偏心軸的熱處理及其力學(xué)性能的研究（1）

時(shí)間：2013-08-27 10:51:27 來源：作者：

摘要

本文著重研究了20Cr為材的偏心軸的熱處理（滲碳、淬火、一次回火、二次回火）工藝及其高硬度為主的力學(xué)性能。從理論上分析滲碳溫度、時(shí)間和冷卻方式直接淬火、一次淬火、二次淬火等等的因素對(duì)力學(xué)性能、組織的影響。確定了20Cr為材的偏心軸的最佳熱處理工藝參數(shù)和最佳滲碳淬火方式（鹽浴、直接淬火、低溫回火）后進(jìn)行對(duì)滲碳后滲層深度、金相組織及力學(xué)性能的檢測(cè)與分析【1】。

關(guān)鍵詞：偏心軸；20Cr；熱處理；滲碳；滲碳溫度；冷卻方式；滲碳層

第一章緒論

1.1前言

偏心軸的作用是為了方便調(diào)節(jié)軸與軸之間的中心距，偏心軸通常運(yùn)用在平面連桿機(jī)構(gòu)三角帶傳動(dòng)中！一般的軸，只能帶動(dòng)工件自轉(zhuǎn)，但是偏心軸，不但能傳遞自轉(zhuǎn)，同時(shí)還能傳遞公轉(zhuǎn)。現(xiàn)在美國的壓縮機(jī)巨頭Copeland，就是用偏心軸來帶動(dòng)渦旋公轉(zhuǎn)從而快速高效的壓縮制劑的（它的自轉(zhuǎn)被一個(gè)叫卸載襯套的零件解除了）。偏心軸是電動(dòng)工具電錘的重要傳動(dòng)零件。安裝偏心軸就是靠它的慣性作用而不至于機(jī)器在運(yùn)轉(zhuǎn)到死點(diǎn)位置而鎖機(jī)。最常見的例子就是：家用縫紉機(jī)的腳動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪的運(yùn)轉(zhuǎn)。偏心軸帶動(dòng)機(jī)器的轉(zhuǎn)動(dòng)，是機(jī)械制造中不可少的零件。

偏心軸結(jié)構(gòu)示意圖.jpg

1.2　偏心軸的用途及性能要求

偏心軸在空調(diào)、冰箱等的應(yīng)用極為廣泛，隨著這些成品的產(chǎn)量等的加大以及消費(fèi)人群對(duì)其質(zhì)量的要求不斷提高，偏心軸質(zhì)量的提高也迫在眉睫[1]。

截止到2008年我國共出口空調(diào)壓縮機(jī)400萬臺(tái)，比2005年出口空調(diào)壓縮機(jī)同期增長27%，在內(nèi)銷不景氣的情況下，空調(diào)壓縮機(jī)出口能有如此成績實(shí)屬不易。出口量最多的為泰國，已超過70萬臺(tái)空調(diào)壓縮機(jī)；第二位為印度，空調(diào)壓縮機(jī)出口量已達(dá)44萬臺(tái)，同比增長19%；土耳其名列第三，成為空調(diào)壓縮機(jī)出口歐洲的亮點(diǎn)，出口量是36萬臺(tái)，同比增長31%。前十國別中增長最為顯著的是埃及，同比增長375%；其次是日本，同比增長131%。前十國別的份額比例和2007年相當(dāng)，2007年上半年是84%，2007年是83%。空調(diào)壓縮機(jī)出口地區(qū)仍以東南亞為主。

因?yàn)槠妮S在工作時(shí)承受巨大的沖擊載荷，而且電錘的工作環(huán)境惡劣、多粉塵，零件易磨損。所以偏心軸要求具有表面具有高的硬度、耐磨性及疲勞強(qiáng)度，而心部則具有一定的強(qiáng)度和良好的塑性、韌性等的特殊性能。

1.3.0 國內(nèi)外的現(xiàn)狀

1.3.1 國內(nèi)研究動(dòng)態(tài)

我國熱處理工藝歷史悠久，其技藝曾發(fā)展到非常高超的程度，這是當(dāng)時(shí)其他國家所不及的，而在國外，史上出現(xiàn)熱處理技術(shù)較我國甚晚 [1].隨著其他科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，熱處理技術(shù)也得到迅速的發(fā)展。即，（1）實(shí)驗(yàn)手段和技術(shù)的不斷完善，對(duì)金屬中的組織轉(zhuǎn)變規(guī)律及組織與性能之間的關(guān)系得以不斷了解，從而發(fā)展了不少新的熱處理工藝。（2）在基礎(chǔ)理論方面不斷取得成就。（3）工業(yè)機(jī)械化，自動(dòng)化的成就及表面化學(xué)的研究，發(fā)展了各種表面防護(hù)熱處理及表面強(qiáng)化熱處理。（4）其他新能源，新技術(shù)的開發(fā)，使熱處理工藝成為許多復(fù)合的工藝。

最近幾屆國際材料及熱處理會(huì)議上對(duì)古今金屬材料熱處理工藝和加熱設(shè)備的發(fā)展作了預(yù)測(cè)，基本看法是：

（ⅰ）加熱設(shè)備

在加熱設(shè)備中要更多地發(fā)展電爐，特別發(fā)展感應(yīng)加電爐，減少燃料爐。大多數(shù)加熱爐和熱處理設(shè)備要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化及數(shù)字控制，這不僅可以減少勞動(dòng)力，而且是穩(wěn)定熱處理質(zhì)量的前提。

（ⅱ）熱處理工藝

1．改進(jìn)常規(guī)加熱工藝。空氣加熱將被真空加熱，控制氣氛或保護(hù)氣氛加熱，以及真空和控制氣氛聯(lián)合加熱所取代。

隨著真空技術(shù)的進(jìn)步，真空熱處理向著提高爐子工作溫度，提高真空和自動(dòng)化方向發(fā)展。感應(yīng)加熱熱處理，趨向與曾大功率及擴(kuò)大頻率范圍方向發(fā)展。

2.擴(kuò)大表面熱處理及各類化學(xué)熱處理一代替整體熱處理。

1.3.2 國外熱處理設(shè)備及熱處理技術(shù)現(xiàn)狀

（Ⅰ）在七十年代初，美國金屬學(xué)會(huì)(ASM)、英國的沃爾夫遜熱處理中心(Wolfson Heat Treatment Center)以及原南斯拉夫(現(xiàn)克羅地亞)都相繼建立了材料與熱處理數(shù)據(jù)庫，做到了可以根據(jù)機(jī)件熱處理后力學(xué)性能要求進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助選材，或已知材料和熱處理工藝預(yù)見最后的組織和性能。隨后歐美、日本等先進(jìn)工業(yè)國家開發(fā)出用計(jì)算機(jī)對(duì)各種熱處理工藝過程的控制技術(shù)，開展了計(jì)算機(jī)控制下的工藝參數(shù)數(shù)模控制技術(shù)研究，并在生產(chǎn)中獲得了應(yīng)用。目前國際知名廠家的許多連續(xù)式和周期式熱處理生產(chǎn)線都采取了用可編程控制器(Programable Controller)或微處理機(jī)的單控或群控，使整個(gè)生產(chǎn)工藝過程、爐氣碳勢(shì)、氮?jiǎng)菀约捌錆舛妊厣疃鹊姆植家?guī)律都能實(shí)現(xiàn)按預(yù)定的要求嚴(yán)格控制。在熱處理界已開創(chuàng)了一個(gè)廣泛利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制的新時(shí)代。國外的熱處理廠家非常重視熱處理過程中的冷卻。根據(jù)產(chǎn)品的技術(shù)和工藝要求，可進(jìn)行慢速冷卻、油淬冷卻、一次性氣淬冷卻等。快速氣氛循環(huán)冷卻采用向冷卻室噴射高壓氣體，由計(jì)算機(jī)控制流速和流量的變化，以達(dá)到在特定時(shí)間內(nèi)冷卻速度，從而實(shí)現(xiàn)熱處理過程中所要求的冷卻曲線，確保零件的熱處理質(zhì)量。以前采用氣淬方式冷卻的淬火氣體有氮?dú)狻⒑獾龋F(xiàn)在用空氣強(qiáng)烈噴射，使工件在極快速度下冷卻，淬火后表面僅有極薄的氧化色膜，呈灰白色，零件色彩依然美觀，而節(jié)約大量氮?dú)夂投栊詺怏w，使熱處理成本進(jìn)一步下降。

真空低壓滲碳與高壓氣淬相結(jié)合是當(dāng)今一種先進(jìn)的滲碳淬火工藝，它具有滲碳速度快、碳化物組織優(yōu)良、淬火開裂和變形小、節(jié)約能源和滲碳劑原料、滲碳零件表面質(zhì)量好、并有利于環(huán)保等特點(diǎn)。

(Ⅱ）熱處理設(shè)備：國外熱處理爐的發(fā)展趨勢(shì):：(1)以電能為熱源的爐子增多，油和煤氣為熱源的熱處理爐比例逐漸減少。(2)對(duì)產(chǎn)品表面質(zhì)量的要求更為嚴(yán)格，可控氣氛熱處理爐仍占重要地位。(3)爐襯趨向使用輕質(zhì)材料，在電阻爐上應(yīng)用非金屬爐用耐熱構(gòu)件和發(fā)熱元件的比例逐漸增加。(4)微機(jī)和可編程序控制器的發(fā)展加速了熱處理自動(dòng)化，并有與其它工序組成全自動(dòng)熱處理線的趨勢(shì)。

采用油冷風(fēng)機(jī)冷卻、熱交換器冷卻、淬火油槽冷卻等裝置，全部采用油封式自冷，全面取代水冷循環(huán)系統(tǒng)，整個(gè)熱處理爐不用任何冷卻水。例如，熱風(fēng)循環(huán)風(fēng)機(jī)冷卻：將原水冷套進(jìn)出水管改用油管引出，接近風(fēng)機(jī)處放一個(gè)直徑為102mm的小油箱，油冷卻系統(tǒng)全封閉，當(dāng)風(fēng)機(jī)軸承有熱量增加時(shí)，被加熱的油比重小，自然向上浮起，引起油自然循環(huán)。在小油箱存油量和自然散熱的情況下，熱油被冷卻后又加入循環(huán)，達(dá)到在不耗油又不需要?jiǎng)恿Φ臈l件下完全取代水冷。淬火油槽板式換熱器中的水換成冷卻油，冷卻油受到熱油的熱交換而被升溫，油比重的變化引起冷卻油的自身循環(huán)，在爐頂?shù)挠拖渫饧由仙崞浜巷L(fēng)扇的作用，達(dá)到全油冷的效果，節(jié)約大量的冷卻水。

1．4偏心軸的失效形式及其防止措施

軸類載荷：疲勞，沖擊，拉，壓，彎，扭，切，接觸，磨損，溫度，介質(zhì)，過量變形，韌斷，脆斷，表面變化，尺寸變化，咬蝕，腐蝕等失效形式。

⑴偏心軸在工作時(shí)承受巨大的沖擊載荷、受到彎曲應(yīng)力，在頸部發(fā)生磨損外，主要有斷裂及軸向裂紋兩種情況零件易磨損⑵軸向裂紋. 軸向裂紋也是偏心軸零件常見的失效形式,此種裂紋除材質(zhì)不良外,主要是熱處理不當(dāng)引起的—淬透性過大引起表面拉應(yīng)力，由于表面拉應(yīng)力的合并部分在圓周方向大于軸向，且材料的橫向性能低于縱向的，防止此類失效也應(yīng)從熱處理工藝方面解決，既控制零件的淬硬層深度，并及時(shí)進(jìn)行回火。⑶軸的失效形式：主要有因疲勞強(qiáng)度不足而產(chǎn)生的疲勞籪裂、因靜強(qiáng)度不足而產(chǎn) 生的塑性變形或脆性斷裂、磨損、超過允許范圍的變形和振動(dòng)等。⑷軸類的斷裂主要是扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂【2】。

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