遼寧工業(yè)大學(xué)40CrNiMo鋼汽輪機(jī)主軸

1、遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) 相變?cè)砼c工藝 課程設(shè)計(jì)（論文）題目：40CrNiMo鋼汽輪機(jī)主軸的熱處理工藝設(shè)計(jì) 院（系）：專業(yè)班級(jí)：學(xué)號(hào)：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：起止時(shí)間：課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語(yǔ)院（系）： 教研室：學(xué) 號(hào)學(xué)生姓名專業(yè)班級(jí)課程設(shè)計(jì)（論 文）題 目40CrNiMo鋼汽輪機(jī)主軸的熱處理工藝設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)（論文）要求與任務(wù)一、課設(shè)要求熟悉設(shè)計(jì)題目，查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，概述相關(guān)零件的熱處理工藝，進(jìn)行零件的服役條件與失效形式分析，提出硬度、耐磨性、強(qiáng)度等要求。完成工藝設(shè)計(jì)。闡述40CrNiMo淬火、回火熱處理工藝?yán)碚摶A(chǔ)，選擇設(shè)備、儀表和工夾具，闡述汽輪機(jī)主軸熱處理質(zhì)量檢驗(yàn)項(xiàng)目、內(nèi)容及要求；闡明汽

2、輪機(jī)主軸熱處理常見缺陷的預(yù)防及補(bǔ)救方法；給出所用參考文獻(xiàn)。二、課設(shè)任務(wù)1.汽輪機(jī)主軸材料的選擇（要求在滿足工件使用性能的前提下，兼顧經(jīng)濟(jì)性和工藝性，合理選擇材料）；2.給出40CrNiMo的C曲線；3.給出40CrNiMo汽輪機(jī)主軸冷熱加工工藝流程圖；4.制定40CrNiMo汽輪機(jī)主軸淬火-回火熱處理工藝。三、設(shè)計(jì)說明書要求設(shè)計(jì)說明書包括三部分：1）概述；2）工藝設(shè)計(jì)；3）熱處理工藝卡；4）參考文獻(xiàn)。設(shè)計(jì)說明書結(jié)構(gòu)見工藝設(shè)計(jì)模板。工作計(jì)劃集中學(xué)習(xí)0.5天，資料查閱與學(xué)習(xí)，討論1.5天，設(shè)計(jì)7天：1）概述0.5天，2）服役條件與性能要求0.5天，3）失效形式、材料的選擇0.5天，4）結(jié)構(gòu)形狀與熱

3、處理工藝性0.5天，5）冷熱加工工序安排0.5天，6）工藝流程圖0.5天，7）熱處理工藝設(shè)計(jì)2天，8）工藝的理論基礎(chǔ)、原則0.5天，9）設(shè)計(jì)工夾具0.5天，10）可能出現(xiàn)的問題分析及防止措施0.5天，11）熱處理質(zhì)量分析0.5天，設(shè)計(jì)驗(yàn)收1天。指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)及成績(jī)成績(jī)： 學(xué)生簽字： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書（論 文）目 錄目 錄I1 汽輪機(jī)主軸熱處理工藝概述12 40CrNiMo鋼汽輪機(jī)主軸的熱處理工藝設(shè)計(jì)22.1 汽輪機(jī)主軸的服役條件、失效形式22.2 汽輪機(jī)主軸技術(shù)要求及零件示意圖22.3 汽輪機(jī)主軸的材料選擇32.4 40CrNiMo鋼的

4、C曲線32.5 汽輪機(jī)主軸的加工工藝流程圖52.6 汽輪機(jī)主軸的熱處理工藝設(shè)計(jì)52.7汽輪機(jī)主軸的退火、淬火、回火熱處理工藝?yán)碚?2.8 40CrNiMo鋼熱處理的設(shè)備、儀表和工夾具選擇112.9 汽輪機(jī)主軸的熱處理質(zhì)量檢驗(yàn)項(xiàng)目、內(nèi)容及要求132.10 汽輪機(jī)主軸的熱處理常見缺陷的預(yù)防及補(bǔ)救方法143 熱處理工藝卡163.1 汽輪機(jī)主軸不完全退火工藝卡163.2 汽輪機(jī)主軸淬火工藝卡173.3 汽輪機(jī)主軸高溫回火工藝卡184 參考文獻(xiàn)21遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書（論 文）1 汽輪機(jī)主軸熱處理工藝概述汽輪機(jī)是一種以蒸汽為動(dòng)力，并將蒸氣的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，是現(xiàn)代

5、火力發(fā)電廠中應(yīng)用最廣泛的原動(dòng)機(jī)，汽輪機(jī)中的高壓轉(zhuǎn)子調(diào)速器端用剛性聯(lián)軸器與一根主軸連接，此主軸上裝有主油泵和超速跳閘機(jī)構(gòu)。主軸是汽輪機(jī)最主要的零件之一主軸承受的載荷: (l)蒸汽通過動(dòng)葉片時(shí)膨脹而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的扭曲力矩; (2)由于主軸自重和緊固在軸上的零件重量引起軸彎曲而產(chǎn)生的彎曲力矩; (3)由于長(zhǎng)期在高溫下工作及蒸汽溫度沿軸向及徑向的變化而產(chǎn)生的熱應(yīng)力; (4)由于轉(zhuǎn)子裝配不可能完全平衡而引起旋轉(zhuǎn)時(shí)由離心力導(dǎo)致的振動(dòng)及由此產(chǎn)生的反復(fù)應(yīng)力。為了適應(yīng)上述工作條件,汽輪機(jī)主軸材料應(yīng)具有最良好的綜合機(jī)械性能,常溫及高溫強(qiáng)度、塑性、韌性都要較高。目前主要使用35CrMoA鋼、34CrNi3Mo鋼、40

6、CrNiMo鋼等。熱處理工藝內(nèi)容包括常規(guī)熱處理：鍛造、正火、粗加工、調(diào)質(zhì)、精加工、等溫淬火。本設(shè)計(jì)所選用的40CrNiMo鋼只需經(jīng)過常規(guī)熱處理即調(diào)質(zhì)就可以得到很好的效果。比其他鋼有著更好的淬透性。調(diào)質(zhì)是工件淬火后再進(jìn)行高溫(500650)回火的雙重?zé)崽幚聿僮?。它的目的是?xì)化晶粒,并獲得均勻的具有一定彌散度的和具有優(yōu)良綜合機(jī)械性能的細(xì)密球狀珠光體組織，從而可使工件的韌性和塑性得到提高。它廣泛應(yīng)用于中碳及中碳合金結(jié)構(gòu)鋼中,合金元素的主要作用是提高淬透性及綜合機(jī)械性能。淬火是把鋼加熱到臨界溫度保溫一定時(shí)間使之奧氏體化以大于臨界冷卻速度的冷速冷卻得到馬氏體和下貝氏體的一種工藝，以提高硬度耐磨性、強(qiáng)韌性

7、、彈性、耐腐蝕性和耐熱性。回火是將淬火后的鋼,在Ac1下加熱、保溫后冷卻下來(lái)的一種熱處理工藝。高溫回火常在500650區(qū)間進(jìn)行。其目的主要是在降低強(qiáng)度、硬度及耐磨性的情況下大幅度提高塑性及韌性，以便得到良好的綜合機(jī)械性能。通過對(duì)40CrNiMo鋼熱處理工藝的分析，更加明確在執(zhí)行熱處理工藝過程中所需要注意的問題。能夠正確確定加熱溫度、時(shí)間、保溫時(shí)間、冷卻方式，其目的就是通過正確合理的熱處理工藝，使金屬材料達(dá)到工件所需的各種性能。根據(jù)汽輪機(jī)主軸的工作條件，本設(shè)計(jì)選擇的汽輪機(jī)主軸材料為40CrNiMo調(diào)質(zhì)鋼；在設(shè)計(jì)調(diào)質(zhì)熱處理工藝中本設(shè)計(jì)借鑒了熱處理工藝規(guī)范手冊(cè)、鋼的熱處理、熱處理手冊(cè)、金屬熱處理工藝

8、學(xué)、鋼及其熱處理曲線手冊(cè)、典型零件熱處理技術(shù)、金屬材料熱處理、機(jī)械零件尺寸手冊(cè)等。根據(jù)工藝設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)設(shè)定了完整的熱處理工藝流程，使熱處理的40CrNiMo調(diào)質(zhì)鋼在常溫和高溫下具有較高的強(qiáng)度、塑性、韌性以及良好的綜合力學(xué)性能，從而達(dá)到汽輪機(jī)主軸的性能要求。· 窗體底端2 40CrNiMo鋼汽輪機(jī)主軸的熱處理工藝設(shè)計(jì)2.1 汽輪機(jī)主軸的服役條件、失效形式2.1.1 服役條件汽輪機(jī)主軸箱是一個(gè)變速裝置，主軸轉(zhuǎn)速將會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N或多種轉(zhuǎn)速，這個(gè)變速過程是通過一系列相互嚙合的從動(dòng)輪齒輪輪齒施加動(dòng)力從而帶動(dòng)從動(dòng)輪的旋轉(zhuǎn)。這一過程中主軸主要承受以下載荷：(1) 蒸汽通過動(dòng)葉片時(shí)膨脹而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的

9、扭曲力矩;(2) 由于主軸自重和緊固在軸上的零件重量引起軸彎曲而產(chǎn)生的彎曲力矩;(3) 由于長(zhǎng)期在高溫下工作及蒸汽溫度沿軸向及徑向的變化而產(chǎn)生的熱應(yīng)力;(4) 由于轉(zhuǎn)子裝配不可能完全平衡而引起旋轉(zhuǎn)時(shí)由離心力導(dǎo)致的振動(dòng)及由此產(chǎn)生的反復(fù)應(yīng)力。2.1.2 失效形式(1) 變形 變形大多由于緊固在軸上零件重量超過主軸橫向載荷，或在高溫蒸汽下強(qiáng)度下降導(dǎo)致的塑性變形。(2) 磨損 主軸在與其他零件互相接觸相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)彼此間會(huì)產(chǎn)生摩擦，磨損現(xiàn)象，使其喪失原有的幾何形狀和精度，從而導(dǎo)致失效。(3) 斷裂 長(zhǎng)期的交變載荷作用容易導(dǎo)致疲勞斷裂；承受大載荷或沖擊載荷會(huì)引起過量變形、斷裂，長(zhǎng)期承受較大摩擦，軸頸及花鍵表

10、面會(huì)出現(xiàn)過量磨損。這些都會(huì)促使疲勞斷裂的發(fā)生。2.2 汽輪機(jī)主軸技術(shù)要求及零件示意圖2.2.1技術(shù)要求 汽輪機(jī)主軸工作時(shí)，主軸高速旋轉(zhuǎn)，受到彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊等多種載荷作用、根據(jù)服役條件和失效形式分析，可以查閱相關(guān)資料確定主軸技術(shù)要求。 主軸調(diào)制后在試樣段距離表面1/3R處取縱向試樣進(jìn)行機(jī)械性能試驗(yàn)。工廠標(biāo)準(zhǔn)性能要求見表1(硬度為距離表面1/3R處到表面的硬度最低要求)。sMPa bMPa % % akJ/cm2 HB 588 765 14 35 39.2 234表1 主軸機(jī)械性能要求2.2.2 零件示意圖 圖1 汽輪機(jī)主軸零件示意圖(單位：mm) 2.3 汽輪機(jī)主軸的材料選擇 汽輪機(jī)主軸材料的

11、選擇主要考慮主軸在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)要承受多重載荷作用，如彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊等。所以主軸具有抵抗各種載荷的能力。當(dāng)主軸的載荷較大轉(zhuǎn)數(shù)較高時(shí)，還要承受很高的交變功，因此主軸具有較高的疲勞強(qiáng)度和綜合力學(xué)性能。 （1）對(duì)于載荷較小的主軸一般選用成本較低的調(diào)質(zhì)鋼制造如45鋼、40Cr，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后硬度可達(dá)220250HBW。（2）對(duì)于載荷較高的主軸大都選用35CrMoA鋼、34CrNi3Mo鋼、40CrNiMo鋼 。但在汽輪機(jī)主軸的應(yīng)用上，35CrMoA鋼在調(diào)質(zhì)后的機(jī)械性能與機(jī)械性能標(biāo)準(zhǔn)比較,會(huì)發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度指標(biāo)達(dá)到要求但塑性和沖擊韌性不合格。或出現(xiàn)相反的情況,即塑性和沖擊韌性合格，但強(qiáng)度指標(biāo)達(dá)不到要求。若提高回火溫

12、度以提高、值和ak值，由于a和b值比標(biāo)準(zhǔn)值高不了多少，結(jié)果往往是塑性和韌性指標(biāo)達(dá)到了，強(qiáng)度又降下來(lái)，不合格,兩者不能兼顧。34CrNi3Mo鋼雖然在調(diào)質(zhì)后可以達(dá)到汽輪機(jī)主軸的技術(shù)要求，但價(jià)格相對(duì)較高，且淬透性較差。無(wú)論力學(xué)性能還是淬透性不如40CrNiMo鋼。40CrNiMo鋼是一種優(yōu)質(zhì)的合金鋼，具有較高的強(qiáng)度、韌性，良好的淬透性以及抗過熱的穩(wěn)定性，在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下，適于制造強(qiáng)度高、截面大的重要零件，不需要滲氮就可以達(dá)到汽輪機(jī)主軸的技術(shù)要求。本次設(shè)計(jì)選用的材料為40CrNiMo鋼，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后可以得到綜合力學(xué)性能良好的材料，完全可以達(dá)到汽輪機(jī)主軸的性能要求。2.4 40CrNiMo鋼的C曲線對(duì)于

13、低合金鋼而言，淬火溫度主要根據(jù)鋼的臨界點(diǎn)來(lái)確定。合金元素容易導(dǎo)致奧氏體粗化，為了加速奧氏體化而又不引起奧氏體晶粒的粗化，淬火溫度選擇Ac3+(50100),考慮其良好的淬透性，選擇油淬較為適宜。通過查找熱處理手冊(cè)1獲得40CrNiMo鋼的C曲線如圖2，40CrNiMo鋼的臨界溫度Ac1為732，Ac3為774。幾乎所有的合金元素(除Co外)都使C曲線向右移動(dòng)，即減慢珠光體類型轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的形成速度。除Co、Al以外，所有的合金元素都使馬氏體轉(zhuǎn)變溫度下降。圖2 40CrNiMo鋼的C曲線 其化學(xué)成分詳見表2表2 40CrNiMo鋼的成分2.5 汽輪機(jī)主軸的加工工藝流程圖 汽輪機(jī)主軸的加工具體工藝流程

14、見圖3。熱處理工藝主要為退火、淬火和高溫回火三個(gè)過程。 鍛造 退火 粗加工 檢驗(yàn) 精加工 淬火高溫回火 裝配 圖3 工藝流程圖2.6 汽輪機(jī)主軸的熱處理工藝設(shè)計(jì)2.6.1 鍛造工藝設(shè)計(jì) 鍛造工藝應(yīng)注意首次鍛造40CrNiMo鋼,其鍛造性能及工藝參數(shù)都不了解,為保證產(chǎn)品質(zhì)量,在鍛造工藝參數(shù)的選擇上,采用了既要保證坯料燒透,內(nèi)外溫度均勻,使變形抗力小易于鍛造,又要防止坯料在加熱過程中產(chǎn)生過熱、過燒、嚴(yán)重脫碳、內(nèi)裂及鍛后晶粒粗大等缺陷的原則。鍛造過程參數(shù)如下： 始鍛溫度:1100 ,終鍛溫度:850 加熱規(guī)范:冷爐裝料,加熱升溫2.5h,達(dá)到始鍛溫度后,保溫1h。 加熱設(shè)備:天然氣爐 鍛造設(shè)備:3t

15、錘、750kg錘 鍛后冷卻:堆冷 硬度：200237HB2.6.2 退火工藝設(shè)計(jì) 工件鍛造后為了消除熱鍛產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力并提高工件的機(jī)械加工性能，一般會(huì)進(jìn)行退火或正火處理，對(duì)于都能達(dá)到目的條件下一般選用工藝簡(jiǎn)便的正火，而對(duì)于要求硬度較低的工件則選用退火。 正火是將工件加熱至Ac3或Acm(Acm是實(shí)際加熱中過共析鋼完全奧氏體化的臨界溫度線)以上3050，保溫一段時(shí)間后，從爐中取出在空氣中或噴水、噴霧或吹風(fēng)冷卻的方法使正火冷卻速度比退火冷卻速度稍快。 退火是指將鋼加熱到適當(dāng)溫度，保持一定時(shí)間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝，分為完全退火和不完全退火。完全退火是指將鋼完全奧氏體化，隨后緩慢冷卻，獲得接近平衡

16、狀態(tài)組織的退火工藝。完全退火主要用于亞共析成分鑄件?？梢约?xì)化晶粒消除殘余應(yīng)力與組織缺陷，降低硬度提高塑性。不完全退火就是將鋼件加熱到Ac1Ac3之間，保溫一定時(shí)間，然后隨爐緩慢冷卻的一種工藝方法。由于不完全退火實(shí)在兩相溫度區(qū)加熱，組織不能完全重結(jié)晶，細(xì)化晶粒不如完全退火好，先共析相的形態(tài)、分布、大小也不能完全改善。但其優(yōu)點(diǎn)是加熱溫度低，工藝周期短，節(jié)能，降低工藝成本，提高加熱爐的使用率等。所以不完全退火主要用于，鍛造組織較好的鋼件退火，以改善組織，消除應(yīng)力，降低硬度，提高機(jī)械加工性能。  40CrNiMo鋼熱軋狀態(tài)下為上貝氏體組織，硬度較高，不利于切削加工，退火的目的是細(xì)化晶粒，均勻

17、組織，消除內(nèi)應(yīng)力，改善機(jī)械加工性能，并為接下來(lái)的調(diào)質(zhì)處理做好組織準(zhǔn)備。40CrNiMo鋼經(jīng)正火處理在810870加熱保溫后在380/min空冷條件下顯微組織為以貝氏體為主兼有馬氏體和殘余奧氏體的混合組織，硬度較高為300340HB;810870完全退火爐冷過程中，形成鐵素體+珠光體的帶狀組織，力學(xué)性能較差;760不完全退火后形成粒狀貝氏體組織，硬度值約175HB，適宜機(jī)械加工。此設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于熱處理工藝規(guī)范數(shù)據(jù)手冊(cè)2因此本設(shè)計(jì)對(duì)40CrNiMo采用不完全退火，溫度應(yīng)控制在760，低合金鋼采用隨爐加熱標(biāo)準(zhǔn)為100/h，其保溫時(shí)間需根據(jù)工件大小判斷，根據(jù)金屬熱處理工藝學(xué)3可知工件截面積厚度每增加1

18、毫米，保溫時(shí)間需要延長(zhǎng)1.52.5min。Ac3 774760Ac1 732爐冷180/h 時(shí)間th4h加熱100/h已知汽輪機(jī)主軸最大截面處厚度為215mm由此可計(jì)算退火保溫時(shí)間應(yīng)控制在4h，為保證能得到粒狀貝氏體組織提高機(jī)械加工性能，冷卻時(shí)間應(yīng)控制在180/h，所以采用爐冷。退火工藝曲線為圖4。 溫度T圖4 40CrNiMo退火工藝曲線2.6.3 淬火工藝設(shè)計(jì)淬火可以有效提高鋼的強(qiáng)度、硬度、耐磨性等力學(xué)性能，從而滿足工件的要求。(1) 淬火溫度選擇 由圖2可知40CrNiMo鋼的臨界溫度Ac1為732，Ac3為774，通常情況下對(duì)于合金鋼，淬火溫度普遍在Ac3以上70100，因?yàn)榭紤]到Cr

19、、Ni、Mo合金元素的溶解與均勻化問題，難以與碳形成合金碳化物，很難溶入奧氏體中，所以合金鋼淬火溫度比普通鋼更高一些。但對(duì)于40CrNiMo鋼有所不同，雖然同為合金鋼，但40CrNiMo在790淬火時(shí)硬度即可達(dá)到最大值。繼續(xù)提高淬火溫度，硬度不會(huì)得到明顯提升甚至可能出現(xiàn)下降，而且提高淬火溫度會(huì)令鋼的沖擊韌性下降。而對(duì)于汽輪機(jī)主軸，沖擊韌性是考核一個(gè)主軸是否合格的重要指標(biāo)，因而不能按照常規(guī)淬火溫度對(duì)40CrNiMo鋼進(jìn)行淬火。本設(shè)計(jì)淬火溫度設(shè)定為790。(2) 淬火加熱保護(hù)涂料選擇 在工件加熱時(shí)，溫度達(dá)到200時(shí)就開始發(fā)生氧化，加熱到600時(shí)就開始發(fā)生脫碳，因此必須進(jìn)行防護(hù)措施，對(duì)于使用溫度接近

20、800的情況下通常使用3號(hào)保護(hù)涂料，其主要成分有：玻璃料、氧化鉻、云母、氧化鐵、滑石粉、蟲膠液、改性膨潤(rùn)土、乙醇溶劑。即為本設(shè)計(jì)所選用的保護(hù)涂料。(3) 淬火加熱保溫時(shí)間確定 工件的加熱保溫時(shí)間同一下幾個(gè)因素有關(guān)：鋼的成分、工件尺寸及裝爐量、加熱設(shè)備、裝爐情況、爐溫。經(jīng)驗(yàn)公式如下：t=KDt淬火加熱時(shí)間(min)加熱系數(shù)(min/mm)D工件有效厚度(mm)K排料系數(shù)查閱資料可知40CrNiMo鋼=1.5，K=1，由圖1可知D=125mm，由此計(jì)算出加熱保溫時(shí)間約需3h。以上數(shù)據(jù)來(lái)源于金屬熱處理工實(shí)用技術(shù)4。(4) 淬火冷卻 40CrNiMo鋼淬透性很好，若采用水冷可能會(huì)由于高溫階段冷速過快發(fā)

21、生淬裂，因此本設(shè)計(jì)選用HJ-10號(hào)機(jī)械油油冷，油溫控制在80以下，可以有效避免主軸變形開裂。淬火工藝曲線如圖5所示，加熱過程應(yīng)采用隨爐緩慢加熱。溫度T790保溫A c3 7743h60/s油冷時(shí)間t h圖5 40CrNiMo鋼淬火工藝曲線2.6.3高溫回火工藝設(shè)計(jì)40CrNiMo鋼經(jīng)過淬火后所獲得的馬氏體是高度不穩(wěn)定的，淬火后需立即進(jìn)行回火?；鼗鹗菍⒔?jīng)過淬火的工件重新加熱到低于下臨界溫度的適當(dāng)溫度，保溫一段時(shí)間后在空氣或水、油等介質(zhì)中冷卻的金屬熱處理工藝?；?qū)⒋慊鸷蟮暮辖鸸ぜ訜岬竭m當(dāng)溫度，保溫若干時(shí)間，然后緩慢或快速冷卻。一般用以減低或消除淬火鋼件中的內(nèi)應(yīng)力，或降低其硬度和強(qiáng)度，以提高其延伸

22、性或韌性。隨著回火溫度的升高，鋼的抗拉強(qiáng)度下降；屈服強(qiáng)度先稍升高而后降低；斷面收縮率和伸長(zhǎng)率不斷改善；韌性總的趨勢(shì)是上升，但在300400之間和500550之間出現(xiàn)兩個(gè)極小值，相應(yīng)地被稱為低溫回火脆性與高溫回火脆性。因此，為了獲得良好的綜合力學(xué)性能，合金結(jié)構(gòu)鋼往往在三個(gè)不同溫度范圍回火：超高強(qiáng)度鋼約在200300；彈簧鋼在460附近；調(diào)質(zhì)鋼在550650回火。碳素及合金工具鋼要求具有高硬度和高強(qiáng)度，回火溫度一般不超過200?；鼗饡r(shí)具有次生硬化的合金結(jié)構(gòu)鋼、模具鋼和高速鋼等都在500650范圍內(nèi)回火。淬火+高溫回火常稱為調(diào)質(zhì)。(1) 回火溫度確定 根據(jù)熱處理工藝規(guī)范數(shù)據(jù)手冊(cè)1可得出回火溫度在40

23、0時(shí)可達(dá)到最大強(qiáng)度和最低韌性，在700時(shí)相反，回火溫度控制在550時(shí)的力學(xué)性能最適合汽輪機(jī)主軸的工作條件。(2) 回火時(shí)間確定 回火時(shí)間可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。th=Kh+AhDth回火時(shí)間(min)Kh回火時(shí)間基數(shù)(min)Ah回火時(shí)間系數(shù)(min/mm)D工件有效厚度(mm)查閱相關(guān)資料可知Kh=10，Ah=1，D=125mm。因?yàn)楹辖痄撝械暮辖鹪貙?dǎo)熱性較差，因此回火時(shí)間要長(zhǎng)一些，本次設(shè)計(jì)中回火時(shí)間設(shè)定為2.5h。(3)回火后的冷卻 由于含有Cr、Mo、等合金鋼的回火脆性敏感度較大，為了避免回火脆性，應(yīng)采用快冷。本次設(shè)計(jì)采用油冷。溫度T550保溫2.5h油冷60/s時(shí)間th圖6

24、 40CrNiMo鋼回火工藝曲線2.7汽輪機(jī)主軸的退火、淬火、回火熱處理工藝?yán)碚?.7.1 退火原理 不完全退火就是將鋼件加熱到Ac1Ac3之間，保溫一定時(shí)間，然后隨爐緩慢冷卻的一種工藝方法。由于不完全退火實(shí)在兩相溫度區(qū)加熱，組織不能完全重結(jié)晶，細(xì)化晶粒不如完全退火好，先共析相的形態(tài)、分布、大小也不能完全改善。但其優(yōu)點(diǎn)是加熱溫度低，工藝周期短，節(jié)能，降低工藝成本，提高加熱爐的使用率等。所以不完全退火主要用于，鍛造組織較好的鋼件退火，以改善組織，消除應(yīng)力，降低硬度，提高機(jī)械加工性能。40CrNiMo鋼屬于亞共析鋼在完全退火過程中，過冷奧氏體在冷卻過程中先在低碳合金元素處析出共析鐵素體，將多余的碳

25、排入兩次的富化帶，形成鐵素體+珠光體的帶狀組織力學(xué)性能較差。而在760的不完全退火后得到的組織是粒狀貝氏體，該組織具有較低的強(qiáng)度和較好的韌性，對(duì)應(yīng)不同的保溫時(shí)間的硬度約為175HB，適合本設(shè)計(jì)的工藝流程，所以采用不完全退火。圖7為760下不同保溫時(shí)間及冷卻方式下的硬度值。圖7 40CrNiMo鋼不同工藝參數(shù)的影響2.7.2 淬火工藝原理把鋼加熱到臨界點(diǎn)Ac1或Ac3以上一定溫度，保溫一定時(shí)間，然后以大于臨界淬火速度的速度冷卻，使過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或貝氏體組織的熱處理工藝稱為淬火。淬火是使鋼強(qiáng)化和獲得某些特殊使用性能的主要方法。一般來(lái)說，淬火后還必須有回火與之相配合，以達(dá)到提高硬度、耐磨度、

26、強(qiáng)韌性，耐蝕性、耐熱性等的目的。所謂鋼的淬透性，就是鋼在淬火時(shí)獲得馬氏體的能力。根據(jù)淬透性對(duì)鋼的組織及性能的影響可知，鋼熱處理后的性能決定于鋼材熱處理后所獲得的金相組織。當(dāng)回火溫度一定時(shí)，淬火組織就成為影響鋼材在調(diào)質(zhì)處理后力學(xué)性能的重要因素。鋼淬火后的金相組織不僅與工件的尺寸大小和淬火時(shí)的冷卻條件等因素有關(guān)，而且與鋼的淬透性高低有密切關(guān)系。如果工件尺寸和淬火條件一定時(shí)則鋼的淬火組織僅由其淬透性決定。淬火時(shí)往往會(huì)遇到兩種情況：一種是工件從表面到中心都獲得馬氏體組織，同樣具有高硬度，稱之為“淬透”了；另一種是工件表層獲得馬氏體組織，具有高硬度，而心部則是非馬氏體組織，其硬度偏低，稱之為“未淬透”。

27、圖8為40CrNiMo鋼的淬透性曲線。40CrNiMo鋼這種材料是低合金鋼，其淬透性在低合金鋼中較為優(yōu)秀。由淬透性曲線可得，其油淬臨界直徑為25一40mm,水淬臨界直徑為50一65mm(心部為50%馬氏體,心部硬度46HRC)。圖8 40CrNiMo鋼的淬透性曲線40CrNiMo鋼雖然屬于合金鋼，理論上淬火溫度應(yīng)該比碳鋼使用更高的溫度，但通過查閱資料顯示，40CrNiMo鋼經(jīng)850淬火即常規(guī)淬火后其組織為板條狀和少量針狀馬氏體，這種板條狀組織可以大大提高鋼的力學(xué)性能，其硬度呈現(xiàn)較高值，但有一個(gè)明顯缺點(diǎn)就是沖擊韌性較差，汽輪機(jī)主軸的性能要求中，良好的沖擊韌性是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。為了實(shí)際使用過程

28、中40CrNiMo鋼具有良好的韌性，可以通過高溫回火或降低淬火溫度來(lái)進(jìn)行熱處理，因?yàn)?0CrNiMo鋼具有良好的淬透性，淬火溫度設(shè)定在790就可以得到最大的沖擊韌性，而且硬度強(qiáng)度也能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到57.2HRC。淬火后的沖擊韌性不足以說明淬火溫度是否合適，因此圖9為不同淬火溫度在不同溫度下回火后的沖擊韌性。 圖9 淬火溫度對(duì)沖擊韌性的影響2.7.3 高溫回火工藝原理回火是指將淬火鋼加熱到臨界點(diǎn)A1以下某一溫度，保溫一定時(shí)間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。高溫回火則屬于調(diào)質(zhì)工藝中的一個(gè)環(huán)節(jié)。回火工序中，除高溫回火之外，還有低溫回火和中溫回火，低溫回火是為了得到硬度相對(duì)較高回火馬氏體，中溫回火是為了得

29、到具有較好彈性極限的回火屈氏體，高溫回火則是為了得到塑性韌性強(qiáng)度硬度均衡的良好綜合力學(xué)性能的回火索氏體。汽輪機(jī)主軸工作時(shí)需要承受相當(dāng)大的彎曲力矩和扭曲力矩，因而對(duì)塑性韌性強(qiáng)度硬度均有較高的要求，所以調(diào)質(zhì)工藝，也就是高溫回火后得到的回火索氏體，才是汽輪機(jī)主軸需要的具有良好綜合性能的組織。40CrNiMo鋼屬于鉻鎳鉬系調(diào)質(zhì)鋼因Ni、Mo的加入，顯著地提高了淬透性和抗回火軟化能力，使其具有優(yōu)良的綜合性能。由于鋼中Mo、V元素的加入抑制了鋼的回火脆性，通常選擇水冷或油冷。回火后微觀組織均為回火索氏體+馬氏體+碳化物。隨著回火溫度的升高，從馬氏體中析出的滲碳體顆粒發(fā)生粗化，并失去其原來(lái)析出時(shí)的棒狀或片狀

30、形態(tài)而逐漸球化。高于500回火后，碳化物已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榱顫B碳體?；鼗饻囟壤^續(xù)升高，當(dāng)超過600時(shí)，細(xì)粒狀滲碳體迅速聚集并粗化回火溫度的升高致使過冷度增大，片間距慢慢變小，最終形成了由多邊形的鐵素體和粗粒狀滲碳體的回火索氏體。790淬火處理后，再經(jīng)550高溫回火，獲得的顯微組織中，馬氏體分解，析出細(xì)小顆粒狀第二相，并呈彌散分布?；鼗鸾Y(jié)束后得到回火索氏體+鐵素體組織，正是由于彌散分布的細(xì)小鐵素體組織使得40CrNiMo鋼在低于標(biāo)準(zhǔn)淬火溫度淬火后強(qiáng)度較正常淬火沒有降低而塑性和韌性提高的原因。在保證硬度和耐磨性的前提下，提高了零件的韌性，大大減少了零件的變形和開裂。其力學(xué)性能如圖10 。經(jīng)過上述熱處理后

31、的汽輪機(jī)主軸平均硬度可以達(dá)到46.6HRC(約為440HBS)，屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度均在1000MPa以上，拉伸率和斷面收縮率也能符合要求。 圖10 40CrNiMo鋼在不同回火溫度下的力學(xué)性能2.8 40CrNiMo鋼熱處理的設(shè)備、儀表和工夾具選擇2.8.1設(shè)備(1)鍛造設(shè)備鍛造工藝采用的設(shè)備是RT4-500型天然氣鍛造爐圖11，最高溫度可達(dá)1200，功率185kw。 圖11 RT4-500型天然氣鍛造爐示意圖(2)退火、淬火、回火加熱設(shè)備為節(jié)省成本，退火和調(diào)質(zhì)工藝可以使用同一熱處理爐進(jìn)行。本次設(shè)計(jì)選用的是RJ2-400-9大型井式爐，額定功率400kw，額定溫度950，井深4000mm符合主

32、軸零件最大軸長(zhǎng)。結(jié)構(gòu)采用全纖維硅酸鋁甩絲毯制成模塊筑成爐體，爐底采用輕質(zhì)保溫磚和重質(zhì)耐火磚砌筑，加熱元件采用電阻絲和電阻帶加熱，爐體外殼采用鋼板和型鋼制作，爐蓋采用手動(dòng)或機(jī)械傳動(dòng)。適合各種產(chǎn)品淬火調(diào)質(zhì)、退火、回火、正火熱處理之用。 圖12 RJ2-400-9大型井式爐示意圖 使用時(shí)應(yīng)注意：1.使用時(shí)爐膛溫度不得超過最高爐溫，也不要長(zhǎng)時(shí)間工作在額定溫度以上。2工作環(huán)境條件為：溫度050 ，相對(duì)濕度<80%，無(wú)導(dǎo)電塵埃，無(wú)易燃易爆物品和腐蝕性氣體。3使用時(shí)爐門要輕開輕關(guān)，以防損壞機(jī)件。4在爐膛內(nèi)取放樣品時(shí)，應(yīng)先關(guān)斷電源，并輕拿輕放，以保證安全和避免損壞爐膛。5為延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命和保

33、證安全，在設(shè)備使用結(jié)束之后要及時(shí)從爐膛內(nèi)取出樣品，退出加熱并關(guān)掉電源。6. 設(shè)備環(huán)境大氣壓力：大氣壓下。2.8.2儀表熱處理中溫度是一個(gè)很重要的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)精確的測(cè)量與控制，對(duì)提高熱處理質(zhì)量十分重要。目前，井式爐的常用儀表:溫度控制為UP350、爐壓風(fēng)壓控制表為YUDIAN、天然氣流量控制為WP-90以及機(jī)械式記錄儀。2.8.3工夾具熱處理過程中，根據(jù)汽輪機(jī)主軸的外形結(jié)構(gòu)、性質(zhì)，尺寸及批量和選用的加熱爐型號(hào)，需要多種工夾具和吊具以保證主軸的加熱均勻，不會(huì)變形，為了保證操作時(shí)的安全性。熱處理中的工夾具可分為吊具、架具和掛具等，掛具的形式很多，有能適用幾種常見零件的通用掛具，也有為大批量零件專用的掛

34、具。對(duì)于幾何形狀復(fù)雜的鍍件，有的要配備輔助陽(yáng)極、輔助陰極或屏蔽板等。鋁陽(yáng)極氧化、塑料電鍍使用的掛具表面非接點(diǎn)部位要有良好的絕緣層。自動(dòng)線的掛具和手工電鍍的掛具也有所區(qū)別。吊具設(shè)計(jì)的基本原則是：有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和良好的導(dǎo)電性，重量輕，裝卸方便，零件與掛具接觸牢固。本設(shè)計(jì)所選用的是RJ2-400-9井式爐專用吊具圖13，吊具長(zhǎng)3500mm，吊盤直徑800mm，材質(zhì)為2520在1200高溫下滿足工作承載要求，可同時(shí)進(jìn)行多根主軸的熱處理工序。 圖13 井式爐吊具2.9 汽輪機(jī)主軸的熱處理質(zhì)量檢驗(yàn)項(xiàng)目、內(nèi)容及要求1）變形檢查 汽輪機(jī)主軸在熱處理過程中加熱、冷卻，并便隨有相變發(fā)生，所以會(huì)產(chǎn)生變形，如彎曲超

35、過圖紙技術(shù)或工藝要求范圍，必須校正。2）外觀檢查 淬火后不能出現(xiàn)過燒、熔化、裂紋等缺陷。硬度合格后應(yīng)進(jìn)行發(fā)黑處理，處理后的顏色為棕色或棕黑色，將表面油漬清理干凈，用銼刀檢查是否具有軟點(diǎn)，表面不能有折疊缺陷。3）硬度檢查 為保證汽輪機(jī)主軸熱處理后達(dá)到技術(shù)或工藝要求，待檢件選取應(yīng)有代表性，通常從熱處理后的零件中選取能反映零件的工作部位或零件的工作部位硬度的其他部位，對(duì)每一個(gè)待檢件的正時(shí)試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)一般應(yīng)不少于3個(gè)點(diǎn)。用洛氏硬度準(zhǔn)確測(cè)量HRA再換算成HRC。 4）金相組織檢查 主軸不完全退火后應(yīng)該為粒狀貝氏體23級(jí)，網(wǎng)狀碳化物2級(jí)。按國(guó)標(biāo)評(píng)定。高溫回火后的金相組織為：回火索氏體+鐵素體+碳化物。組織檢驗(yàn)

36、應(yīng)注意針狀碳化物，都按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定。2.10 汽輪機(jī)主軸的熱處理常見缺陷的預(yù)防及補(bǔ)救方法2.10.1汽輪機(jī)主軸不完全退火的缺陷及其預(yù)防、補(bǔ)救(1)氧化工件在加熱過程中，由于周圍的加熱介質(zhì)與鋼表面所引起的化學(xué)作用，會(huì)使鋼發(fā)生氧化，會(huì)嚴(yán)重影響工件質(zhì)量。氧化是指鋼的表面與加熱介質(zhì)中的氧化性氣體雜質(zhì)相互作用形成氧化鐵的過程。氧化鐵十分疏松，形成后不會(huì)防止氧化繼續(xù)進(jìn)行，因此必須防止。通常采用保護(hù)氣氛加熱、真空加熱或使用保護(hù)涂料防止氧化。(2) 硬度過高由于爐冷速度控制不當(dāng)，造成冷速過快，硬度過大，使機(jī)械加工過程困難。冷卻時(shí)應(yīng)注意爐溫變化速度，保持一定的冷卻速度。(3)粗大魏氏體組織魏氏組織是一種典型的過

37、熱缺陷，是由于加熱溫度過高，奧氏體晶粒粗大，冷速又較快常出現(xiàn)粗大魏氏體，其鐵素體呈片狀按羽毛或三角形分布在原奧氏體晶粒內(nèi)。對(duì)機(jī)械性 能的影響嚴(yán)重。由于魏氏組織針狀鐵素體橫七豎八地割裂了鋼的基體，形成許多脆弱面，使鋼的強(qiáng)度降低而脆性增大魏氏組織量越多，對(duì)鋼的基體的割裂就越重，對(duì)鋼的性能，特 別是韌性的降低就越大。主軸作為汽輪機(jī)重要零件，其內(nèi)部組織絕不允許含魏氏組織等過熱缺陷存在。其解決辦法是鍛前先將原材料進(jìn)行正火或退火處理，或是鍛后正火前進(jìn)行輔助正火。將帶魏氏組織的原材料鍛造后先進(jìn)行高溫正火，使晶粒得到很好細(xì)化。再將高溫正火后送主軸進(jìn)行正常退火。 2.10.2汽輪機(jī)主軸調(diào)質(zhì)的缺陷及其預(yù)防、補(bǔ)救(1) 淬火裂紋由于淬火內(nèi)應(yīng)力在軸的表層拉應(yīng)力超過冷卻時(shí)鋼的斷裂強(qiáng)度而引起的，這種裂紋是工作在進(jìn)入冷卻介質(zhì)中不久之后，溫度降至MS點(diǎn)以下產(chǎn)生的。因?yàn)轳R氏體轉(zhuǎn)變使塑性變形急劇降低，而組織應(yīng)力急劇增大，所以容易形成裂紋。淬火裂紋一旦產(chǎn)生便無(wú)法挽救，因此必須設(shè)法防止。由于40CrNiMo鋼本身淬透性良好，不易出現(xiàn)淬火裂紋，但仍應(yīng)該注意冷卻時(shí)使工件完整進(jìn)入淬火介質(zhì)。而且40CrNiMo鋼的回火脆性較為敏感，淬火后要注意立即回火，因?yàn)?/p>