-
辽
宁
工
业
大
学
工艺
课程设计（论文）
题目：
4
2CrMo
轧机齿轮轴热处理工艺设计
院
（
系
）
：
材料科学与工程学院
专业班级：
学
号
：
材料
083
080208073
夏茂生
刘兴江
2011-7-4~2011-7-15
学生姓名：
指导教师：
起止时间：
课程设计（论文）任务及评语
院
（系）
：
材料科
学与工程学院
教研室：
材料科学与工程教研室
学
号
课程设计
（论
文）
题
目
080208073
学生姓名
夏茂生
专业班级
材料
083
42CrMo
齿轮轴热处理工艺设计
一、课设要求
熟悉设计题目，
查阅相关文献资料，概述相关零件的热处理工艺，进行零件
的服役条件
与失效形式分析，提出硬度、耐磨性、强度等要求。完成工艺设计。
阐述
42CrMo
中频感应加热淬火、回火热处理工艺理论基础，选择设备、仪表和
工夹具，阐述齿轮轴热处理质量检验项目、内容及要求；阐明齿轮轴热处理常见
缺陷的预防及补救方法；给出所用参考文献。
二、课设任务
1.
< br>齿轮轴材料的选择
（要求在满足工件使用性能的前提下，
兼顾经济性和工
艺性，合理选择材料）
；
2.
给出
42CrMo
的
C
曲线；
3.
给出
42CrMo
齿
轮轴冷热加工工艺流程图；
4.
制定
42CrMo
感应加热淬火
-
回火热处理工艺。
三、设计说明书要求
设计说明书包括
三部分：
1
）概述；
2
）工艺设计；
3
）参考文献。设计说明
书结构见《工艺设计模板》
。
集中学习
0.5
天，
资料查阅与学习
，讨论
1.5
天，设计
7
天：
1
）概述
0.5
天，
2
）服役条件与性能要求
0.5
天，
3
）失效形式、材
料的选择
0.5
天，
4
）结构形状
与热处理工艺性
0.5
天，
5
）冷热加工工序安排
0.5
天，
6
）工艺流程图
< br>0.5
天，
7
）
热处理工艺设计
2
天，
8
）工艺的理论基础、原则
0.5
天，
9
）设计工夹具
0.5
天，
10
）可能出现的问题分析及防止措施
< br>0.5
天，
11
）热处理质量分
析
0.5
天，设计
验收
1
天。
成绩：
学生签字：
指导教师签字：
年
月
日
课
程
设
计
（
论
文
）
要
求
与
任
务
工
作
计
划
指
导
教
师
评
语
及
成
绩
辽
宁
工
业
大
学
课
程
设
计
说
明
书（论
文）
目
录
1
齿轮轴热处理概述
........
......................................
1
2
42CrMo
齿轮轴热处理工艺设计
...................................
2
2.1
齿轮轴的服役条件、失效形式及性能要求
.
.....................
2
2.1.1
服役条件、失效形式
.
...........................................
2
2.1.2
性能要求
.
..................................................
...
2
2.2
齿轮轴材料的选择
.........................................
2
2.3 42CrMo
钢的
C
曲线
.........................................
3
2.4
42CrMo
齿轮轴的热处理工艺设计
.............................
3
2.4.1
42CrMo
的工艺流程
............................................ .
3
2.4.2
42CrMo
钢的热处理工艺设计
.....................................
4
2.5
42CrMo
钢的热处理工艺理论基础、原则
.......................
7
2.5.1
42CrMo
的正火工艺理论基础、原则
...............................
7
2.5.2
42CrMo
调质工艺理论基础、原则
.................................
8
2.5.3
42CrMo
感应加热淬火工艺原理
..................................
10
2.5.4
42CrMo
回火工艺理论基础、原则
................................
12
2.6
选择设备、仪表和工夹具
...................................
1
3
2.6.1
设备
................................................ .........
13
2.6.2
仪表
................................................ .........
16
2.6.3
设计工夹具
.............................................
......
16
2.7
42CrMo
齿轴热处理质量检验项目、内容及要求
................
1
7
2.8
42CrMo
齿轮轴热处理常见缺陷的预防和补救方法
..............
1
8
2.8
.1
加热时常见的缺陷的预防及补救方法
.............................
18
2.8.2
调质时常见的缺陷的预防及补救方法
.............................
19
2.8.3
感应加热淬火缺陷与预防、补救
.................................
21
2.9
热处理工艺卡
.............................................
2
1
2.9.1 42CrMo
正火工艺卡
.......................................
.....
22
2.9.2
42CrMo
调质工艺卡
.....
.......................................
23
2.9.3
42CrMo
感应淬火工艺卡
...
.....................................
24
2.9.4
42CrMo
低温回火工艺卡
...
.....................................
25
3.
参考文献
.
.....................................
...............
2
6
I
辽
宁
工
业
大
学
课
程
设
计
说
明
书（论
文）
1
齿轮轴热处理概述
轧机是现代工业生
产的重要机械，而轧机的齿轮轴是轧机中重要的传动部分
,
主要
承
受交变载荷，冲击载荷，剪切应力和接触应力大。轴部易产生裂纹，齿部易磨损。因此
对
齿轮轴的心部要求有一定的强度和韧性，有较高的疲劳极限和抗多次冲击能力。表面还
应
具有一定的硬度和耐磨性。为了满足这些性能要求，材料要有很好的力学性能，常采用
42CrMo
钢经正火，调质，感应加热淬火加低温回火已达到
所要求的性能。
42CrMo
为中碳
合金钢，预备热处理是正火，主要目的是为了获得一定的硬度，便于
钢坯的切削加工，为
调质做好组织准备。调质的目的是为了提高轧机齿轮轴的综合力学
性能。中频感应加热表
面淬火是使零件表面得到高的硬度和耐磨性，而心部仍保持一定
的强度及较高的塑性、韧
性。
通过对
42CrMo
钢热处理工艺的分析，
明确在执行热处理工艺过程中所需要注意的问
题。能够正确确定加热温度、时间，保温时间，冷却方式，其目的就是通过正确的热处
理工艺，达到所需要的性能，保证质量。
根据
齿轮轴的工作条件，失效形式及性能要求，大部分材料选择为合金中碳钢，在
设计正火<
/p>
-
调质
-
中频感
应加热淬火加低温回火热处理工艺中，本设计借鉴了《热处理工
程师手册》
，
《热处理实用数据速查手册》
，
< br>《钢的热处理》
，
《机床零件用钢》
，
《金属工艺
学》等。根据工艺设计的理论基础设定了完整
的热处理工艺流程，使热处理的
42CrMo
中碳合金结构钢表
面除具有高硬度，高耐磨性外，高的疲劳强度，在高温下的强度，还
要使心部具有高的的
强度和韧性，从而满足齿轮轴的质量要求。
1
辽
宁
工
业
大
学
课
程
设
计
说
明
书（论
文）
2
42CrMo
齿轮轴热处理工艺设计
2.1
齿轮轴的服役条件、失效形式及性能要求
2.1.1
服役条件、失效形式
齿轮轴在转动时主要承受剪切应力，交变弯曲应力，传递动载荷等工作，受到多次冲
击应力。在工作过程中，由于不同的应力作用，导致不同的失效形式，主要有疲劳磨损，
裂纹，表面点蚀，弯曲疲劳折断，冲击折断等。
2.1.2
性能要求
1.
具有高的疲劳极限；
2.
具有高的抗弯强度；
3.
具有较高的韧性；
4.
具有高的耐磨性；
5.
具有抗多次冲击能力；
6.
具有高温下的高强度；
7.
具有一定的精度。
2.2
齿轮轴材料的选择
齿轮轴材料的选用根据齿轮轴的工作条件，要求以及性能来确定。主要是工作时载荷
的大小
,
转速的高低及齿轮的精度要求来确定的。载
荷大小主要是指齿轮传递转矩的大小
,
通常以齿面上单位压应力
作为衡量标志。一般分为
:
轻载荷、中载荷、重载荷和超重载荷
。
根据要求
42CrMo
钢的性能符合度非常好，其经过正火，调质，感应加热淬火加低温回
火后表
面硬度可达
HRC50
的高硬度，表面耐磨性好，心部硬度可达
HRC35~45
。
42CrMo
钢属
于超高强钢，具有高强度和高韧性，淬透性好，调质后有较高的
疲劳极限和抗多次冲击的
能力。淬火时变形小，高温时具有高的蠕变强度和持久强度，且
无明显的回火脆性。
42CrMo
钢
中含有的合金元素
Cr
，
Mo
。其中铬能增加钢的淬透性并有二次硬化作用。
可提高高碳钢的硬度和耐
磨性而不使钢变脆；含量超过
12%
时。使钢有良好的高温抗氧
化性和耐氧化性介质腐蚀的作用。还增加钢的热强性，铬为不锈耐酸钢及耐热钢的主要<
/p>
合金元素。铬在调质结构钢中的主要作用是提高淬透性。使钢经淬火回火后具有较好的
综合力学性能，在渗碳钢中还可以形成含铬的碳化物，从而提高材料表面的耐磨性。而
2
辽
宁
工
业
大
学
课
程
设
计
说
明
书（论
文）
钼在
钢中能提高淬透性和热强性。防止回火脆性，增加剩磁和矫顽力以及在某些介质中
的抗蚀
性，在调质钢中，钼能使较大断面的零件淬深、淬透，提高钢的抗回火性或回火
稳定性，
使零件可以在较高温度下回火，从而更有效地消除（或降低）残余应力，提高
塑性。
所以在生产中常常选用
42CrMo
作为轧
机齿轮轴的材料。
其综合力学性能优良符合
质量要求。
2.3 42CrMo
钢的
< br>C
曲线
通过查找《热处理手册
》获得
42CrMo
钢的
C
曲线如下图所示，成分如表
1
。
< br>
图
1.
< br>42CrMo
钢连续转变
C
曲线
表
1
42CrMo
钢的化学成分
化学成分
(
质量
分数）
%
C
0.42
Si
0.27
Mn
0.65
P
0.005
S
0.005
Cr
1.10
Ni
0.005
Cu
0.005
Mo
0.20
42CrMo
2.4
42CrMo
齿轮轴的热处理工艺设计
2.4.1
42CrMo
的工艺流程
3
辽
宁
工
业
大
学
课
程
设
计
说
明
书（论
文）
（<
/p>
1
）
.
加工路线
备料→锻造→正火→粗、半精加工→制齿→调质→中频感应加
热淬火、低温回火→精
机加工磨齿（
6
级以上精度齿轴）。
（
2
）
.
锻造工艺设计
锻造齿轮轴的毛坯经过锻造后获得基本的形状。锻造是利用锻压机械对金属坯料施加
压力，
使其产生塑性变形，
已获得具有一定机械
性能、
一定形状和尺寸的锻件的加工方法。
齿轮轴的锻造工艺与
齿轮相差不大，用棒料镦经切削加工制成的齿轴，其纤维组织弯曲呈
放射状，
所有齿部的正应力都平行于纤维组织的方向，
力学性能得到很大的提高。<
/p>
查阅
《热
处理工艺规范数据手册》可以找
出
42CrMo
钢的锻造工艺的加热温度、始锻温度冷却方式，
本设计具体的锻造工艺参数如表
2
所示
。
表
2
42CrMo
钢的热加锻造工艺规范
项目
钢坯
Ac
1
730
℃
Ac
3
800
℃
加热温度
1150
< br>～
1200
℃
始锻温度
1130
< br>～
1180
℃
终锻温度
＞
850
℃
经锻造后其最大直径约为
80mm
，采
用缓冷。
图
2
42CrMo
齿轮轴示意图
2.4.2
42CrMo
钢的热处理工艺设计
（
1
）
．预备热处理工序
--
正火
一般均安排在毛坯
生产之后，切削加工之前，或粗加工之后，半精加工之前。正火的
目的是为了细化晶粒、
改善组织，提高切削加工性能，为淬火和最终热处理做好准备。正
火工艺曲线如图
3
所示。
4
辽
宁
工
业
大
学
课
程
设
计
说
明
书（论
文）
温度
/
℃
870
℃
1h
空冷
时间
T
图
3
42CrMo
钢热处理正火工艺曲线
（
2
）
．
42
CrMo
钢的调质处理
淬火后高温回
火的方法为调质。调质可以使钢的性能，材质得到很大程度的调整，
其强度、塑性和韧性
都较好，具有良好的综合机械性能。调质处理后得到回火索氏体，
Cr
< br>能增加钢的淬透性，提高钢的强度和回火稳定性，具有优良的机械性能。截面尺寸大
或重要的调质工件，应采用
42CrMo
钢工件淬火后油冷，
42CrMo
钢的淬透性较好，在油中
冷却能淬硬，而且工件的变形、开裂倾向小。所以
42CrMo
钢采用
840
℃淬油，再
480
度回
火处理。硬度可达
HRC35-45
。图
4
为调质工艺曲线。
< br>
5
辽
宁
工
业
大
学
课
程
设
计
说
明
书（论
文）
温度
/
℃
840
℃
1h
油冷
480
℃
1
―
1.5h
空冷
时间
图
4
42CrMo
调质工艺曲线图
（
3
）
．
最终热处理
工序
—
感应加热表面淬火、低温回火
零件经调质后具有良好的综合力学性能，但不满足其工艺要求，所以要进行感应表面
淬火已达到所要求的力学性能，感应加热淬火后硬度较高，除磨削外不宜再进行其他切削
加工，因此工序位置一般安排在半精加工后，磨削加工前。经淬火后表面获得高硬度、高
的耐磨性，
而心部仍维持良好的综合力学性能。
为降低表面淬火的淬火应力，
保持高硬度、
耐磨性，淬火后
应低温回火。图
5
为调质后感应淬火加低温回火热处理工艺曲线
。
6
辽
宁
工
业
大
学
课
程
设
计
说
明
书（论
文）
温度
/
℃
900
℃
乳化液
约
35s
150~180
℃
2.5h
空冷
时间
图
5
42CrMo
钢感应加热淬火加回火工艺曲线
2.5
42CrMo
钢的热处理工艺理论基础、原则
2.5.1
42CrMo
的正火工艺理论基础、原则
（
1
）
．正火加热温度
通常对于亚共析钢正火的
加热温度通常为
Ac
3
以上
30
～
50
℃
,
而对于中碳合金钢的正火
温度正火温度通常为<
/p>
Ac
3
以上
50
～
100
℃，保温一定时间后取出喷雾
冷却这种冷却方式称为
高温正火。由铁碳合金相图如图
6
可知
42CrMo
的加热温度范围为
850
～
900
℃。加
热温度过
低先共析铁素体未能全部溶解而达不到细化晶粒的作用，加热温度过高会造成晶
粒粗化恶
化钢的力学性能，所以我们可以选着
870
℃。
7
辽
宁
工
业
大
学
课
程
设
计
说
明
书（论
文）
图
6
Fe-C
合金相图
（
2
）
．正火加热保温时间
<
/p>
保温时间
,
这个问题比较复杂
,
一般由试验确定
,
但也
有个经验公式
:t =
α
KD
t
—保温时间
(min)
α
—加热系数
(min/mm)
K
—工件加热是的修正系数
D
—工件的有效厚度
(mm)
工件有效厚度的计算原则是
:
薄板工件的厚度即为其有效厚度
;
长的
圆棒料直径为其
有效厚度
;
正方体工件
的边长为其有效厚度
;
长方体工件的高和宽小者为其有效厚度<
/p>
;
带锥
度的圆柱形工件的有效厚度是距小
端
2L/3(L
为工件的长度
)
处的直径
;
带有通孔的工件
< br>,
其
壁厚为有效厚度
.
一般情况下，碳钢可以按工件有效厚度每
25
毫米为一小时来计算，合金
钢可以按工件的有效厚度每
20
毫米一小时来计算保温时间，加热时间应为
2
～
3
小时左右。
< br>（
3
）
．正火的目的
正火的主要目的是消除锻造缺陷，使其成分均匀
,
硬度和韧性好，并改善材料的切削
性
,
也为调质做好了组织准备。
2.5.2
42CrMo
调质工艺理论基础、原则
（
1
）
．淬火温度的选择。
8
辽
宁
工
业
大
学
课
程
设
计
说
明
书（论
文）
42CrMo
钢，含碳量为
0.42%
，属于亚共析钢，由图
6
可得含碳量为
0.42%
钢的
Ac3
为
800
℃，由亚共析钢淬
火温度要求
T=Ac3+30~50
（℃）可得，淬火温度
T=830~850
（℃）
，
我们可以设定在
840
℃。
（
2
）
．淬火
保温时间的确定。
根据有效长度
Φ<
/p>
/2=80/2=40mm
，可查知，保温时间要大于
56min
，为保证获得理想
组织可选
1h
。
（
3
）
．确定淬火介质。
<
/p>
根据零件使用要求，根据图
7
可知要求淬
火后心部硬度大于
HRC23
时，至水冷端距
< br>离小于
33mm
方可达到要求，在图
8
中可查出之水冷端距离小于
33mm
的油中淬火约最大
直径为
87mm
，符合要求（
42CrMo
钢的淬透性高，
所以应尽量选择油淬，可增加奥氏体的
稳定性）
。
（
4
）
．确定回火温度。
在图
1
0
不同含碳量与回火温度的曲线中
（
《
钢的热处理》
胡光立、
谢希文
西北工业
大学出版社。
）
查出含碳量为
0.4~0.5%
的曲线带，
再在纵坐标上查出
HRC=35~40
，
取中值
36
其曲线带相交的点即为加热温度，大约为
480
℃。
（
5
）
．确定回火保温时间。
由于回火保温时间为
480
< br>℃，根据经验公式可知回火保温时间大约为
1~1.5h
。
回火后空冷即可。
（
6
）
．调质的目的。
调质使工件具有优良的综合力学性能，即高强度和高韧性的适当配
合，还可提高一
定的耐磨性，以保证零件长期顺利工作。
9
辽
宁
工
业
大
学
课
程
设
计
说
明
书（论
文）
图
7
42CrMo
钢的淬透性曲线
图
8
沿末端淬火试样的长度、圆棒直
径、圆棒内不同位置与冷却速度之间的关系
（
a
）圆棒静水中淬火
（
b
）圆棒静油中淬火
2.5.3
42CrMo
感应加热淬火工艺原理
10
辽
宁
工
业
大
学
课
程
设
计
说
明
书（论
文）
感应
加热淬火加热速度快，淬火质量好，较一般淬火硬度高，得到极细马氏体，且淬
硬层深度
易于控制，易实现机械化和自动化。其过程如下：
交变电场
涡流
交变磁场
表层加热
感应电流
淬火冷却
集
肤
感应加热淬火的原理如图
9
所示，
电磁感应产生同频率的感应电流即涡流。
涡流在工
件截面上的分布是不均匀的，
心部几乎等于零，
而表面电流密度极大，
称为“集肤效应”，
频率愈高，电流密度极大的表面层愈薄。依靠这种电流和工件本身的电阻，使工件表面
迅
速加热到淬火温度，而心部温度仍接近室温，然后立即喷水冷却，使工件表面淬硬。
图
9
感应加热淬火示意图
（
1
）
．感应加热淬火加频率的选择
< br>
感应加热可分为三类：
(1)
高频加热
常用频率为（
200
～
300
）
KHZ<
/p>
，淬硬层深度为（
0.5
～
2.5
）
mm
。
(2)
中频加热
常用频率为（
2500
～
8000
）
HZ
，淬硬层深度为（
2
～
10
）
mm
。
11
-
-
-
-
-
-
-
-
-
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