大型皮帶機主軸熱處理質量控制

王曄

摘要：皮帶機主傳動軸是皮帶機中性能要求較高的零件，在工作過程中要承受復雜載荷如扭轉、彎曲、拉壓、沖擊等作用，主軸的良好性能是保證皮帶機正常運轉的主要條件之一。文章通過對皮帶機工藝處理過程中，淬火加熱時的應力及材料回火的應力兩方面分析，找出產生質量問題的原因，并制定出相應的質量控制措施。

關鍵詞：皮帶機主軸；質量控制；淬火回火

中圖分類號：TD235 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）16-0085-02

皮帶機一直以來都是我廠主打產品之一，近年來，我廠承接了一大批大型皮帶機生產任務。在這些大型皮帶機上其主要傳動軸直徑普遍超過300mm，長度超過3000mm，在對此類主軸質量的控制中，我廠通過多次的探索總結了一些實用的方法。

皮帶機主軸屬于傳動件，在工作過程中要承受復雜載荷（如扭轉、彎曲、拉壓、沖擊等）的作用，并經受強烈摩擦，是皮帶機中性能要求較高的零件。因此，必須對該軸的機械性能進行強化處理，即調質熱處理。調質能使零件獲得良好的綜合力學性能，能夠提高零件的強度、塑性和韌性。

由于皮帶機主軸的直徑較大，長度較長，在調質淬火時表面與心部冷卻速度冷卻順序和冷卻速度的差異，使表面和心部存在溫度和組織差異，產生了熱應力和組織壓力。如果主軸內部存有少許組織缺陷，很容易造成淬火斷裂和彎曲變形，一旦造成斷裂或嚴重彎曲變形，帶來的后果一方面是工件報廢，給生產帶來重大損失，另一方面如果出現隱性內裂現象，可能會存在巨大安全隱患，甚至造成機毀人亡的事故。因此必須對大型皮帶機主軸熱處理的質量控制。

1 產生質量問題的原因分析

從材料學的觀點看，工件之所以產生裂紋、斷裂和彎曲變形現象除了工件材質存在雜質、氣孔、組織不均勻等缺陷外，主要由于材料所承受的應力超過了材料本身的破斷抗力。因此，我們從熱處理淬火加熱時的應力及材料回火的應力兩方面分析：

1.1 淬火應力

大型工件熱處理淬火過程中的應力主要由熱應力、組織應力及由于截面上轉變組織比容不同引起的應力。

（1）熱應力是在熱處理過程中，工件表面和中心由于加熱或冷卻速度不一，導致體積膨脹不均勻而產生的內應力。對于大型軸類工件，從高溫快速冷卻時表面冷卻得快，心部冷卻得慢，內外存在較大的溫差。由于表面先冷必然收縮，而心部有較高溫度比熱阻止其收縮，即心部使表面受拉，表面對心部產生壓力。但是，鋼在高溫塑性階段屈服強度低，塑性變形后應力將得到松弛，當外部先進入彈性階段形成冷硬外殼后，將對心部收縮產生阻礙作用。這時工件中的熱應力將發生改變，表面由原來的受拉轉變為受壓，心部則由受壓轉變為受拉，而且隨著冷卻的繼續進行不斷增大，于是形成了殘余熱應力。

（2）組織應力是鋼在淬火冷卻時，由于表面冷卻的快先發生組織轉變（膨脹），中心或冷卻較慢的部分后發生組織轉變（亦膨脹），從而造成體積轉變的不等時性所產生的內應力。以軸類工件為例，當淬火時，工件從高溫急冷，表面先組織轉變即膨脹，未發生組織轉變的心部將阻礙其膨脹，因而表面受壓心部受拉。由于這時心部溫度較高而且處于奧氏體狀態，塑性較好將發生不均勻的塑性變形使應力松弛。繼續冷卻，心部發生組織轉變并膨脹時，表面形成的彈性外殼將阻礙心部膨脹轉而受壓，表面受拉，形成殘余組織應力。

（3）組織比容差異引起的應力，大型工件由于截面較大，不容易完全淬透，往往只淬透一定深度的表層，這樣就產生了沿截面上組織比容差異引起的應力。完全淬為馬氏體的層深距表面不過10mm左右，馬氏體消失一般都在25～50mm以內。

由于組織轉變的比容不同，以及在隨后冷卻過程中殘余奧氏體的分解，便形成了表面馬氏體層受壓，心部受拉的殘余應力。

大型工件淬火后的殘余應力是以上三種應力的疊加，淬火應力屬于熱應力型的，最大淬火拉應力峰值位于圓形截面的中心區或壁厚的1/2處。

由于以上幾種應力的存在和相互作用，大型皮帶機主軸很容易出現彎曲變形，甚至斷裂、內裂等現象。

1.2 淬火后回火

工件淬火后，一般要進行回火處理，回火加熱的升溫速度控制也相當重要。因為截面大的工件，表面先受熱膨脹，心部仍是受熱慢不膨脹，這時工件又處于低溫彈性狀態，因此加熱時內外溫差形成的應力仍是表面受壓，心部受拉的熱應力。與淬火時的殘余應力正好疊加，故此時最易使工件形成開裂，易引起工件變形。

實踐證明，在我們遇到的熱應力型內裂、斷裂、變形嚴重等現象，在探傷檢測過程中未發現嚴重缺陷的，主要是由于淬火操作不當或回火不及時，致使工件中殘余應力過大所致。

2 大型皮帶機主軸熱應力問題的預防

熱應力型內裂、斷裂、變形嚴重等現象產生的主要原因是工件淬火時的殘余應力，材料中的缺陷是引起以上問題的輔助原因。為了預防內裂、斷裂及嚴重變形現象，主要應從降低心部拉應力和提高材料破斷抗力兩方面加以考慮。

（1）適當降低淬火溫度；降低淬火溫度可以減小熱應力，對防止內裂、斷裂、變形嚴重有利。因為淬火溫度越高，熱應力越大，同時，加熱溫度過高也會使奧氏體晶粒粗化，使材料強度變低。工件出爐后淬火前適當預冷，對解決以上問題有利。

（2）淬火時注意工件的均勻冷卻；工件在淬火冷卻時注意開啟循環水（油）泵，使工件在淬火介質中上下緩慢移動，均勻冷卻。

（3）工件及時回火處理；工件淬火后不及時回火將導致殘余應力加劇，并隨時間的延長，表層的殘余奧氏體繼續分解，進一步加劇了內部的拉應力。因此，大型皮帶機主軸要及時回火。

（4）控制加熱升溫速度；控制加熱升溫速度十分重要，快速加熱會導致內外溫差加劇，熱應力增大。特別是含碳與合金元素高的大型工件，低溫階段的升溫速度要嚴加控制。一般來說，大型工件實行分段加熱，使工件外部與心部加熱均勻、同步，在350℃～450℃之間和在600℃～680℃之間工件心部和表面溫差最大，有時可能達到400℃溫差，所以一般在450℃和650℃下保溫來減小溫差，并且，在低溫階段的升溫速度要控制在30℃～70℃/之間。回火加熱時，因工件有很大的殘余應力。升溫時更要注意。

（5）減少材料中的缺陷；提高材料本身的強度對防止淬裂、變形也起著重要的作用，為了提高材料本身的強度，我廠對大型皮帶機主軸在調質之前先進行一次正火處理，以便細化晶粒，減少組織缺陷，提高材料強度。

參考文獻

[1] 安繼儒，劉耀恒，等.熱處理工藝規范手冊[M].

[2] 夏立芳.熱處理工藝學[M].endprint

摘要：皮帶機主傳動軸是皮帶機中性能要求較高的零件，在工作過程中要承受復雜載荷如扭轉、彎曲、拉壓、沖擊等作用，主軸的良好性能是保證皮帶機正常運轉的主要條件之一。文章通過對皮帶機工藝處理過程中，淬火加熱時的應力及材料回火的應力兩方面分析，找出產生質量問題的原因，并制定出相應的質量控制措施。

關鍵詞：皮帶機主軸；質量控制；淬火回火

中圖分類號：TD235 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）16-0085-02

皮帶機一直以來都是我廠主打產品之一，近年來，我廠承接了一大批大型皮帶機生產任務。在這些大型皮帶機上其主要傳動軸直徑普遍超過300mm，長度超過3000mm，在對此類主軸質量的控制中，我廠通過多次的探索總結了一些實用的方法。

皮帶機主軸屬于傳動件，在工作過程中要承受復雜載荷（如扭轉、彎曲、拉壓、沖擊等）的作用，并經受強烈摩擦，是皮帶機中性能要求較高的零件。因此，必須對該軸的機械性能進行強化處理，即調質熱處理。調質能使零件獲得良好的綜合力學性能，能夠提高零件的強度、塑性和韌性。

由于皮帶機主軸的直徑較大，長度較長，在調質淬火時表面與心部冷卻速度冷卻順序和冷卻速度的差異，使表面和心部存在溫度和組織差異，產生了熱應力和組織壓力。如果主軸內部存有少許組織缺陷，很容易造成淬火斷裂和彎曲變形，一旦造成斷裂或嚴重彎曲變形，帶來的后果一方面是工件報廢，給生產帶來重大損失，另一方面如果出現隱性內裂現象，可能會存在巨大安全隱患，甚至造成機毀人亡的事故。因此必須對大型皮帶機主軸熱處理的質量控制。

1 產生質量問題的原因分析

從材料學的觀點看，工件之所以產生裂紋、斷裂和彎曲變形現象除了工件材質存在雜質、氣孔、組織不均勻等缺陷外，主要由于材料所承受的應力超過了材料本身的破斷抗力。因此，我們從熱處理淬火加熱時的應力及材料回火的應力兩方面分析：

1.1 淬火應力

大型工件熱處理淬火過程中的應力主要由熱應力、組織應力及由于截面上轉變組織比容不同引起的應力。

（1）熱應力是在熱處理過程中，工件表面和中心由于加熱或冷卻速度不一，導致體積膨脹不均勻而產生的內應力。對于大型軸類工件，從高溫快速冷卻時表面冷卻得快，心部冷卻得慢，內外存在較大的溫差。由于表面先冷必然收縮，而心部有較高溫度比熱阻止其收縮，即心部使表面受拉，表面對心部產生壓力。但是，鋼在高溫塑性階段屈服強度低，塑性變形后應力將得到松弛，當外部先進入彈性階段形成冷硬外殼后，將對心部收縮產生阻礙作用。這時工件中的熱應力將發生改變，表面由原來的受拉轉變為受壓，心部則由受壓轉變為受拉，而且隨著冷卻的繼續進行不斷增大，于是形成了殘余熱應力。

（2）組織應力是鋼在淬火冷卻時，由于表面冷卻的快先發生組織轉變（膨脹），中心或冷卻較慢的部分后發生組織轉變（亦膨脹），從而造成體積轉變的不等時性所產生的內應力。以軸類工件為例，當淬火時，工件從高溫急冷，表面先組織轉變即膨脹，未發生組織轉變的心部將阻礙其膨脹，因而表面受壓心部受拉。由于這時心部溫度較高而且處于奧氏體狀態，塑性較好將發生不均勻的塑性變形使應力松弛。繼續冷卻，心部發生組織轉變并膨脹時，表面形成的彈性外殼將阻礙心部膨脹轉而受壓，表面受拉，形成殘余組織應力。

（3）組織比容差異引起的應力，大型工件由于截面較大，不容易完全淬透，往往只淬透一定深度的表層，這樣就產生了沿截面上組織比容差異引起的應力。完全淬為馬氏體的層深距表面不過10mm左右，馬氏體消失一般都在25～50mm以內。

由于組織轉變的比容不同，以及在隨后冷卻過程中殘余奧氏體的分解，便形成了表面馬氏體層受壓，心部受拉的殘余應力。

大型工件淬火后的殘余應力是以上三種應力的疊加，淬火應力屬于熱應力型的，最大淬火拉應力峰值位于圓形截面的中心區或壁厚的1/2處。

由于以上幾種應力的存在和相互作用，大型皮帶機主軸很容易出現彎曲變形，甚至斷裂、內裂等現象。

1.2 淬火后回火

工件淬火后，一般要進行回火處理，回火加熱的升溫速度控制也相當重要。因為截面大的工件，表面先受熱膨脹，心部仍是受熱慢不膨脹，這時工件又處于低溫彈性狀態，因此加熱時內外溫差形成的應力仍是表面受壓，心部受拉的熱應力。與淬火時的殘余應力正好疊加，故此時最易使工件形成開裂，易引起工件變形。

實踐證明，在我們遇到的熱應力型內裂、斷裂、變形嚴重等現象，在探傷檢測過程中未發現嚴重缺陷的，主要是由于淬火操作不當或回火不及時，致使工件中殘余應力過大所致。

2 大型皮帶機主軸熱應力問題的預防

熱應力型內裂、斷裂、變形嚴重等現象產生的主要原因是工件淬火時的殘余應力，材料中的缺陷是引起以上問題的輔助原因。為了預防內裂、斷裂及嚴重變形現象，主要應從降低心部拉應力和提高材料破斷抗力兩方面加以考慮。

（1）適當降低淬火溫度；降低淬火溫度可以減小熱應力，對防止內裂、斷裂、變形嚴重有利。因為淬火溫度越高，熱應力越大，同時，加熱溫度過高也會使奧氏體晶粒粗化，使材料強度變低。工件出爐后淬火前適當預冷，對解決以上問題有利。

（2）淬火時注意工件的均勻冷卻；工件在淬火冷卻時注意開啟循環水（油）泵，使工件在淬火介質中上下緩慢移動，均勻冷卻。

（3）工件及時回火處理；工件淬火后不及時回火將導致殘余應力加劇，并隨時間的延長，表層的殘余奧氏體繼續分解，進一步加劇了內部的拉應力。因此，大型皮帶機主軸要及時回火。

（4）控制加熱升溫速度；控制加熱升溫速度十分重要，快速加熱會導致內外溫差加劇，熱應力增大。特別是含碳與合金元素高的大型工件，低溫階段的升溫速度要嚴加控制。一般來說，大型工件實行分段加熱，使工件外部與心部加熱均勻、同步，在350℃～450℃之間和在600℃～680℃之間工件心部和表面溫差最大，有時可能達到400℃溫差，所以一般在450℃和650℃下保溫來減小溫差，并且，在低溫階段的升溫速度要控制在30℃～70℃/之間。回火加熱時，因工件有很大的殘余應力。升溫時更要注意。

（5）減少材料中的缺陷；提高材料本身的強度對防止淬裂、變形也起著重要的作用，為了提高材料本身的強度，我廠對大型皮帶機主軸在調質之前先進行一次正火處理，以便細化晶粒，減少組織缺陷，提高材料強度。

參考文獻

[1] 安繼儒，劉耀恒，等.熱處理工藝規范手冊[M].

[2] 夏立芳.熱處理工藝學[M].endprint

摘要：皮帶機主傳動軸是皮帶機中性能要求較高的零件，在工作過程中要承受復雜載荷如扭轉、彎曲、拉壓、沖擊等作用，主軸的良好性能是保證皮帶機正常運轉的主要條件之一。文章通過對皮帶機工藝處理過程中，淬火加熱時的應力及材料回火的應力兩方面分析，找出產生質量問題的原因，并制定出相應的質量控制措施。

關鍵詞：皮帶機主軸；質量控制；淬火回火

中圖分類號：TD235 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）16-0085-02

皮帶機一直以來都是我廠主打產品之一，近年來，我廠承接了一大批大型皮帶機生產任務。在這些大型皮帶機上其主要傳動軸直徑普遍超過300mm，長度超過3000mm，在對此類主軸質量的控制中，我廠通過多次的探索總結了一些實用的方法。

皮帶機主軸屬于傳動件，在工作過程中要承受復雜載荷（如扭轉、彎曲、拉壓、沖擊等）的作用，并經受強烈摩擦，是皮帶機中性能要求較高的零件。因此，必須對該軸的機械性能進行強化處理，即調質熱處理。調質能使零件獲得良好的綜合力學性能，能夠提高零件的強度、塑性和韌性。

由于皮帶機主軸的直徑較大，長度較長，在調質淬火時表面與心部冷卻速度冷卻順序和冷卻速度的差異，使表面和心部存在溫度和組織差異，產生了熱應力和組織壓力。如果主軸內部存有少許組織缺陷，很容易造成淬火斷裂和彎曲變形，一旦造成斷裂或嚴重彎曲變形，帶來的后果一方面是工件報廢，給生產帶來重大損失，另一方面如果出現隱性內裂現象，可能會存在巨大安全隱患，甚至造成機毀人亡的事故。因此必須對大型皮帶機主軸熱處理的質量控制。

1 產生質量問題的原因分析

從材料學的觀點看，工件之所以產生裂紋、斷裂和彎曲變形現象除了工件材質存在雜質、氣孔、組織不均勻等缺陷外，主要由于材料所承受的應力超過了材料本身的破斷抗力。因此，我們從熱處理淬火加熱時的應力及材料回火的應力兩方面分析：

1.1 淬火應力

大型工件熱處理淬火過程中的應力主要由熱應力、組織應力及由于截面上轉變組織比容不同引起的應力。

（1）熱應力是在熱處理過程中，工件表面和中心由于加熱或冷卻速度不一，導致體積膨脹不均勻而產生的內應力。對于大型軸類工件，從高溫快速冷卻時表面冷卻得快，心部冷卻得慢，內外存在較大的溫差。由于表面先冷必然收縮，而心部有較高溫度比熱阻止其收縮，即心部使表面受拉，表面對心部產生壓力。但是，鋼在高溫塑性階段屈服強度低，塑性變形后應力將得到松弛，當外部先進入彈性階段形成冷硬外殼后，將對心部收縮產生阻礙作用。這時工件中的熱應力將發生改變，表面由原來的受拉轉變為受壓，心部則由受壓轉變為受拉，而且隨著冷卻的繼續進行不斷增大，于是形成了殘余熱應力。

（2）組織應力是鋼在淬火冷卻時，由于表面冷卻的快先發生組織轉變（膨脹），中心或冷卻較慢的部分后發生組織轉變（亦膨脹），從而造成體積轉變的不等時性所產生的內應力。以軸類工件為例，當淬火時，工件從高溫急冷，表面先組織轉變即膨脹，未發生組織轉變的心部將阻礙其膨脹，因而表面受壓心部受拉。由于這時心部溫度較高而且處于奧氏體狀態，塑性較好將發生不均勻的塑性變形使應力松弛。繼續冷卻，心部發生組織轉變并膨脹時，表面形成的彈性外殼將阻礙心部膨脹轉而受壓，表面受拉，形成殘余組織應力。

（3）組織比容差異引起的應力，大型工件由于截面較大，不容易完全淬透，往往只淬透一定深度的表層，這樣就產生了沿截面上組織比容差異引起的應力。完全淬為馬氏體的層深距表面不過10mm左右，馬氏體消失一般都在25～50mm以內。

由于組織轉變的比容不同，以及在隨后冷卻過程中殘余奧氏體的分解，便形成了表面馬氏體層受壓，心部受拉的殘余應力。

大型工件淬火后的殘余應力是以上三種應力的疊加，淬火應力屬于熱應力型的，最大淬火拉應力峰值位于圓形截面的中心區或壁厚的1/2處。

由于以上幾種應力的存在和相互作用，大型皮帶機主軸很容易出現彎曲變形，甚至斷裂、內裂等現象。

1.2 淬火后回火

工件淬火后，一般要進行回火處理，回火加熱的升溫速度控制也相當重要。因為截面大的工件，表面先受熱膨脹，心部仍是受熱慢不膨脹，這時工件又處于低溫彈性狀態，因此加熱時內外溫差形成的應力仍是表面受壓，心部受拉的熱應力。與淬火時的殘余應力正好疊加，故此時最易使工件形成開裂，易引起工件變形。

實踐證明，在我們遇到的熱應力型內裂、斷裂、變形嚴重等現象，在探傷檢測過程中未發現嚴重缺陷的，主要是由于淬火操作不當或回火不及時，致使工件中殘余應力過大所致。

2 大型皮帶機主軸熱應力問題的預防

熱應力型內裂、斷裂、變形嚴重等現象產生的主要原因是工件淬火時的殘余應力，材料中的缺陷是引起以上問題的輔助原因。為了預防內裂、斷裂及嚴重變形現象，主要應從降低心部拉應力和提高材料破斷抗力兩方面加以考慮。

（1）適當降低淬火溫度；降低淬火溫度可以減小熱應力，對防止內裂、斷裂、變形嚴重有利。因為淬火溫度越高，熱應力越大，同時，加熱溫度過高也會使奧氏體晶粒粗化，使材料強度變低。工件出爐后淬火前適當預冷，對解決以上問題有利。

（2）淬火時注意工件的均勻冷卻；工件在淬火冷卻時注意開啟循環水（油）泵，使工件在淬火介質中上下緩慢移動，均勻冷卻。

（3）工件及時回火處理；工件淬火后不及時回火將導致殘余應力加劇，并隨時間的延長，表層的殘余奧氏體繼續分解，進一步加劇了內部的拉應力。因此，大型皮帶機主軸要及時回火。

（4）控制加熱升溫速度；控制加熱升溫速度十分重要，快速加熱會導致內外溫差加劇，熱應力增大。特別是含碳與合金元素高的大型工件，低溫階段的升溫速度要嚴加控制。一般來說，大型工件實行分段加熱，使工件外部與心部加熱均勻、同步，在350℃～450℃之間和在600℃～680℃之間工件心部和表面溫差最大，有時可能達到400℃溫差，所以一般在450℃和650℃下保溫來減小溫差，并且，在低溫階段的升溫速度要控制在30℃～70℃/之間。回火加熱時，因工件有很大的殘余應力。升溫時更要注意。

（5）減少材料中的缺陷；提高材料本身的強度對防止淬裂、變形也起著重要的作用，為了提高材料本身的強度，我廠對大型皮帶機主軸在調質之前先進行一次正火處理，以便細化晶粒，減少組織缺陷，提高材料強度。

參考文獻

[1] 安繼儒，劉耀恒，等.熱處理工藝規范手冊[M].

[2] 夏立芳.熱處理工藝學[M].endprint