齒輪用45鋼的熱處理工藝分析

孫洪星

摘 要：依據齒輪使用條件和性能要求，進行相應的熱處理，并通過退火、調質、高溫回火等熱處理，分析組織和性能的變化。在實驗基礎上，驗證所設計熱處理工藝的正確性。通過實踐，得出選擇45鋼作為齒輪材料最合適。

關鍵詞：齒輪；45鋼；熱處理；金屬材料

中圖分類號：TG156 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）03-0031-01

熱處理工藝是金屬材料工程的重要組成部分。通過熱處理可以改變材料的加工工藝性能，充分發揮材料的潛力，提高工件的使用壽命。熱處理不僅對鍛造機械加工的順利進行和保證加工效果起著重要作用，而且在改善或消除加工后缺陷，提高工件的使用壽命等方面也起著重要作用。

1 45鋼熱處理組織分析

1.1 退火組織分析

如圖1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。圖1中黑色為珠光體，白色為鐵素體。珠光體是奧氏體（奧氏體是碳溶解在γ-Fe中的間隙固溶體）發生共析轉變所形成的鐵素體與滲碳體的共析體，其形態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=0.77%. 由于為連續冷卻，所以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750～900 MPa，180～280 BS，伸長率為20%～25%，沖擊功為24～32 J。學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=770 MPa，180 HBS，δ=20%～35%，AKU=24～32 J。鐵素體沿奧氏體晶界呈網絡狀分布，鐵素體的強度、硬度不高，但具有良好的塑性和韌性。在外力作用下，將引起不均勻的塑性變形，并導致應力集中，使鋼的強度和塑性都降低。

1.2 淬火組織分析

如圖2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的固溶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，馬氏體轉變開始產生，母相奧氏體組織開始不穩定。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。只有當溫度進一步降低，更多的奧氏體才轉變為馬氏體。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，或在奧氏體內成堆析出。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。

1.3 高溫回火組織分析

如圖3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。它的強和硬度很高（硬度可達58～60 HRC），而其韌性和塑性則明顯下降。為了消除淬火時的內應力和組織應力，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，而塑性和韌性則顯著提高。回火索氏體中的碳化物分散度很大，呈球狀。

2 45鋼熱處理硬度分析

2.1 硬度變化分析

根據不同組織熱處理下鋼的硬度值（如表1）可知，完全退火后的硬度值為17.8 HRC：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，消除了內應力，降低了硬度，所以硬度值最低。淬火后的硬度值為62.2 HRC：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。淬火后的45鋼經過高溫回火后的硬度值為34.7 HRC：因為45鋼經調質處理后，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。

2.2 檢驗熱處理工藝的合理性

45鋼試樣經過熱處理后最終的硬度為34.7 HRC，由45鋼齒輪的技術要求，齒表硬度為30～35 HRC。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。

3 結束語

通過一系列的研究，解決了機床齒輪的選材和熱處理工藝中的問題。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。所以，選用45鋼制造。通過分析判斷，最終確定45鋼采用退火、調質處理，45鋼經過調質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，還可以減少淬火過程中的變形。

〔編輯：李玨〕

摘 要：依據齒輪使用條件和性能要求，進行相應的熱處理，并通過退火、調質、高溫回火等熱處理，分析組織和性能的變化。在實驗基礎上，驗證所設計熱處理工藝的正確性。通過實踐，得出選擇45鋼作為齒輪材料最合適。

關鍵詞：齒輪；45鋼；熱處理；金屬材料

中圖分類號：TG156 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）03-0031-01

熱處理工藝是金屬材料工程的重要組成部分。通過熱處理可以改變材料的加工工藝性能，充分發揮材料的潛力，提高工件的使用壽命。熱處理不僅對鍛造機械加工的順利進行和保證加工效果起著重要作用，而且在改善或消除加工后缺陷，提高工件的使用壽命等方面也起著重要作用。

1 45鋼熱處理組織分析

1.1 退火組織分析

如圖1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。圖1中黑色為珠光體，白色為鐵素體。珠光體是奧氏體（奧氏體是碳溶解在γ-Fe中的間隙固溶體）發生共析轉變所形成的鐵素體與滲碳體的共析體，其形態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=0.77%. 由于為連續冷卻，所以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750～900 MPa，180～280 BS，伸長率為20%～25%，沖擊功為24～32 J。學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=770 MPa，180 HBS，δ=20%～35%，AKU=24～32 J。鐵素體沿奧氏體晶界呈網絡狀分布，鐵素體的強度、硬度不高，但具有良好的塑性和韌性。在外力作用下，將引起不均勻的塑性變形，并導致應力集中，使鋼的強度和塑性都降低。

1.2 淬火組織分析

如圖2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的固溶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，馬氏體轉變開始產生，母相奧氏體組織開始不穩定。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。只有當溫度進一步降低，更多的奧氏體才轉變為馬氏體。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，或在奧氏體內成堆析出。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。

1.3 高溫回火組織分析

如圖3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。它的強和硬度很高（硬度可達58～60 HRC），而其韌性和塑性則明顯下降。為了消除淬火時的內應力和組織應力，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，而塑性和韌性則顯著提高。回火索氏體中的碳化物分散度很大，呈球狀。

2 45鋼熱處理硬度分析

2.1 硬度變化分析

根據不同組織熱處理下鋼的硬度值（如表1）可知，完全退火后的硬度值為17.8 HRC：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，消除了內應力，降低了硬度，所以硬度值最低。淬火后的硬度值為62.2 HRC：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。淬火后的45鋼經過高溫回火后的硬度值為34.7 HRC：因為45鋼經調質處理后，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。

2.2 檢驗熱處理工藝的合理性

45鋼試樣經過熱處理后最終的硬度為34.7 HRC，由45鋼齒輪的技術要求，齒表硬度為30～35 HRC。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。

3 結束語

通過一系列的研究，解決了機床齒輪的選材和熱處理工藝中的問題。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。所以，選用45鋼制造。通過分析判斷，最終確定45鋼采用退火、調質處理，45鋼經過調質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，還可以減少淬火過程中的變形。

〔編輯：李玨〕

摘 要：依據齒輪使用條件和性能要求，進行相應的熱處理，并通過退火、調質、高溫回火等熱處理，分析組織和性能的變化。在實驗基礎上，驗證所設計熱處理工藝的正確性。通過實踐，得出選擇45鋼作為齒輪材料最合適。

關鍵詞：齒輪；45鋼；熱處理；金屬材料

中圖分類號：TG156 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）03-0031-01

熱處理工藝是金屬材料工程的重要組成部分。通過熱處理可以改變材料的加工工藝性能，充分發揮材料的潛力，提高工件的使用壽命。熱處理不僅對鍛造機械加工的順利進行和保證加工效果起著重要作用，而且在改善或消除加工后缺陷，提高工件的使用壽命等方面也起著重要作用。

1 45鋼熱處理組織分析

1.1 退火組織分析

如圖1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。圖1中黑色為珠光體，白色為鐵素體。珠光體是奧氏體（奧氏體是碳溶解在γ-Fe中的間隙固溶體）發生共析轉變所形成的鐵素體與滲碳體的共析體，其形態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=0.77%. 由于為連續冷卻，所以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750～900 MPa，180～280 BS，伸長率為20%～25%，沖擊功為24～32 J。學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=770 MPa，180 HBS，δ=20%～35%，AKU=24～32 J。鐵素體沿奧氏體晶界呈網絡狀分布，鐵素體的強度、硬度不高，但具有良好的塑性和韌性。在外力作用下，將引起不均勻的塑性變形，并導致應力集中，使鋼的強度和塑性都降低。

1.2 淬火組織分析

如圖2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的固溶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，馬氏體轉變開始產生，母相奧氏體組織開始不穩定。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。只有當溫度進一步降低，更多的奧氏體才轉變為馬氏體。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，或在奧氏體內成堆析出。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。

1.3 高溫回火組織分析

如圖3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。它的強和硬度很高（硬度可達58～60 HRC），而其韌性和塑性則明顯下降。為了消除淬火時的內應力和組織應力，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，而塑性和韌性則顯著提高。回火索氏體中的碳化物分散度很大，呈球狀。

2 45鋼熱處理硬度分析

2.1 硬度變化分析

根據不同組織熱處理下鋼的硬度值（如表1）可知，完全退火后的硬度值為17.8 HRC：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，消除了內應力，降低了硬度，所以硬度值最低。淬火后的硬度值為62.2 HRC：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。淬火后的45鋼經過高溫回火后的硬度值為34.7 HRC：因為45鋼經調質處理后，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。

2.2 檢驗熱處理工藝的合理性

45鋼試樣經過熱處理后最終的硬度為34.7 HRC，由45鋼齒輪的技術要求，齒表硬度為30～35 HRC。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。

3 結束語

通過一系列的研究，解決了機床齒輪的選材和熱處理工藝中的問題。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。所以，選用45鋼制造。通過分析判斷，最終確定45鋼采用退火、調質處理，45鋼經過調質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，還可以減少淬火過程中的變形。

〔編輯：李玨〕