材料工程产业与发展作业

材料工程产业与发展作业材料学院21526113方思懿问题4：小轴（直径25m，长度50mm），材料为40Cr，在普通箱式炉中加热淬火后硬度只有45HRC，试分析原因并提出相应的解决方案。40Cr正常淬火后硬度应该大于50HRC，而目前只有45HRC，未达到所要求的性能。因此我们需要对生产工艺的每一步骤进行检验核对，以找出导致硬度不够的原因。首先看淬火这一步骤，淬火温度是多少，正常的淬火温度是860℃左右。若发现淬火温度过高，则会导致晶粒粗化从而导致硬度降低。解决方法就是重新调整合适的淬火温度，重新淬火。若淬火温度合适，看淬火冷却方式。可能是冷却速度不够快，而导致硬度达不到预期要求，解决方法是采用更大冷却速度的冷却方式，如水冷，再重新淬火。若淬火冷却方式无误，也有可能是淬火操作速度不够快，在入水冷却前零件就已部分降温，从而导致最终硬度不够。解决方法就是正确操作，及时冷却。通常40Cr材料的使用仅靠淬火是不够的，通常要经过调质处理，也就是淬火加高温回火，然后再检测硬度是否达到要求。问题5：某减速箱大齿轮（齿顶圆直径da=205mm，模数m=2.5mm，齿宽b=50mm），载荷较大，要求齿面硬度56~60HRC（620~720HV），现有材料：20、12CrNi3、35、38CrMoAl、40MnB、42CrMo，试选合适的材料，确定零件的生产工艺路线，并制定相关热处理工艺参数。①选用42CrMo。要确定所选材料，必须先了解该齿轮对力学性能的要求。由于传递扭矩，齿根承受较大的交变弯曲应力，易发生疲劳断裂，要求具有高的弯曲疲劳强度；齿面相互滑动和滚动，承受较大的接触应力和摩擦，易发生齿面磨损、齿面疲劳点蚀等；要求具有高的接触疲劳强度和耐磨性；由于换档、启动或啮齿不良，齿部还要承受一定的冲击，易发生过载断裂，要求齿轮心部要有足够的强度和韧性。由于该齿轮为大齿轮，转速不需要太大，但载荷较大，且要求齿面硬度为56~60HRC，这就要求表面硬、芯部韧。42CrMo属于合金结构钢，含碳量0.42%，同时含有Cr、Mo合金元素。42CrMo具有高强度和韧性，淬透性也较好，无明显的回火脆性，调质处理后有较高的疲劳极限和抗多次冲击能力，低温冲击韧性良好。符合以上齿轮对材料力学性能的要求，所以选用42CrMo。②生产工艺路线：锻造——正火或退火——粗车——调质——切齿——表面淬火+低温回火——磨齿。③热处理工艺参数：由于下一步还有切削加工，所以采用完全退火，改善材料的切削加工性能。完全退火是将钢加热Ac3以上30~50ºC，完全奥氏体化后，保温一定时间随之缓慢冷却到500ºC以下，出炉空冷。所以采用830℃完全退火。调质处理即淬火+高温回火。42CrMo属于亚共析钢，淬火温度的选择在Ac3以上30~50ºC，可获得均匀细小的马氏体组织。若淬火温度过高，会出现粗大马氏体组织，引起钢件严重的变形或开裂；若温度过低，则会在淬火组织中出现铁素体，造成钢硬度不足，强度不高。高温回火的温度范围是500℃~650℃，所得到的淬火组织——回火索氏体硬度为20~35HRC。所以在此选择830℃淬火+580℃高温回火。由于此时的硬度还不能达到56~60HRC的要求，同时要保持芯部的韧性，且高温回火后会出现回火脆性，所以还需要进行表面淬火+低温回火。工业上多用感应加热表面淬火，而感应加热的深度取决于电流频率，由于该齿轮齿顶圆直径da=205mm，模数m=2.5mm，属于中大型齿轮，选用中频电流，频率范围在500Hz~10kHz，常选用2.5kHz。低温回火的温度范围是150℃~250℃。所以，最终选择2.5kHz感应加热频率表面淬火+220℃低温回火。此时的材料硬度可达到58~64HRC和良好的芯部韧性，达到该齿轮的要求。