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热处理工艺对机械轴套性能影响

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摘要:采用不同正火温度、淬火温度和回火温度对含0.25%V和0.15%Sr的45钢机械轴套进行了热处理,并测试与分析了45钢机械轴套的力学性能。结果表明:随正火温度从830℃上升至930℃,淬火温度从800℃上升至880℃,回火温度从550℃上升至650℃,轴套的力学性能均先提高后下降。轴套的正火温度、淬火温度和回火温度分别优选为890、860和610℃。

关键词:热处理工艺;正火温度;淬火温度;回火温度;45钢机械轴套;力学性能

轴套是套在转轴上的机械零件,形状为筒状,它是滑动轴承的一个重要组成部分,成为了应用很广泛的一种机械零件[1]。轴套和轴承座采用过盈配合,内孔和销轴通常采用间隙进行配合,是机械装置中的极其重要的连接零件[2]。现代加工制造业与及科技的发展极大地带动了对轴套等零件的需求和被广泛地用于建筑、工程、纺织、汽车、飞机等领域,在机械行业中占据了越来越重要的地位[3]。但是机械轴套在运行的过程中,工作环境较恶劣,轴套要承受来自多方面的较大载荷,而且还会受到冲击力、弯曲、扭转等的影响,所以易出现疲劳、磨损,影响使用效果和寿命[4]。因此,这就要求机械轴套具有较佳的综合性能,硬度高、耐磨性强、抗疲劳、韧性强,方能满足现代工业对于轴套的高要求[5]。由于机械轴套质量的好坏很大程度上取决于其加工工艺,常采用热处理来减小或消除机械轴套的裂纹和磨损。但是目前,关于热处理工艺对机械轴套性能的研究还鲜有报告。因此,本文采用不同的热处理工艺对新型机械轴套进行了表面热处理,并对其性能进行了试验与分析,研究了热处理工艺对机械轴套性能的影响,以优化机械轴套的性能。

1试验材料与方法

1.1试验材料

新型机械轴套的材质为添加了0.25%V和0.15%Sr的45钢,用EDX1800C型X射线荧光光谱仪对机械轴套的化学成分进行测试分析,成分测试结果如表1所示。在电炉内进行45钢的熔炼,然后制备机械轴套毛坯,毛坯采用圆棒料(准300mm×300mm),毛坯的锻造采用自由锻方式进行;锻造后进行正火处理;接着依次进行粗加工、精加工;再进行淬火、回火处理;最后获得试验所需的机械轴套试样。机械轴套的主要尺寸为:外圆直径准280mm、外圆壁厚5mm、轴筒直径准250mm、轴桶长度为320mm。热处理过程中,保持各试样的以下热处理工艺参数不变:正火时保温时间30min、出炉空冷;淬火时保温时间30min、水冷、淬火介质为30%CaCl2水溶液;回火时,保温时间2.5h、出炉空冷。机械轴套的热处理工艺参数如表2所示。

1.2试验方法

采用线切割轴套的方法,切割成平行段准5mm×35mm的棒状拉伸试件,拉伸试件取样位置如图1所示。以3个拉伸平行试件测试值的算术平均值作为试样的测试值。在BDL-500L型拉伸试验机上进行试样的拉伸试验,测试温度为室温,拉伸速度为1mm/min。并记录下试样的抗拉强度、屈服强度与及断后伸长率,以此表征试样的拉伸性能。最后再以JSM6510型扫描电子显微镜(SEM)观察试样的拉伸断口形貌。

2试验结果与分析

2.1正火温度对力学性能的影响

图2是不同正火温度下45钢机械轴套试样力学性能测试结果。从图2(a)可以看出,随正火温度从830℃上升至930℃,45钢机械轴套试样的抗拉强度呈现出先增大后减小的变化趋势。当正火温度为830℃时,试样1的抗拉强度最小,为585MPa;当正火温度为890℃时,试样4的抗拉强度为648MPa,此时抗拉强度最大,较试样1增大了11%;当正火温度继续升高至910℃和930℃时,试样5和试样6的抗拉强度分别为627MPa和603MPa,较890℃正火温度的抗拉强度分别减小了21MPa和45MPa。从图2(b)可以看出,随正火温度从830℃上升至930℃,试样的屈服强度呈现出先增大后减小的变化趋势。当正火温度为830℃时,试样1的屈服强度最小,为327MPa;当正火温度为890℃时,试样4的屈服强度为385MPa,此时的屈服强度最大,较试样1增大了18%;当正火温度继续升高至910℃和930℃时,试样5和试样6的屈服强度分别为364MPa和342MPa,较890℃正火温度的屈服强度分别减小了21MPa和43MPa。从图2(c)可以看出,随正火温度从830℃上升至930℃,45钢机械轴套试样的断后伸长率呈现出先减小后增大的变化趋势。当正火温度为830℃时,试样1的断后伸长率最大,为19.2%;当正火温度为890℃时,试样4的断后伸长率最小,为16.6%,较试样1减小了2.6%;当正火温度继续升高至910℃和930℃时,试样5和试样6的断后伸长率分别为17.3%和18.2%,较890℃正火温度的断后伸长率分别增大了0.7%和1.6%。图3是正火温度分别为830℃(试样1)和890℃(试样4)时,45钢机械轴套拉伸断口形貌图。从图3可以看出,830℃正火温度下的韧窝更为粗大,更浅,撕裂棱也更为明显,而890℃正火温度下试样的拉伸断口的韧窝更深和细小,具有更好的拉伸性能。这与试样的拉伸性能测试结果是一致的。

2.2淬火温度对力学性能的影响

图4是不同淬火温度下45钢机械轴套试样力学性能测试结果。从图4(a)可以看出,随淬火温度从800℃上升至880℃,试样的抗拉强度呈现先增大后减小的变化趋势。当淬火温度为800℃时,试样7的抗拉强度最小,为592MPa;当淬火温度为860℃时,试样4的抗拉强度最大,为648MPa,较800℃淬火温度时的抗拉强度增大了9%,增长幅度最大;当淬火温度继续上升为880℃时,试样10的抗拉强度为631MPa,较860℃淬火温度时的抗拉强度减小了17MPa。从图4(b)可以看出,随淬火温度从800℃上升至880℃,试样的屈服强度呈现先增大后减小的变化趋势。当淬火温度为800℃时,试样7的屈服强度最小,为335MPa;当淬火温度为860℃时,试样4的抗拉强度最大,为385MPa,较800℃淬火温度时的屈服强度增大了15%,增长幅度最大;当淬火温度继续上升为880℃时,试样10的抗拉强度为368MPa,较860℃淬火温度时的屈服强度减小了17MPa。从图4(c)可以看出,随淬火温度从800℃上升至880℃,试样的断后伸长率呈现先减小后增大的变化趋势。当淬火温度为800℃时,试样7的断后伸长率最大,为18.8%;当淬火温度为860℃时,试样4的断后伸长率最小,为16.6%,较800℃淬火温度时的断后伸长率减小了2.2%,增长幅度最大;当淬火温度继续上升为880℃时,试样10的断后伸长率为17.2%,较860℃淬火温度时的断后伸长率增大了0.6%。

2.3回火温度对力学性能的影响

图5是不同回火温度下45钢机械轴套试样力学性能测试结果。从图5(a)可以看出,随回火温度从550℃上升至650℃,试样的抗拉强度呈现先增大后减小的变化趋势。当回火温度为550℃时,试样11的抗拉强度最小,为599MPa;当回火温度为610℃时,试样4的抗拉强度最大,为648MPa,较550℃回火温度时的抗拉强度增大了8%,增长幅度最大;当回火温度继续上升为630℃和650℃时,试样14和试样15的抗拉强度分别为627MPa和603MPa,较610℃回火温度时的抗拉强度减小了21MPa和45MPa。从图5(b)可以看出,随回火温度从550℃上升至650℃,试样的屈服强度呈现先增大后减小的变化趋势。当回火温度为550℃时,试样11的屈服强度最小,为337MPa;当回火温度为610℃时,试样4的屈服强度最大,为385MPa,较550℃回火温度时的屈服强度增大了14%,增长幅度最大;当回火温度继续上升为630℃和650℃时,试样14和试样15的屈服强度分别为360MPa和341MPa,较610℃回火温度时的屈服强度分别减小了25MPa和44MPa。从图5(c)可以看出,随回火温度从550℃上升至650℃,试样的断后伸长率呈现先减小后增大的变化趋势。当回火温度为550℃时,试样11的断后伸长率最大,为18.5%;当回火温度为610℃时,试样4的断后伸长率最小,为16.6%,较550℃回火温度时的断后伸长率减小了1.9%,减小幅度最大;当回火温度继续上升630℃和650℃时,试样14和试样15的断后伸长率分别为17.2%和17.9%,较610℃回火温度时的断后伸长率分别增大了0.6%和1.3%。综合以上正火温度、淬火温度和回火温度对45钢机械轴套试样的拉伸性能影响,可以看出,热处理工艺参数优选为890℃正火温度、860℃淬火温度和610℃回火温度。

3结论

(1)随正火温度从830℃上升至930℃,含0.25%V和0.15%Sr的45钢机械轴套的抗拉强度和屈服强度先增大后减小,断后伸长率先减小后增大。当正火温度为890℃时,轴套较830℃时的抗拉强度和屈服强度分别增大了11%和18%。(2)随淬火温度从800℃上升至880℃,含0.25%V和0.15%Sr的45钢机械轴套的抗拉强度和屈服强度先增大后减小,断后伸长率先减小后增大。当淬火温度为860℃时,轴套较800℃时的抗拉强度和屈服强度分别增大了9%和15%。(3)随回火温度从550℃上升至650℃,含0.25%V和0.15%Sr的45钢机械轴套的抗拉强度和屈服强度先增大后减小,断后伸长率先减小后增大,当回火温度为610℃时,轴套较550℃时的抗拉强度和屈服强度分别增大了8%和14%。(4)为提高含0.25%V和0.15%Sr的45钢机械轴套的力学性能,热处理时正火温度、淬火温度和回火温度分别优选为890、860和610℃。

参考文献:

[1]尤亦凡,杨文俊.关于轴套感应热处理的研究[C]//第六届中国热处理活动周论文集.北京:2009,58-60.

[2]陈坚.锯齿型轴套的加工[J].考试周刊,2012,7(82):124-124.

[3]陈向伟,王海月.基于计算机视觉的轴套零件尺寸测量[J].制造技术与机床,2014,64(10):85-88.

[4]张英云,闫建安,牛玉温,等.30CrMo钢轴套的热处理工艺及改进[J].热处理,2009,24(5):59-61.

[5]赵毅,孙海洋,王健,等.45号钢轴套热处理裂纹分析[J].哈尔滨轴承,2014(2):99-100,103.

作者:邓发云 张云 单位:广州南洋理工职业学院

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