摘要：轴类零件常见的缺陷进行分析，确定了轴类零件热处理过程中需要改进的工艺，在常规调质工艺的基础上增加亚温淬火，从而改善了轴类材料内部组织结构，细化了材料的晶粒，提高了轴类零件的综合力学性能，满足了生产过程的需要。
关键词：轴 调质 工艺 亚温淬火
一、调质的定义
调质是指零件在810°~890°C温度下先进行淬火处理，再在560°~620°C的温度下进行高温回火，从而获得回火索氏体。零件材料经过调质处理可以使得零件在保持较高强度的同时还能具有良好的塑形和韧性。
二、轴类零件常见缺陷
轴类零件是承受磨损的活动部件，对其进行热处理主要目的是提高其耐磨损能力和其使用寿命。经过淬火加工的轴类零件由于加工余量小、硬度高，不能通过切削加工去除其氧化层和脱碳层，变形和开裂是淬火时形成的内应力所致，所以必须改善淬火和回火时的加工工艺，以改善热处理的效果。
三、轴类零件常用的调质工艺及其改进措施
3.1淬火工艺
淬火是为了获得马氏体组织，淬火过程中要求钢的冷却速度要快，钢的冷却速度必须大于钢获得马氏体的最小冷却速度。钢的种类不同其临界速度也各不相同，碳钢比合金钢的冷却速度大，所以一般情况下碳钢在水中冷却，合金钢在油中冷却。冷却速度过快会使钢的内应力增加，引起钢件的变形，甚至开裂；过小又得不到马氏体组织。调质处理时常常选用Ac3+30~50°（亚共析钢）或Acm+30~50°C（过共析钢）之间的某一个温度作为热处理时的炉温。其工艺如下表1所示。由于要承受较大的载荷，所以常常选用钢作为轴类的材料。在热处理的过程中，人们期望得到晶粒均匀的奥氏体，在淬火后得到均匀的马氏体组织，这样就可以减少冷却应力的形成。
由于钢中含有Mo、V等微量元素，能够增加奥氏体的稳定性，Mo还能减少回火时的脆性。根据材料的特点和设备的适应性，采取提高奥氏体化温度和延长保温时间即增加亚温淬火来提高过冷奥氏体的稳定性，使钢材完全转变成马氏体组织。钢在Ac3点温度大约是740°C，所以改进后的工艺中选择炉内的加热温度为（900±10）°C，保温时间为1小时，水冷时间为2分钟。然后接着进行亚温淬火，淬火温度为（820±10）°C，同样保温时间为1小时，然后将轴放到冷却介质中进行冷却。高温淬火和亚温淬火时冷却介质可以选择水冷也可以选择油冷。其工艺如下图1所示。
图1 轴类零件改进后调质工艺图
3.2回火工艺
回火是在淬火后再把工件加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间，然后再冷却到室温的热处理工艺。按照回火温度不同，可以分为低温回火、中温回火和高温回火三种不同的类型。
钢在520~560°C温度下回火具有二次硬化的作用，回火还可以消除淬火时工件内部产生的残留应力，提高工件的强度和硬度，防止工件变形和开裂现象的发生。由于轴类零件往往采取合金钢，故其回火温度在500~650°C范围内最佳。为保证回火后轴的各项性能满足使用要求，根据炉的特点，分别将炉温定在630、635、640三种不同的温度下，对轴类零件进行回火试验，测试结果如下表2所示。
四、试验分析
4.1实验结果分析
通过对以上数据整理得到下图1、2、。图1为回火温度与强度的关系；图2为回火温度与硬度的关系。
图2 回火温度与强度的关系 图3 回火温度与硬度的关系
由图可以知道，回火温度对轴类材料的力学性能影响也非常大，其屈服强度、抗拉强度和硬度随着回火温度的上升而下降。但是随着回火温度的升高，工件的塑性和韧性得到了提高。所以在实际应用中根据不同的要求选择合适的回火温度即可。由图1可知，这次选用了635°C的回火温度。
4.2工艺分析
在轴类热处理工艺中增加了亚温调质的步骤，其晶粒得到了细化，究其原因如下所示：
（1）亚温淬火利于形成位错马氏体
由铁碳合金相图可知，钢在两相区加热，转化成奥氏体的过程中，奥氏体的含碳量非常高，淬火后马氏体大部分成板条状排列，但是也有少部分枣核状马氏体成平行排列。枣核状马氏体的亚结构仍以高密度位错为主，局部由孪晶亚结构。高温淬火一方面可以使位错亚结构的马氏体数量增多，另一方面使马氏体的晶体结构接近于体心立方，使材料表现出较好的强韧性。
（2）亚温淬火减少了铁素体的数量
亚温淬火提高了淬火的初始温度，两相区中的铁素体受到马氏体组织的制约作用。若零件的开裂出现在强度较低的铁素体中时，也会因为马氏体的制约作用缩短裂纹距离。
五、结论
1）提高淬火温度，并增加亚温淬火可以细化晶粒，减少零件的开裂，提高轴类零件的各项性能。
2）在淬火温度和保温时间相同的条件下，不同的回火温度材料的强度性能不同，随回火温度的升高强度性能下降，塑性、韧性性能上升。
3）经过亚温淬火，随着淬火温度的提高，铁素体数量在减少，马氏体数量增多；铁素体的形状也有大块状、大颗粒状向针状和细小颗粒状转变，马氏体的形态也更为细小。
参考文献:
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