軸類零件熱處理的影響因素及改進

方建華

上饒中材機械有限公司 江西上饒 334100

1 軸類零件熱處理現狀和存在的問題

我廠熟料槽式輸送機設備的運行主要是由電動機連接減速機帶動頭部主軸旋轉，然后由安裝在主軸上的齒圈嚙合鏈條從而實現設備的整體運轉。而頭部主軸普遍安裝在高達數十米的水泥熟料庫頂端，所以主軸即要承載旋轉時的扭矩、又要承載大部分主機設備的重量和拉力以及水泥熟料的重量。因此，對主軸的力學性能要求是很高的。而影響力學性能的主要因素有材料的化學成分、金相組織結構、殘余應力和內部缺陷的，其中后三者主要取決于熱處理工藝。我廠頭部主軸所用材質為40Cr鍛鋼棒料，其熱處理工藝為調質處理（即淬火加高溫回火），硬度要求為HB241-286。在日常的熱處理生產過程中，偶爾會出現軸端開裂和從軸肩處齊整斷裂的情況。不僅產生了材料、電能和人工的浪費，還耽誤了生產的進度。

連接銷軸是模鍛鏈條的重要組成零部件，其力學性能決定了模鍛鏈條的使用壽命。我廠對連接銷軸進行熱處理主要是先使用箱式爐進行調質處理，在精加工完成后上專用中頻淬火機床進行表面淬火。表面淬火主要是使其獲得一定的硬度（技術要求HRC55-60），使表面具有耐磨性能。而調質處理主要是使其芯部本體具有一定的韌性，使模鍛鏈條能承受較大的拉伸能力。在日常檢測鏈條的拉伸破斷能力時，就曾出現試驗載荷未達到技術要求時就破斷的現象，而破斷正是連接銷軸。經過對破斷的連接銷軸進行檢測，其芯部硬度低于技術要求。在日常的熱處理過程中，連接銷軸調質硬度抽檢合格率低于70%，且不合格件主要集中在靠近熱處理筐底部2-3層的中心部位，具有一定的規律性。

2 影響主軸熱處理開裂的因素分析和改進

主軸的開裂主要發生在最先接觸淬火油的軸端，而主軸的斷裂則主要發生在尖銳的軸肩處。鋼件進行淬火時，在冷卻的過程中，奧氏體向馬氏體的轉變會使內部產生組織應力，而組織應力會在鋼件表面產生拉應力[1]。鋼件表面在拉應力的作用下，就有開裂的危險。鋼件的淬火裂紋的形成傾向與鋼件的尺寸和形狀等設計結構特點有一定的關系。生產實踐表明，具有截面急劇變化的工件或者有尖銳槽口的工件，在淬火冷卻時這些部位會淬火時大的應力集中，都易于產生淬火裂紋。我廠的主軸粗車件就具有截面急劇變化和尖銳槽口的工件，開裂和斷裂恰恰就發生在這些部位。因此，對主軸粗車件的外形進行了改進，將有尖銳棱角的軸端面和軸肩改為R圓角進行過渡（如圖1所示），避免應力集中，從而避免開裂。

除了鋼件截面急劇變化和尖銳的槽口會導致應力的產生外，鋼件在切削的加工過程中，也會產生很大的內應力，并且切削加工選用的切削用量越大，產生的內應力也愈大。這種機械加工造成的殘余內應力，如果不經過去除，在淬火加熱過程中，有可能與加熱速度過快產生的內應力發生疊加而導致開裂。要消除這種應力狀態，則需要合理選擇粗車時的吃刀量以及進給量。因此，我們規范了主軸粗車時的工藝要求[2]。

3 影響連接銷軸熱處理硬度不合格的因素分析和改進

連接銷軸的外形尺寸為?50mm×175mm，對其進行熱處理時裝入專用的熱處理框里在箱式爐內進行調質處理，一爐擺兩筐，每筐擺放7層（工件在熱處理框內的擺放方式為：同層錯位、相鄰層垂直交叉），每層擺放約50件，共700余件。硬度不合格的工件主要分布在熱處理筐中心底部1-3層，約60余件，硬度均低于HB240。分析其原因，主要是分布在熱處理筐中心底部的工件在爐內受熱條件比較差，在規定的時間難以達到組織轉變所需的溫度[3]。在淬火冷卻時該部位的冷卻介質的溫度也都比外部的溫度要高，使其難以淬上硬度，也難以淬硬到符合技術要求的深度。

圖1 主軸粗車件外形改進圖

為了改變熱處理筐中心靠近底部1-3層在爐內的受熱條件，以及在冷卻池內的冷卻條件，對工件在框內的擺放方式進行了改進，即將位于熱處理筐中心上部的工件抽出，保留底部兩層中心部位的工件（如圖2所示），使熱處理筐中心打開了一條溫度傳入的通道，使爐溫能加熱到位于熱處理筐中心的工件至組織轉變所需的溫度，也使冷卻介質能夠快速的進入熱處理筐中心，將該處的工件及時冷卻，使其達到淬火硬度，并能使其淬硬到一定的深度，提高淬透性。自從作出該項改進后，使連接銷軸的熱處理合格率達到了100%。

圖2 連接銷軸擺筐改進圖

5 結語

機加工件尖銳的棱角是截面突變最嚴重的部位，也是應力集中最容易產生的部位，在經過高溫急冷后極易造成尖銳棱角處的開裂。將尖銳棱角改為R圓角后，不僅能避免開裂，還能使主軸可一次性浸入淬火油池內，使其獲得更好的淬火組織，提高主軸的整體機械性能，從而提高主機設備的使用性能。連接銷軸從熱處理擺筐結構做出細微改進，就使其熱處理合格率上升至100%。以上兩種軸類零件熱處理工藝細小的改進，均提高了產品的合格率，消除了不合品，避免了材料的浪費和返工費用的投入。為企業節能降耗、提升效益起到一定積極的作用。