(shù)a表示工件單位厚度需要的加熱時間，其大小與工件尺寸、加熱介質(zhì)和鋼的化學(xué)成分有關(guān)，下表是常用鋼的加熱系數(shù)[11]。裝爐量修正系數(shù)K是考慮裝爐的多少和方式來確定的。機床齒輪相當(dāng)于套筒類工件，故有效厚度D的值取70。③冷卻方式：由于冷卻速度必須大于臨界冷卻速度，故采用水冷[12]。②保溫時間：回火保溫時間，是根據(jù)材料、工件尺寸、對工件的性能要求和加熱爐型而定的。加熱系數(shù)d根據(jù)爐型而定：鹽浴爐 d=～井式回火爐 d=～箱式電爐 d=2～這里采用箱式電爐，有效厚度D值為70，附加時間b取值15。Q235鋼齒輪工藝參數(shù)（1）高溫退火低碳鋼若采用通常的完全退火，則其硬度太低，切削性能不好，故采用高溫退火。故加熱溫度取1000℃。③冷卻方式：先隨爐冷卻到600℃以下，然后出爐空冷。但是，并不是所有狀態(tài)的碳都可以被鋼表面所吸收，而只有活性碳原子才能被鋼表面吸收，被吸收的碳原子，在高溫狀態(tài)下在內(nèi)部往外擴散，從而形成一定厚度的滲碳層[13]。木炭粒是主滲劑，碳酸鹽是催滲劑。常用的滲碳劑成份如下表所示[14]。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)。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(guān)系。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(dá)到技術(shù)要求。②保溫時間：由式22，計算可得保溫時間為2小時。（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。對于300℃以下的回火，k值為120，A值為1；D值為70。③冷卻方式：采用空冷。相應(yīng)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(jìn)行熱處理實驗。完全退火：840℃；；先隨爐冷卻到600℃以下，然后出爐空冷。高溫回火：560℃；20min；空冷。高溫退火：1000℃；；先隨爐冷卻到600℃以下，然后出爐空冷。淬火：900℃；20min；水冷。進(jìn)行熱處理采用箱式電阻爐（圖31）加熱試樣，進(jìn)行熱處理。測定組織和性能參數(shù)測試其組織和硬度。 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(jìn)箱式電阻爐內(nèi)加熱到840℃，使鋼中達(dá)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。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(dǎo)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?；厥盏呐f滲碳劑應(yīng)篩去灰粉后，才能與新滲碳劑配合使用。（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(yīng)盡可能適合工件的要求，箱子最好與爐底板架空，受熱均勻。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。在裝試樣的同時，應(yīng)裝上試棒，試棒放置位置應(yīng)盡可能的反映試樣的實際滲碳情況。裝箱好后，用耐火粘土(加上3～5%食鹽水調(diào)好)進(jìn)行封蓋，以防止在滲碳過程中滲碳?xì)怏w的逸出。（4）裝爐與升溫零件可在低溫入爐并用分段升溫的方法。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(dāng)，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。（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?qū)嗝鎾伖夂笥?%硝酸酒精腐蝕，以檢查滲碳層所達(dá)到的深度，滲碳深度達(dá)到了技術(shù)要求則可出爐。（6）出爐冷卻將滲碳層深度達(dá)到技術(shù)要求的試樣取出，并在空氣中冷卻到室溫，留待淬火處理。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(jìn)爐內(nèi)，保溫20分鐘，最后取出水冷，留待回火處理。同理將淬火后的45鋼試樣放進(jìn)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。不需要檢查表層組織的試樣要倒角倒邊。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。與舊劃痕垂直，以此類推，直到舊劃痕消失為止。（3）拋光機械拋光在金相拋光機上進(jìn)行（圖32）。拋光盤上鋪以細(xì)帆布、呢絨、絲綢等拋光織物。拋光時，試樣磨面應(yīng)均勻的輕壓在拋光盤上。并做輕微移動。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(zhǔn)。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。用清水沖洗干凈后即可進(jìn)行浸蝕。將風(fēng)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(fēng)機吹干即可。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(guān)；（3）調(diào)整燈絲，使其正確對準(zhǔn)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(xué)系統(tǒng)的光軸盡可能的重合，這樣才能使載物臺在旋轉(zhuǎn)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(jié)束后，關(guān)閉電源。順時針轉(zhuǎn)動變荷手輪，確定總試驗力。（3）在主菜單“修改”選項中選擇HRC。（5）旋輪順時針轉(zhuǎn)動，升降螺桿上升，應(yīng)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。（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(zhuǎn)動，自動卸除試驗力，蜂