1、驱动轮轴热处理工艺设计西安航空职业技术学院毕 业 设 计（论 文）论文题目： 驱动轮轴热处理工艺设计所属系部： 航空材料工程学院指导老师： 职 称：学生姓名： 班级、学号:12806218 专 业： 金属材料与热处理技术西安航空职业技术学院制年 月 日 1. 前言.42 驱动轴材料与热处理工艺概况.52.1 驱动轴的简介.52.2 拖拉机驱动轴的服役条件和失效形式.62.3 拖拉机驱动轴的性能要求.72.4 驱动轴热处理工艺概况.73 35CrMo的基本性质.83.1 35CrMo的化学成分及力学性能.83.2 合金元素的作用. .93.2.1 35CrMo刚中硅元素的作用.93.2.2 35
2、CrMo刚中铬元素的作用.93.2.3 35CrMo刚中锰元素的作用.103.3 组织转变及淬透性. 114. 拖拉机驱动轴生产工艺路线及分析.134.1 拖拉机驱动轴的选材.134.2 35CrMo热处理工艺性.134.3 35CrMo拖拉机驱动轴工艺路线热处理方案分析.134.4 热处理工艺的确定.164.5 热处理常见的缺陷及防护措施.174.5.1 氧化和脱碳.174.5.2 过热和过烧.184.5.3 淬火硬度不够.184.5.4 变形和开裂.194.5.回火缺陷.204.6 热处理工艺及曲线图.214.6.1 正火工艺的制定.214.6.2 淬火工艺的制定.214.6.3 回火工艺
3、的制定.224.7 金相分析.234.7.1 正火热处理的金相分析.234.7.2 调原始组织为热处理的金相组织.245 质量检验.245.1 检验项目.245.1.1 硬度.255.1.2 变形.255.1.3 外观.255.2 评定标准.25设计总结.31致谢.32参考文献.331 前言本毕业设计是在材料科学基础热处理原理热处理工艺和金属材料学等课程学习的基础上并且结合本人在校期间学校组织的实习经历，是理论与实际相结合所完成的。通过本次毕业课程设计，可使自己在综合运用化学专业基础和专业知识能力方面得到训练，学习独立分析问题和解决问题的方法，提高工程意识和工程设计能力。现在工业的迅速发展对机
4、械零部件，驱动轴等提出的要求愈来愈高。热处理不仅对锻造机械加工的顺序进行和保证加工效果超着重要作用，而且在改善或消除加工后的缺陷，提高工件使用寿命的方面起着重要作用。为获得理想的组织与性能，保证零件在生产过程中的质量稳定性和使用寿命，就必须从工件的特点、要求和技术条件入手，认真分析产品在使用过程中的受力状况和可能的失效形式，正确的选择材料，再根据生产规模，现场条件，热处理设备提出几种可行的热处理方案，最后根据其经济性，质量稳定性和便于管理，降低成本等因素，确定出一种最佳方案。热处理工艺设计是整个机械加工过程中的一个重要环节，他与工件设计及其他加工工艺间存在密切关系。如何实现工件设计时提出的几何
5、形状和加工精度，满足设计时所需要的各种性能指标，热处理工艺制定的合理与否，有着至关重要的作用。2 驱动轴材料与热处理概况2.1驱动轴的简介 驱动轴是传动系统的一个重要组成部分，它是用来将差速器半轴齿轮输出的动力传给驱动轮或轮边减速器，对于采用非独立式旋架的驱动桥，根据其驱动轴内端与外端的手里状况，一般又分为全浮式驱动轴、四分之三浮式驱动轴与半浮式驱动轴三种。 驱动轴内端以花键连接着驱动轴齿轮，驱动轴齿轮在工作时只将扭矩传给驱动轴，因而，驱动轴内端只受扭矩而不受弯曲力矩。驱动轴是拖拉机的轴类零件中承受扭矩最大的零件，为了满足驱动轴的强度要求。多年来，世界各国除了用各种各样的计算方法外，还在材料选
6、择、毛坯成型、机械加工和热处理等方面进行着不懈的努力。 驱动轴齿轮广泛用于汽车、拖拉机等一切行走机械的差速器中，应用面广，需求量大。驱动轴已普遍采用精密模锻工艺生产。其工艺流程是：下料加热粗锻切飞边精锻切飞边表面清理钻孔、车大端面车孔、齐端面拉花键热处理磨大端面和内孔。 感应加热表面淬火亦感应淬火，由于它的加热速度和却速度都很快，使零件的表面至心部有着巨大的温度梯度，而且淬火后零件由表及里存在着激烈的组织变化，这些特点决定它有着特殊的残余压应力形态。一般说，轴类零件感应淬火后，表面层存在残余压应力，次表层和淬火区域存在残余拉应力。残余拉应力的合理分布，能够大大提高零件强度，特别是疲劳强度。驱动
7、轴的合理用料，合理选择淬火层的深度及其分布，将大大提高驱动轴的使用寿命。2.2 拖拉机驱动轴的服役条件和失效形式 拖拉机驱动轴是重要的传力部件，不仅要传递来自发动机的扭矩，还要承受车轮上作用的垂直力、侧向力及牵引力所形成的纵向力，使拖拉机易损部件之一。 失效形式主要是由于扭转力矩作用，工作时频繁启动、变速、反向、路面颠簸和部分磨损而引起的疲劳破坏，断裂位置主要集中于轴杆部或花键根部。2.3 拖拉机驱动轴的性能要求 拖拉机驱动轴是传递扭矩的重要部件，要求材料有足够的抗弯强度、疲劳强度和较好的韧性，耐磨性，具有合理的最佳静扭强度和抗扭转疲劳性能，要求其轴颈部硬度为4852HRC，盘部外圆硬度为34
8、49HRC，花键部位硬度4652HRC。2.4 驱动轴热处理工艺概况 推荐采用预调质处理后表面中频淬火处理工艺，预调质处理后心部硬度为2836HRC；中频淬火处理后杆部表面硬度不允许低于52HRC；，杆部硬化层深度范围为杆部直径的1020%，硬化层深度变化不大于杆部直径的5%，杆部圆角应淬硬，法兰盘硬度不低于44HRC。在保证驱动轴性能指标要求条件下，也允许采用其它热处理工艺，如正火处理后表面中频淬火工艺。 感应淬火后驱动轴的金相组织为：1.预调质处理后表面中频淬火处理，硬化层为回火马氏体，心部为回火索氏体：2.正火处理后表面中频淬火处理，硬化层为回火马氏体，心部为珠光体加铁素体。3 35Cr
9、Mo的基本性质3.1 35CrMo的化学成分及力学性能化学成分： 碳的含量为0.370.44% 钼的含量为0.150.25% 锰的含量为0.400.70% 铬的含量为0.801.10%力学性能： 退火硬度：小于207HBS 正火硬度：小于250HBS 调制处理：试样直径为59mm, 850淬火加热油淬 520回火后，抗拉强度为980兆帕，屈服点为785兆帕，断面收缩率为45%，冲击吸收功为47J,冲击韧性为588.3千焦/平方米.特性：调质后，有良好的综合性能，低温冲击性良好，缺口敏感性较低，有好的淬透性，正火调质后加工性能良好。但是焊接性能不佳，容易产生裂纹，焊接之前要预热到100150。应
10、用举例：较重要的调质件如汽车转向螺杆，连杆螺栓，进气阀，齿轮等。3.2 合金元素的作用3.2.1 35CrMo钢中硅元素的作用有利于体心立方的铁素体组织的形成，在钢中不形成碳化物，在周期表中处于铁左边，主要固溶于铁中。其对碳在奥氏体中的扩散系数影响不大，对奥氏体形成速度无甚影响，可升高A1点，相对的减缓了奥氏体的形成速度。对加热时奥氏体晶粒大小稍有阻碍或不起作用，可推迟珠光体相变使C曲线右移，使C曲线上的鼻子移向高温区域，使Ms点降低，提高过冷奥氏体的稳定性，从而降低淬火临界冷却速度，提高钢的淬透性。可显著地减慢马氏体在较低温度的分解，但不减慢在400500回火时马氏体的分解，显著阻碍碳化物的
11、聚集，阻碍钢在回火时消除各类畸变的作用，而且一般都推迟了淬火钢相的回复、再结晶和碳化物聚集过程，从而抑制了钢的硬度、强度的降低，增强了钢的回火稳定性。可提高相的再结晶温度，可使钢回火脆性显著增强，可改变钢的各相组织，增加珠光体数量。主要目的是增大钢的淬透性，全部淬透零件在高温回火后可获得高而均匀的综合力学性能，特别是高的屈强比，显著强化铁素体，比在一定范围内还能提高钢的韧性。3.2.2 35CrMo钢中铬元素的作用可封闭相区的元素，含量达到一定量时，相区被封闭，即使相图上的区域收缩成一个很小的范围，超过此含量合金发生到相变，有利于体心立方的铁素体组织的形成。在钢中可形成碳化物，其为过渡过度族元
12、素，在周期表中位于铁的左边，可降低钢的共析点含碳量以及碳在中的最大固溶度，大量加入可使相区消失，得到全部铁素体组织。是强化物形成元素，降低碳在奥氏体中的扩散系数，因而大大推迟了珠光体向奥氏体转变过程，在钢中由于形成的特殊碳化物不易溶解，将使奥氏体形成速度减慢，可升高A1点，相对的减缓了奥氏体的形成速度。显著的将相的再结晶温度推向高温，使钢中明显出现回火脆性，强烈的阻止马氏体分解的进一步发展，可改变钢的各相组织，增加珠光体数量。增大钢的淬透性，全部淬透零件在高温回火后可获得高而均匀的综合力学性能，特别是高的屈强比，显著强化铁素体，比在一定范围内还能提高钢的韧性。如果形成难溶解的特殊碳化物，则在加
13、热时，如果保温时间不足，将会得到成分极不均匀的奥氏体。对加热时奥氏体晶粒大小有中等阻碍作用，可推迟珠光体相变，使Ms点降低，提高过冷奥氏体的稳定性，从而降低淬火临界冷却速度，提高钢的淬透性。显著阻碍碳化物的聚集，阻碍钢在回火时消除各类畸变的作用，而且一般都推迟了淬火钢相的回复、再结晶和碳化物聚集过程，从而抑制了钢的硬度、强度的降低，增强了钢的回火稳定性。3.2.3 35CrMo钢中锰元素的作用可开启相区，如果达到一定数量，便可完全抑制相区的出现，而代之以相，因此如果r区域淬火至室温就很容易获得奥氏体。可提高相的再结晶温度，使钢中明显出现回火脆性，可改变钢的各相组织，增加珠光体数量。在钢中可形成
14、碳化物，其为过渡过度族元素，在周期表中位于铁的左边，可降低A3和A1，大量加入后甚至可以使A3降到室温以下，则钢在室温下仍具有奥氏体组织，可改变工析转变温度，降低A1点相对来说增加了过热度，也就增大了奥氏体的形成速度，可使珠光体细化，有利于奥氏体形成，对加热时奥氏体晶粒大小则有助。可推迟珠光体相变，使Ms点降低，提高过冷奥氏体的稳定性，从而降低淬火临界冷却速度，提高钢的淬透性。为了增大钢的淬透性，全部淬透零件在高温回火后可获得高而均匀的综合力学性能，特别是高的屈强比，显著强化铁素体，比在一定范围内还能提高钢的韧性。3.3 组织转变及淬透性 35CrMo是调质钢，用于制造在重载荷作用下同时又受冲
15、击载荷作用的一些重要零件，要求零件具有高强度、高韧性相结合的良好的综合力学性能。抗拉强度和屈服强度比相应的碳钢高约20%，并有良好的淬透性，切削性好，调质钢在热加工后，必须经过预备热处理降低硬度，以利于切削加工，预备热处理还可以消除热加工缺陷，改善组织为淬火做好准备。对合金含量较低的钢，可采用正火或完全退火，高温回火可使正火处理得到的马氏体转变为粒状珠光体。最终热处理为调质，碳钢淬火温度为Ac3+(3050)，合金钢可适当提高淬火温度，回火温度为500650，具体回火温度按硬度取，要求强度高的选下限。 合金调质钢有较大高温回脆倾向，为防止高温脆性发生，高温回火后要采用水冷或油冷，对于大锻件体要
16、采用合金化方法防止回脆。调质钢不一定都进行调质处理，因为回火索氏体组织不能充分发挥碳提高钢的强度方面的潜力，所以当零件以提高强度和疲劳强度为主要目的时，可采用淬火加低温回火代替调质。将一类回火脆性的温度提高。 低合金超高强度结构钢和合金调质钢经淬火加低温回火后，其韧性与碳的质量分数有关。低合金高强度钢当碳的质量分数超过0.3%，虽然，随着碳的质量分数的增高强度持续增高，但钢的韧性特别是断裂韧度显著下降。 4. 拖拉机驱动轴生产工艺路线及分析驱动轮轴示意图插入： 驱动轮轴示意图 4.1 拖拉机驱动轴的选材 按照驱动轴对材料力学性能的要求，驱动轴常用材料是中碳钢或中碳合金钢，如45、35CrMo、
17、40MnB、35CrMoMnMo等。具体选用何种钢号，应根据驱动轴承受负载的大小，驱动轴杆部的直径和淬硬层深度的要求来确定。通常是轻型车、尺寸较小的驱动轴选用中碳钢；重型车、尺寸较大和工作应力大的驱动轴选用淬透性和强韧性较好的合金钢。对于主要承受扭转载荷的轴类零件，钢的淬透性以保证轴的直径的1/2处能淬火为最佳。驱动轴材料依据其工作条件选用，中型重车选用35CrMo，重型载重车选用35CrMoMnMo。拖拉机为中型重车，故选用35CrMo。4.2 35CrMo热处理工艺特性.(1)预备热处理 调至钢经加热后，必须经过预备热处理来降低硬度，便于切削加工，消除热加工时造成的组织缺陷。对于35CrM
18、o钢而言可进行正火或退火处理。(2)最终热处理 调质钢的最终热处理是淬火加高温回火。一般可以采用较慢的冷却速度淬火，可以用油淬避免热处理缺陷。当强度较高时，采用较低的回火温度，反之选用较高的回火温度。4.3 35CrMo拖拉机驱动轴工艺路线及热处理方案分析 （1）工艺路线为：锻造毛坯调质加工成形59圆柱面与花键两处高频淬火。 该工艺方案的优点：工艺简单，特别是调质工艺，因为调质后再进行机械加工，无须考虑氧化脱碳问题。 该工艺方案的缺点是：加工余量大，浪费材料，调质效果不好。该种钢油淬时临界直径大于55mm（加上加工余量），根据该种钢的端淬曲线可以推知，即使在表面也得不到半马氏体区，实际上只能得
19、到网状铁素体及细片状珠光体组织。花键与锥度交界处恰好是花键高频淬火的过渡区（热影响区），此处的强度比未经表面淬火的还差，而又是应力集中的危险断面。 （2）工艺路线为：锻造荒车及钻23孔（应留加工余量，以备扩孔成23）调质加工成形（包括扩23）59圆柱面、锥度及花键部分高频淬火。 该工艺方案的优点是：克服了第一方案的调质效果不良，以及锥度与花键交界危险断面处恰好是高频淬火热影响处的弱点，其使用性能将比第一方案大为改善。 该方案的缺点是：加工余量大、浪费原材料；增加了加工工序和工序间周转，延长了生产周期；对调质工序加热时氧化、脱碳的控制要求较严；高频淬火时，在锥度根部R3圆角处需圆角淬火，为了避免
20、有淬火过渡区，锥度与花键部分应连续淬火，但该两部分尺寸及几何形状不同，故用同一感应圈淬火时，需改变高频淬火工艺参数（至少应改变工件升降速度）操作比较复杂，质量不易稳定。 在设备条件不变的情况下，第二种方案的生产周期比较长，生产成本较高。 （3）改整体结构为组合结构，即把整体分解为法兰盘和花键轴，花键轴为通花键，与法兰盘用花键连接。工艺路线如下： 轴颈法兰盘：锻造调质加工成形（花键孔只加工内孔，键槽未拉）59外圆高频淬火拉削花键孔。 花键轴：棒料钻孔调质加工成形花键中频淬火。 该工艺方案的优点： 省料，再大量生产中花键轴可向钢厂订购管材；调质效果要好，基本上与该种钢的临界直径相适应；感应加热淬火
21、工艺单一，操作方便、质量稳定，因为59外圆高频淬火目的是提高耐磨性，其与法兰盘连接处直径大，应力小，故强度足够。花键采用中频加热，淬硬层深度增加至4.55mm，疲劳强度提高，经2500Hz中频淬火并200低温回火，表面硬度为5355HRC，据测量齿的根部有589736N/mm的压应力，由于是通花键，可以一次连续淬火，没有过渡区。 该工艺方案的缺点是：增加了法兰盘拉削内花键孔的工艺，但省去了锻造拔制锥度及花键部分直径的工序，简化了花键轴的加工。 试验表明，采用第一种工艺方案时，由于强度比较低，当与行星架锥度紧配合比较好时，常在锥度部分与法兰盘连接处发生剪切断他过过渡区的材料剪切强度，驱动轴将在花
22、键根部迅速剪切断裂，寿命更低。 当按第三种方案处理时，与第一种方案处理的比较，疲劳寿命大幅度提高，条件疲劳极限扭矩提高至原来的2.8倍，极限应力幅提高至原来的4.5倍。田间试验500h未发现断裂现象。 可以估计，采用第三种方案，制造成本提高不多，而寿命大幅度提高，总的经济效果是良好的。4.4 热处理工艺的确定 下料锻造正火（预先热处理）粗加工调制59圆柱面、锥度及花键部分高频淬火回火精加工校正检验。工艺说明如下：（1）驱动轴零件经锻造后（35CrMo钢锻造温度始锻温度为1100，终锻温度为800）进行正火处理。（2）正火 为消除锻后组织不均匀（带状组织）、经理粗大和锻造力，改善切削加工行，必须
23、进行预先热处理正火。其工艺是：加热温度为：820870。 工件经加热、保温后冷却，获得均匀的细珠光体组织。正火后的硬度为197207HB，易于切削加工。（3）调质 调质是驱动轴机械加工后的最后热处理。为达到要求性能，调质工艺采用以下措施： a.为了保证回火后驱动轴的力学性能，淬火后再1/4直径处硬度应大于45HRC，淬火组织为半马氏体。为此，应选择较高的淬火加热温度，以提高淬透性。 b.淬火温度为（86010），保温80min。首先是杆部和花键部分先淬入2%的聚乙烯醇水溶液中，水温加热到50左右,待杆部和花键部分在聚乙烯醇水溶液中冷却到本体降到600左右时，立即由溶液中提出，再将工件整体投入油
24、中冷却，温度为6080。这样操作是盘部外圆先不冷却，待盘部外圆在空气中降温，杆部和花键部分在冷却介质中降温。待盘部外圆降至750左右，将工件整体投入油中冷却，这样，解决一个工件要求两种硬度的要求，同时解决法兰盘与杆部相连处易产生开裂的问题，既可保证盘部硬度，又减少变形，避免开裂。 淬火后的金相组织为：杆部为马氏体，盘部为托氏体+马氏体。 c.回火温度是根据零件回火后的硬度要求确定的。驱动轴回火温度定为43010，回火时间为120min。为克服回火脆性，回火后在水中冷却。 经过回火后的金相组织为：回火索氏体和回火屈氏体。 d.调质后再经喷丸处理，使驱动轴表面由于局部塑性变形而增加加压应力，能明显
25、提高驱动轴疲劳寿命。 （4）59外圆高频淬火目的是提高耐磨性，其与法兰盘连接处直径大，应力小，故强度足够。花键采用中频加热，淬硬层深度增加至4.55mm，疲劳强度提高，经2500Hz中频淬火并200低温回火，表面硬度为5355HRC，据测量齿的根部有589736N/mm的压应力，由于是通花键，可以一次连续淬火，没有过渡区。 4.5 热处理常见的缺陷及防护措施4.5.1 氧化和脱碳 氧化时指钢表面的铁被氧化成氧化铁；脱碳是指钢表面的碳分被氧化成CO、CH4等气体，是钢表面的含碳量降低。氧化使工件表面金属烧损，影响工件尺寸和降低表面质量。脱碳时工件表面碳贫化从而导致工件淬火硬度和耐磨性降低。严重的
26、氧化脱碳会造成工件报废。 对需要控制氧化脱碳的工件，可采用下列措施。 a.控制加热温度和加热时间。在保证工件淬火硬度和组织的前提下，尽量采用较低的加热温度，采用最短的加热时间。加热前先经预热，可有效的缩短高温加热时间，减少共建的氧化和脱碳。 b.采用盐浴加热 c.采用保护气氛或可控气氛加热。此外，加热时将工件装如有保护剂的铁箱中或涂以保护涂料，也有一定的防氧化脱碳效果。4.5.2 过热和过烧 加热温度过高，或在高温下加热时间太长，引起奥氏体晶粒粗化，淬火后得到粗针状马氏体的现象，称之为过烧。过热组织增加钢的脆性，容易造成淬火开裂。淬火过热可以返修，返修前需进行一次细化组织的正火或退火，再按正确
27、规范重新加热淬火。 如果加热温度太高，以致奥氏体晶界出现熔化和氧化现象，称为过烧。过烧组织晶粒极为粗大，晶界有氧化物网络，钢的性能急剧降低。这种缺陷无法挽救。4.5.3 淬火硬度不够 硬度不够是指整个工件或较大区域内硬度达不到技术要求。其形成原因如下： a.欠热 造成欠热的原因是加热温度过低或保温时间不足，工艺错误，控制仪表失灵，操作是装炉量太大使各层工件温度不匀。 b.过热 过共析钢因过热奥氏体溶有过量的碳和合金元素，使Ms点大为降低，以致淬火后因残留大量奥氏体而降低硬度。 c.冷却速度不够 工件在淬火过程中因冷却速度不够而发生或部分发生奥氏体珠光体转变。造成原因是冷却介质选择不当，冷却介质
