齒輪減速器涉及的熱處理工藝

齒輪減速器涉及的熱處理工藝滲碳淬火是金屬材料常見(jiàn)的一種熱處理工藝，它可以使?jié)B過(guò)碳的工件表面獲得很高的硬度，提高其耐磨程度。傳統(tǒng)工藝主要有：低溫回火、預(yù)冷直接淬火、一次加熱淬火、滲碳高溫回火、二次淬火冷處理、滲碳后感應(yīng)加熱等工序。淬火工藝在現(xiàn)代機(jī)械制造工業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。機(jī)械中重要零件，尤其在汽車、飛機(jī)、火箭中應(yīng)用的鋼件幾乎都經(jīng)過(guò)淬火處理。為滿足各種零件干差萬(wàn)別的技術(shù)要求，發(fā)展了各種淬火工藝。滲碳：是對(duì)金屬表面處理的一種，采用滲碳的多為低碳鋼或低合金鋼，具體方法是將工件置入具有活性滲碳介質(zhì)中,加熱到900--950攝氏度的單相奧氏體區(qū)，保溫足夠時(shí)間后,使?jié)B碳介質(zhì)中分解出的活性碳原子滲入鋼件表層,從而獲得表層高碳,心部仍保持原有成分.相似的還有低溫滲氮處理。這是金屬材料常見(jiàn)的一種熱處理工藝，它可以使?jié)B過(guò)碳的工件表面獲得很高的硬度，提高其耐磨程度。滲碳(carburizing/carburization)滲碳是指使碳原子滲入到鋼表面層的過(guò)程。也是使低碳鋼的工件具有高碳鋼的表面層，再經(jīng)過(guò)淬火和低溫回火，使工件的表面層具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持著低碳鋼的韌性和塑性。滲碳工件的材料一般為低碳鋼或低碳合金鋼(含碳量小于0.25%)。滲碳后，鋼件表面的化學(xué)成分可接近高碳鋼。工件滲碳后還要經(jīng)過(guò)淬火，以得到高的表面硬度、高的耐磨性和疲勞強(qiáng)度，并保持心部有低碳鋼淬火后的強(qiáng)韌性，使工件能承受沖擊載荷。滲碳工藝廣泛用于飛機(jī)、汽車和拖拉機(jī)等的機(jī)械零件，如齒輪、軸、凸輪軸等。滲碳工藝在中國(guó)可以上溯到2000年以前。最早是用固體滲碳介質(zhì)滲碳。液體和氣體滲碳是在20世紀(jì)出現(xiàn)并得到廣泛應(yīng)用的。美國(guó)在20年代開(kāi)始采用轉(zhuǎn)筒爐進(jìn)行氣體滲碳。30年代，連續(xù)式氣體滲碳爐開(kāi)始在工業(yè)上應(yīng)用。60年代高溫(960?1100°C)氣體滲碳得到發(fā)展。至70年代，出現(xiàn)了真空滲碳和離子滲碳。滲碳與其他化學(xué)熱處理一樣，也包含3個(gè)基本過(guò)程。分解滲碳介質(zhì)的分解產(chǎn)生活性碳原子。吸附活性碳原子被鋼件表面吸收后即溶到表層奧氏體中，使奧氏體中含碳量增加。擴(kuò)散表面含碳量增加便與心部含碳量出現(xiàn)濃度差，表面的碳遂向內(nèi)部擴(kuò)散。碳在鋼中的擴(kuò)散速度主要取決于溫度，同時(shí)與工件中被滲元素內(nèi)外濃度差和鋼中合金元素含量有關(guān)。滲碳零件的材料一般選用低碳鋼或低碳合金鋼（含碳量小於0.25%）。滲碳后必須進(jìn)行淬火才能充分發(fā)揮滲碳的有利作用。工件滲碳淬火后的表層顯微組織主要為高硬度的馬氏體加上殘余奧氏體和少量碳化物，心部組織為韌性好的低碳馬氏體或含有非馬氏體的組織，但應(yīng)避免出現(xiàn)鐵素體。一般滲碳層深度范圍為0.8?1.2毫米，深度滲碳時(shí)可達(dá)2毫米或更深。表面硬度可達(dá)HRC58?63,心部硬度為HRC30?42。滲碳淬火后，工件表面產(chǎn)生壓縮內(nèi)應(yīng)力，對(duì)提高工件的疲勞強(qiáng)度有利。因此滲碳被廣泛用以提高零件強(qiáng)度、沖擊韌性和耐磨性，借以延長(zhǎng)零件的使用壽命。按含碳介質(zhì)的不同，滲碳可分為固體滲碳、液體滲碳、氣體滲碳和碳氮共滲。滲碳工藝：1、直接淬火低溫回火組織及性能特點(diǎn)：不能細(xì)化鋼的晶粒。工件淬火變形較大，合金鋼滲碳件表面殘余奧氏體量較多，表面硬度較低適用范圍：操作簡(jiǎn)單，成本低廉用來(lái)處理對(duì)變形和承受沖擊載荷不大的零件，適用于氣體滲碳和液體滲碳工藝。2、預(yù)冷直接淬火、低溫回火，淬火溫度800-850°C組織及性能特點(diǎn)：可以減少工件淬火變形，滲層中殘余奧氏體量也可稍有降低，表面硬度略有提高，但奧氏體晶粒沒(méi)有變化。適用范圍：操作簡(jiǎn)單，工件氧化、脫碳及淬火變形均小，廣泛應(yīng)用于細(xì)晶粒鋼制造的各種工具。3、一次加熱淬火，低溫回火，淬火溫度820-850C或780-810C組織及性能特點(diǎn)：對(duì)心部強(qiáng)度要求較高者，采用820-850C淬火，心部為低碳M,表面要求硬度高者，采用780-810°C淬火可以細(xì)化晶粒。適用范圍：適用于固體滲碳后的碳鋼和低合金鋼工件、氣體、液體滲碳的粗晶粒鋼，某些滲碳后不宜直接淬火的工件及滲碳后需機(jī)械加工的零件。4、滲碳高溫回火，一次加熱淬火，低溫回火，淬火溫度840-860C組織及性能特點(diǎn)：高溫回火使M和殘余A分解，滲層中碳和合金元素以碳化物形式析出，便于切削加工及淬火后殘余A減少。適用范圍：主要用于Cr—Ni合金滲碳工件5、二次淬火低溫回火組織及性能特點(diǎn)：第一次淬火（或正火），可以消除滲碳層網(wǎng)狀碳化物及細(xì)化心部組織（850-870C），第二次淬火主要改善滲層組織，對(duì)心部性能要求不高時(shí)可在材料的Ac1—Ac3之間淬火，對(duì)心部性能要求高時(shí)要在Ac3以上淬火。適用范圍：主要用于對(duì)力學(xué)性能要求很高的重要滲碳件，特別是對(duì)粗晶粒鋼。但在滲碳后需經(jīng)過(guò)兩次高溫加熱，使工件變形和氧化脫碳增加，熱處理過(guò)程較復(fù)雜。6、二次淬火冷處理低溫回火組織及性能特點(diǎn)：高于Ac1或Ac3（心部）的溫度淬火，高合金表層殘余A較多，經(jīng)冷處理（-70C/-80C）促使A轉(zhuǎn)變從而提高表面硬度和耐磨性。適用范圍：主要用于滲碳后不進(jìn)行機(jī)械加工的高合金鋼工件。7、滲碳后感應(yīng)加熱淬火低溫回火組織及性能特點(diǎn)：可以細(xì)化滲層及靠近滲層處的組織。淬火變形小，不允許硬化的部位不需預(yù)先防滲。適用范圍：各種齒輪和軸類滲碳的常見(jiàn)缺陷及其防止：（一）碳濃度過(guò)高產(chǎn)生原因及危害：如果滲碳時(shí)急劇加熱，溫度又過(guò)高或固體滲碳時(shí)用全新滲碳劑，或用強(qiáng)烈的催滲劑過(guò)多都會(huì)引起滲碳濃度過(guò)高的現(xiàn)象。隨著碳濃度過(guò)高，工件表面出現(xiàn)塊狀粗大的碳化物或網(wǎng)狀碳化物。由于這種硬脆組織產(chǎn)生，使?jié)B碳層的韌性急劇下降。并且淬火時(shí)形成高碳馬氏體，在磨削時(shí)容易出現(xiàn)磨削裂紋。防止的方法不能急劇加熱，需采用適當(dāng)?shù)募訜釡囟龋皇逛摰木ЯｉL(zhǎng)大為好。如果滲碳時(shí)晶粒粗大，則應(yīng)在滲碳后正火或兩次淬火處理來(lái)細(xì)化晶粒。嚴(yán)格控制爐溫均勻性，不能波動(dòng)過(guò)大，在反射爐中固體滲碳時(shí)需特別注意。固體滲碳時(shí)，滲碳劑要新、舊配比使用。催滲劑最好采用4—7%的BaCO3,不使用Na2CO3作催滲劑。（二）碳濃度過(guò)低產(chǎn)生的原因及危害：溫度波動(dòng)很大或催滲劑過(guò)少都會(huì)引起表面的碳濃度不足。最理想的碳濃度為0.9—1.0%之間，低于0.8%C，零件容易磨損。防止的方法：滲碳溫度一般采用920—940°C，滲碳溫度過(guò)低就會(huì)引起碳濃度過(guò)低，且延長(zhǎng)滲碳時(shí)間；滲碳溫度過(guò)高會(huì)引起晶粒粗大。催滲劑（BaCO3）的用量不應(yīng)低于4%。（三）滲碳后表面局部貧碳：產(chǎn)生的原因及危害：固體滲碳時(shí)，木炭顆粒過(guò)大或夾雜有石塊等雜質(zhì)，或催滲劑與木炭拌得不均勻，或工件所接觸都會(huì)引起局部無(wú)碳或貧碳。工件表面的污物也可以引起貧碳。防止的方法固體滲碳劑一定要按比例配制，攪拌均勻。裝爐的工件注意不要有接觸。固體滲碳時(shí)要將滲碳劑搗實(shí)，勿使?jié)B碳過(guò)塌而使工件接觸。卻除表面的污物。（四）滲碳濃度加劇過(guò)渡1.產(chǎn)生的原因及危害：滲碳濃度突然過(guò)渡就是表面與中心的碳濃度變化加劇，不是由高到低的均勻過(guò)渡，而是突然過(guò)渡。產(chǎn)生此缺陷的原因是滲碳劑作用很強(qiáng)烈（如新配制的木炭，舊滲碳劑加得很少）,同時(shí)鋼中有Cr、Mn、Mo等合金元素是促使碳化物形成強(qiáng)烈，而造成表面高濃度，中心低濃度，并無(wú)過(guò)渡層。產(chǎn)生此缺陷后造成表里相當(dāng)大的內(nèi)應(yīng)力，在淬火過(guò)程中或磨削過(guò)程中產(chǎn)生裂紋或剝落現(xiàn)象。防止的方法：滲碳劑新舊按規(guī)定配比制，使?jié)B碳緩和。用BaCO3作催滲劑較好，因?yàn)镹a2CO3比較急劇。（五）磨加工時(shí)產(chǎn)生回火及裂紋產(chǎn)生的原因：滲碳層經(jīng)磨削加工后表面引起軟化的現(xiàn)象，稱之為磨加工產(chǎn)生的回火。這是由于磨削時(shí)加工進(jìn)給量太快，砂輪硬度和粒度或轉(zhuǎn)速選擇不當(dāng)，或磨削過(guò)程中冷卻不充分，都易產(chǎn)生此類缺陷。這是因?yàn)槟ハ鲿r(shí)的熱量使表面軟化的緣故。磨削時(shí)產(chǎn)生回火缺陷則零件耐磨性降低。表面產(chǎn)生六角形裂紋。這是因?yàn)橛糜操|(zhì)砂輪表面受到過(guò)份磨削，而發(fā)熱所致。也與熱處理回火不足，殘余內(nèi)應(yīng)力過(guò)大有關(guān)。用酸浸蝕后，凡是有缺陷部位呈黑色，可與沒(méi)有缺陷處區(qū)別開(kāi)來(lái)。這是磨削時(shí)產(chǎn)生熱量回火。使馬使體轉(zhuǎn)變?yōu)榍象w組織的緣故。其實(shí)，裂紋在磨削后肉眼即可看見(jiàn)。防止的方法：淬火后必須經(jīng)過(guò)充分回火或多次回火，消除內(nèi)應(yīng)力。采用40~60粒度的軟質(zhì)或中質(zhì)氧化鋁砂輪，磨削進(jìn)給量不過(guò)大。磨削時(shí)先開(kāi)冷卻液，并注意磨削過(guò)程中的充分冷卻淬火淬火目的：淬火的目的是使過(guò)冷奧氏體進(jìn)行馬氏體或貝氏體轉(zhuǎn)變，得到馬氏體或貝氏體組織，然后配合以不同溫度的回火，以大幅提高鋼的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度以及韌性等，從而滿足各種機(jī)械零件和工具的不同使用要求。也可以通過(guò)淬火滿足某些特種鋼材的鐵磁性、耐蝕性等特殊的物理、化學(xué)性能。淬火工藝：將金屬工件加熱到某一適當(dāng)溫度并保持一段時(shí)間，隨即浸入淬冷介質(zhì)中快速冷卻的金屬熱處理工藝。常用的淬冷介質(zhì)有鹽水、水、礦物油、空氣等。淬火可以提高金屬工件的硬度及耐磨性，因而廣泛用于各種工、模、量具及要求表面耐磨的零件（如齒輪、軋輥、滲碳零件等）。通過(guò)淬火與不同溫度的回火配合，可以大幅度提高金屬的強(qiáng)度、韌性及疲勞強(qiáng)度，并可獲得這些性能之間的配合（綜合機(jī)械性能）以滿足不同的使用要求。另外淬火還可使一些特殊性能的鋼獲得一定的物理化學(xué)性能，如淬火使永磁鋼增強(qiáng)其鐵磁性、不銹鋼提高其耐蝕性等。淬火工藝主要用于鋼件。常用的鋼在加熱到臨界溫度以上時(shí)，原有在室溫下的組織將全部或大部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。隨后將鋼浸入水或油中快速冷卻，奧氏體即轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。與鋼中其他組織相比，馬氏體硬度最高。淬火時(shí)的快速冷卻會(huì)使工件內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)其大到一定程度時(shí)工件便會(huì)發(fā)生扭曲變形甚至開(kāi)裂。為此必須選擇合適的冷卻方法。根據(jù)冷卻方法，淬火工藝分為單液淬火、雙介質(zhì)淬火、馬氏體分級(jí)淬火和貝氏體等溫淬火4類。淬火效果的重要因素，淬火工件硬度要求和檢測(cè)方法：淬火工件的硬度：淬火工件的硬度影響了淬火的效果。淬火工件一般采用洛氏硬度計(jì)，測(cè)試HRC硬度。淬火的薄硬鋼板和表面淬火工件可測(cè)試HRA的硬度。厚度小于0.8mm的淬火鋼板、淺層表面淬火工件和直徑小于5mm的淬火鋼棒，可改用表面洛氏硬度計(jì)，測(cè)試HRN硬度。在焊接中碳鋼和某些合金鋼時(shí)，熱影響區(qū)中可能發(fā)生淬火現(xiàn)象而變硬，易形成冷裂紋，這是在焊接過(guò)程中要設(shè)法防止的。由于淬火后金屬硬而脆，產(chǎn)生的表面殘余應(yīng)力會(huì)造成冷裂紋，回火可作為在不影響硬度的基礎(chǔ)上，消除冷裂紋的手段之一。淬火對(duì)厚度、直徑較小的零件使用比較合適，對(duì)于過(guò)大的零件，淬火深度不夠，滲碳也存在同樣問(wèn)題，此時(shí)應(yīng)考慮在鋼材中加入鉻等合金來(lái)增加強(qiáng)度。淬火是鋼鐵材料強(qiáng)化的基本手段之一。鋼中馬氏體是鐵基固溶體組織中最硬的相（表1），故鋼件淬火可以獲得高硬度、高強(qiáng)度。但是，馬氏體的脆性很大，加之淬火后鋼件內(nèi)部有較大的淬火內(nèi)應(yīng)力，因而不宜直接應(yīng)用，必須進(jìn)行回火。齒輪減速器涉及的熱處理工藝單介質(zhì)淬火工件在一種介質(zhì)中冷卻，如水淬、油淬。優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，應(yīng)用廣泛。缺點(diǎn)是在水中淬火應(yīng)力大，工件容易變形開(kāi)裂；在油中淬火，冷卻速度小，淬透直徑小，大型工件不易淬透。齒輪減速器涉及的熱處理工藝雙介質(zhì)淬火工件先在較強(qiáng)冷卻能力介質(zhì)中冷卻到300°C左右，再在一種冷卻能力較弱的介質(zhì)中冷卻，如：先水淬后油淬，可有效減少馬氏體轉(zhuǎn)變的內(nèi)應(yīng)力，減小工件變形開(kāi)裂的傾向，可用于形狀復(fù)雜、截面不均勻的工件淬火。雙液淬火的缺點(diǎn)是難以掌握雙液轉(zhuǎn)換的時(shí)刻，轉(zhuǎn)換過(guò)早容易淬不硬，轉(zhuǎn)換過(guò)遲又容易淬裂。為了克服這一缺點(diǎn)，發(fā)展了分級(jí)淬火法。齒輪減速器涉及的熱處理工藝分級(jí)淬火工件在低溫鹽浴或堿浴爐中淬火，鹽浴或堿浴的溫度在Ms點(diǎn)附近，工件在這一溫度停留2min?5min，然后取出空冷，這種冷卻方式叫分級(jí)淬火。分級(jí)冷卻的目的，是為了使工件內(nèi)外溫度較為均勻，同時(shí)進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變，可以大大減小淬火應(yīng)力，防止變形開(kāi)裂。分級(jí)溫度以前都定在略高于Ms點(diǎn)，工件內(nèi)外溫度均勻以后進(jìn)入馬氏體區(qū)?，F(xiàn)在改進(jìn)為在略低于Ms點(diǎn)的溫度分級(jí)。實(shí)踐表明，在Ms點(diǎn)以下分級(jí)的效果更好。例如，高碳鋼模具在160C的堿浴中分級(jí)淬火，既能淬硬，變形又小，所以應(yīng)用很廣泛。齒輪減速器涉及的熱處理工藝等溫淬火