精密磨床主轴热处理工艺设计

辽宁⼯业⼤学⼯艺课程设计（论⽂）题⽬：精密磨床主轴热处理⼯艺设计院（系）：专业班级：学号：学⽣姓名：指导教师：起⽌时间：

课程设计（论⽂）任务及评语

⽬录

1精密磨床主轴热处理概述 (1)2 精密磨床主轴热处理⼯艺设计 (2)

2.1 主轴的服役条件、失效形式及性能要求 (2)2.1.1 服役条件、失效形式 (2)2.1.2 性能要求 (2)2.2 主轴材料的选择 (2)2.3 38CrMoAlA钢的C曲线 (4)

2.4 38CrMoAlA钢主轴的热处理⼯艺设计 (4)2.4.1 38CrMoAlA钢的⼯艺流程 (5)2.4.2 38CrMoAlA钢的热处理⼯艺设计 (5)

2.5 38CrMoAlA钢主轴的热处理⼯艺理论基础、原则 (9)2.5.1 38CrMoAlA钢的正⽕⼯艺理论基础、原则 (9)2.5.2 38CrMoAlA钢的调质⼯艺理论基础、原则 (11)2.5.3 38CrMoAlA钢的去应⼒退⽕⼯艺理论基础、原则 (12)2.5.4 38CrMoAlA钢的渗氮⼯艺理论基础、原则 (12)2.6 选择设备、仪表和⼯夹具 (13)2.6.1 设备 (13)2.6.2 仪表 (16)2.6.3 设计⼯夹具 (17)

2.7 38CrMoAlA钢主轴热处理质量检验项⽬、内容及要求 (17)2.8 38CrMoAlA钢主轴热处理常见缺陷的预防及补救⽅法 (18)2.8.1 加热时常见的缺陷的预防及补救⽅法 (18)2.8.2 淬⽕、回⽕、退⽕缺陷与预防、补救 (19)

2.8.3 渗氮时常见的缺陷的预防及补救⽅法 (20)2.9 热处理⼯艺 (21)

2.9.1 38CrMoAlA钢正⽕⼯艺卡 (22)2.9.2 38CrMoAlA钢调质⼯艺卡 (23)2.9.338CrMoAlA钢去应⼒退⽕⼯艺卡 (24)2.9.4 38CrMoAlA钢渗氮⼯艺卡 (25)3.参考⽂献 (27)

1精密磨床主轴热处理概述

磨床是利⽤磨具对⼯件表⾯进⾏磨削加⼯的机床。精密机床的主轴在⼯作时载荷不⼤，基本上⽆冲击⼒。有摩擦，但⽐齿轮等零件的磨损要轻，同时也受到交变的疲劳应⼒。这⼀类零件重要的要求是能保持⾼的精度，因此在性能上与渗碳有所区别，为了满⾜这些性能的要求，常常采⽤中碳钢(38CrMoAlA、35CrMo)经正⽕、调质、去应⼒退⽕、渗氮的热处理⼯艺，渗氮层深度0.4~0.9mm，硬度⼤于等于850HV。

38CrMoAlA钢的含碳质量分数⽐较低，渗氮的⽬的是为了获得较⾼的表⾯硬度和耐磨性，提⾼疲劳强度，改善对缺⼝的敏感性；还具有抗⽔、油等介质腐蚀的能⼒，有⼀定的耐热性，在低于渗氮温度下受热可保持⾼的硬度。

通过对经典38CrMoAlA钢热处理⼯艺的分析，更加明确在执⾏热处理⼯艺过程中所需要注意的问题。能够正确确定加热温度、时间、保温时间、冷却⽅式，其⽬的就是通过正确的热处理⼯艺，使⾦属材料的潜在能⼒得到充分的发挥。

根据主轴的⼯作条件，失效形式及性能要求，本设计选择的主轴材料为38CrMoAlA 渗氮钢，在设计正⽕-调质-去应⼒退⽕-渗氮热处理⼯艺中，本设计借鉴了《热处理技师⼿册》，《⾦属热处理原理与⼯艺》，《热处理⼿册》等。根据⼯艺设计的理论基础设定了完整的热处理⼯艺流程，使热处理的38CrMoAlA渗氮钢表⾯除具有⾼硬度，⾼耐磨性外，⾼的耐点蚀性能，⾼的疲劳强度，还要使⼼部具有⾼的的强度和韧性，从⽽满⾜主轴的质量要求。2 精密磨床主轴热处理⼯艺设计

2.1 主轴的服役条件、失效形式及性能要求2.1.1 服役条件、失效形式

主轴是机床的重要零件之⼀，主要传递动⼒。切削加⼯时，⾼速旋转的主轴承受弯曲、扭转和冲击等多种载荷，要求它具有⾜够⾼的强度、刚度、耐疲劳、耐磨损以及精度稳定等性能。

与滑动轴承相配的轴颈可能发⽣咬死（⼜称抱轴），使轴颈⼯作⾯咬伤，甚⾄咬裂，这是磨床砂轮主轴常见的失效形式之⼀。主要起因有润滑不⾜、润滑油不洁净、轴⽡材料选择不当、结构设计不合理、加⼯精度不够、主轴副装配不良及间隙不均等。咬死现象⼀旦发⽣，则主轴运转精度下降，磨削时产⽣振动，被磨削零件表⾯出现裂纹。解决措施除对上述原因改进外，在主轴选材和热处理⽅⾯，应提⾼硬度、热硬性、热强度以增强抗咬死能⼒。实践证明：抗咬死能⼒依65Mn钢中频加热淬⽕→GCr15钢中频加热淬⽕→38CrMoAlA钢渗氮顺序提⾼。

带内锥孔或外圆锥度的主轴，⼯作时与配合件虽⽆滑动，但装卸频繁。例如，铣床主轴常需调换道具，磨床头尾架主轴常需调换卡盘和顶尖，磨床砂轮主轴常需调换砂轮等，在装卸中都易使锥⾯拉⽑磨损，影响精度，故也需硬化处理。2.1.2 性能要求1.具有⾼的刚度；2.具有⾼的抗震性；3.具有⾼的耐磨性；4.具有⾼精度。2.2 主轴材料的选择

主轴依⽤材和热处理⽅式可分为四种⽅式，即局部淬⽕⽅式、渗碳主轴、渗氮主轴和调质主轴。与滚动轴承与静压轴承配合的主轴宜采⽤渗碳淬⽕主轴或局部淬⽕主轴，⼤直径渗碳淬⽕主轴应选⽤含合⾦元素多的渗碳钢，有效渗碳硬化层深度取上限。局部淬⽕主轴⼀般选⽤中碳结构钢，硬度要求⾼的可选⽤⾼碳结构钢。与滑动轴承配合的主轴，宜采⽤渗氮主轴，要求较低的也可以采⽤渗碳主轴或⾼碳合⾦钢主轴。调质主轴仅适⽤于部分重型机床或低速机床。

表1 主轴材料及热处理技术要求及特点]1[热处理类别

材料牌号热处理技术要求特点渗碳20Cr15CrMo20CrMo15CrMn1)正⽕或调质

2）主轴端部⼯作⾯及轴承⽀撑部位渗碳层深度0.8—1.6m m，局部加热3)低温时效1）耐磨性好2）承受冲击性能好3）对整体淬⽕件，去碳层部位可机械加⼯局部淬⽕（或整体淬⽕）456040Cr40MnVB1）调质或正⽕

2）主轴端部⼯作⾯及轴承⽀撑部位局部淬⽕，硬度48—53HRC，感应加热淬⽕有效硬化层深度不⼩于1mm3）低温时效1）耐磨性好2）⽣产成本低3）能承受⼀定冲击65MnGCr15GCr15SiMn1）调质⽕球化退⽕

2）主轴端部⼯作⾯及轴承⽀撑部位局部淬⽕，硬度58—63HRC，感应加热淬⽕

有效硬化层深度不⼩于1mm3）低温时效1）耐磨性好2)精加⼯后表⾯粗糙度可达到0.02--0.04um3)整体淬⽕主轴承受冲击能⼒差

渗氮38CrMoAlA 1）调质或正⽕2）渗碳层深度0.4—0.9mm3）低温时效1）耐磨性好2）抗胶合能⼒强，不宜“抱轴”

3）精加⼯后表⾯粗糙度可达到0.04um调质（或正⽕）4540Cr调质或正⽕1）⽣产成本低2）仅适⽤于部分重型机床或低速机床

综上⽐较，38CrMoAlA钢具有⾼耐磨性，抗胶合能⼒强，不宜“抱轴”，精度⾼等优点，所以选38CrMoAlA渗氮钢作为精密磨床主轴材料。

2.3 38CrMoAlA钢的C曲线通过查找《热处理⼿册》

]2[获得38CrMoAlA钢的C曲线如下图1所⽰，成分如表1。

图1. 38CrMoAlA钢C曲线表2 38CrMoAlA钢渗化学成分]3[材料

化学成分(质量分数）%

38CrMoAlA

C:0.35~0.42 Si:0.20~0.45 Mn:0.30~0.60 Al:0.70~1.10 Cr:1.35~1.65 Mo:0.15~0.252.4 38CrMoAlA钢主轴的热处理⼯艺设计2.4.1 38CrMoAlA钢的⼯艺流程1.加⼯路线

备料→锻造→正⽕→粗加⼯→调质→去应⼒退⽕→渗氮→半精磨→精加⼯。2. 锻造⼯艺设计

造渗氮主轴的⽑坯经过锻造后获得基本的形状。锻造是利⽤锻压机械对⾦属坯料施加压⼒，使其产⽣塑性变形，以获得具有⼀定机械性能、⼀定形状和尺⼨的锻件的加⼯⽅法。⽤棒料镦粗后经切削加⼯制成的主轴，有⼀定的耐磨性和抗震性，较⾼精度，与滑动轴承相配的轴颈位置有较⾼的硬度和耐磨性。查阅《热处理⼯艺规范数据⼿册》可以找出38CrMoAlA钢的锻造⼯艺的加热温度、始锻温度、冷却⽅式，本设计具体的锻造⼯艺渗数如表2所⽰。]4[

表3 38CrMoAlA钢的热加锻造⼯艺规范

项⽬Ac1（Ar1）Ac3加热温度始锻温度终锻温度钢坯800℃（730℃）940℃1180℃1180℃850℃图2是38CrMoAlA主轴零件图。

图2 38CrMoAlA钢主轴零件图2.4.2 38CrMoAlA钢的热处理⼯艺设计1．预备热处理⼯序--正⽕

⼀般均安排在⽑坯⽣产之后，切削加⼯之前，或粗加⼯之后，半精加⼯之前。正⽕的⽬的是为了细化晶粒、改善组织，提⾼切削加⼯性能，为最终热处理做好准备。正⽕⼯艺曲线如图3所⽰。

图3 38CrMoAlA钢热处理⼯艺曲线2. 38CrMoAlA钢的调质

淬⽕后⾼温回⽕的热处理⽅法称为调质处理。⾼温回⽕是指在500-650℃之间进⾏回⽕。调质可以使钢的性能，材质得到很⼤程度的调整，使钢件有很⾼的韧性和⾜够的强度，具有良好的综合机械性能。调质处理后得到回⽕索⽒体。图4为38CrMoAlA钢调质处理⼯艺曲线。

图4 38CrMoAlA钢调质处理⼯艺曲线3. 38CrMoAlA钢的去应⼒退⽕

将冷变形后的⾦属在低于再结晶温度加热，以消除内应⼒，但仍保留加⼯硬化效果的热处理，称为去应⼒退⽕。在实际⽣产中，去应⼒退⽕⼯艺的应⽤⽐上述定义⼴泛得多。热锻轧、铸造、各种冷变形加⼯、切削或切割、焊接、热处理甚⾄机器零部件的装配，在不改变组织状态、保留冷作、热作或表⾯硬化的条件下，将⼯件加热到Ac1以下某⼀温度，保温⼀定时间，然后缓慢冷却，以消除内应⼒，减⼩变形及开裂倾向的热处理，统称为去应⼒退⽕。38CrMoAlA钢去应⼒退⽕⼯艺曲线如图5所⽰。

图5 38CrMoAlA钢去应⼒退⽕⼯艺曲线4．38CrMoAlA钢的渗氮

常⽤的渗氮⽅法有：离⼦渗氮、液体渗氮、固体渗氮和⽓体渗氮。⽓体渗氮是把⼯件放⼊密封容器中，通以流动的氨⽓并加热，保温较长时间后，氨⽓热分解产⽣活性氮原⼦，不断吸附到⼯件表⾯，并扩散渗⼊⼯件表层内，从⽽改变表层的化学成分

和组织，获得优良的表⾯性能。常⽤的是⽓体渗氮和离⼦渗氮。38CrMoAlA钢渗氮⼯艺曲线如图6所⽰。

图6 38CrMoAlA钢渗氮⼯艺曲线

2.5 38CrMoAlA钢主轴的热处理⼯艺理论基础、原则2.5.1 38CrMoAlA钢的正⽕⼯艺理论基础、原则1．正⽕加热温度

通常对于低碳合⾦钢正⽕的加热温度为Ac3以上50～100℃，⽽对于⾼碳合⾦钢的正⽕温度通常为Ac1以上50～100℃，保温⼀定时间后取出喷雾冷却这种冷却⽅式称为⾼温正⽕。加热温度过低先共析铁素体未能全部溶解⽽达不到细化晶粒的作⽤，加热温度过⾼会造成晶粒粗化恶化钢的⼒学性能。锻坯经过正⽕后，不仅改善了材料的组织和性能，还可以改善钢的切削加⼯性能。由铁碳合⾦相图如图7可知38CrMoAlA钢的加热温度范围为980～1030℃。

图7 Fe-C合⾦相图2．正⽕加热保温时间

保温时间,这个问题⽐较复杂,⼀般由试验确定,但也有个经验公式:t = αKDt—保温时间(min)α—加热系数(min/mm)K—⼯件加热是的修正系数D—⼯件的有效厚度(mm)

⼯件有效厚度的计算原则是：薄板⼯件的厚度即为其有效厚度；长的圆棒料直径为其有效厚度；正⽅体⼯件的边长为其有效厚度；长⽅体⼯件的⾼和宽⼩者为其有效厚度；带锥度的圆柱形⼯件的有效厚度是距⼩端2L/3(L为⼯件的长度)处的直径；带有通孔的⼯件,其壁厚为有效厚度。⼀般情况下，碳钢可以按⼯件有效厚度每25毫⽶为⼀⼩时来计算，合⾦钢可以按⼯件的有效厚度每20毫⽶⼀⼩时来计算保温时间，加热时间应为2～3⼩时左右。3．正⽕的⽬的

正⽕的主要⽬的是消除锻造缺陷，消除主轴内部过⼤的应⼒,增加韧性,改善材料的切削性,并为调制淬⽕做好组织准备。2.5.2 38CrMoAlA钢的调质⼯艺理论基础、原则1. 38CrMoAlA钢的调质⼯艺

调质常常应⽤在中碳结构钢，也⽤在低合⾦铸钢中。调质钢有碳素调质钢和合⾦调质钢两⼤类，不管是碳钢还是合⾦钢，其含碳量控制⽐较严格。如果含碳量过⾼，调质后⼯件的强度虽⾼，但韧性不够；如含碳量过低，韧性提⾼⽽强度不⾜。为使调质件得到好的综合性能，⼀般含碳量控制在0.30~0.50%。调质淬⽕时，要求⼯件整个截⾯淬透，使⼯件得到以细针状淬⽕马⽒体为主的显微组织，通过⾼温回⽕，得到以均匀回⽕索⽒体为主的显微组织。

淬⽕⼯艺的实质是奥⽒体化后进⾏马⽒体转变（或贝⽒体转变）。淬⽕钢得到的组织主要是马⽒体，此外，还有少量残余奥⽒体和未溶的第⼆相。

淬⽕加热温度的选择应以得到均匀细⼩的奥⽒体晶粒为原则，以便淬⽕后获得细⼩的马⽒体组织。淬⽕加热温度主要根据钢的临界点来确定，38CrMoAlA钢属于中碳合⾦结构钢，淬⽕加热温度为Ac3以上50～100℃，根据图7可得38CrMoAlA钢淬⽕温度为920~940℃。保温时间根据零件直径⽽定，盐浴炉：0.5mm/min，箱式电阻炉：1mm/min，根据零件图可得保温0.5h。制定钢的回⽕⼯艺时，根据钢的化学成分、⼯件的性能要求以及⼯件淬⽕后的组织和硬度来正确选择回⽕温度、保温时间、回⽕后冷却介质等，以保证⼯件回⽕后能获得所需要的组织性能。

⾼温回⽕温度为500~650℃；回⽕温度时间确定原则：回⽕时间从⼯件⼊炉后炉温升⾄回⽕温度时间开始计算，回⽕时间⼀般为1～3h，可参考经验公式加以确定：tn=Kn+AnD，式中tn--回⽕时间（min）；Kn--回⽕时间基数；

An--回⽕系数；

D--⼯件有效厚度（mm）。]5[

对于具有第⼆类回⽕脆性的某些合⾦，⾼温回⽕后应进⾏油冷或空冷，以抑制回⽕脆性。2.调质的⽬的

调质主要⽬的是保证零件的切削加⼯性能和较⾼的综合⼒学性能，可依据其碳质量分数和合⾦元素的种类、数量不同选择预备热处理。

2.5.3 38CrMoAlA钢的去应⼒退⽕⼯艺理论基础、原则1.38CrMoAlA钢的去应⼒退⽕

为了去除塑性变形加⼯、切削加⼯或焊接造成的内应⼒及铸件内存在的残留内应⼒⽽进⾏的退⽕称为去应⼒退⽕。去应⼒退⽕⼀般在稍⾼于再结晶温度下进⾏，钢铁材料⼀般在550~650℃，热模具钢及⾼合⾦钢可适当升⾼到650~750℃。去应⼒退⽕时间与退⽕温度有关，研究表明，在450℃退⽕只有50%的应⼒得到消除，⽽要使内应⼒完全消除，在600℃需15h，在650℃只需1h，为了不致使去应⼒退⽕后冷却时再发⽣附加残留]6[

应⼒，应缓冷到500℃以下出炉空冷，⼤截⾯⼯件需缓冷到300℃以下出炉空冷。2. 去应⼒退⽕⽬的

为了去除⼯件塑性变形加⼯、切削加⼯或焊接造成的内应⼒及铸件内存在的残余应⼒⽽进⾏的退⽕。2.5.4 38CrMoAlA钢的渗氮⼯艺理论基础、原则1．38CrMoAlA钢主轴渗氮⼯艺

在⼀定温度下（⼀般在Ac1以下），是活性氮原⼦渗⼊⼯件表⾯的化学热处理⼯艺，称为渗氮。渗氮有多种⽅法，常⽤的是⽓体渗氮和离⼦渗氮。传统的⽓体渗氮是把⼯件放⼊密封容器中，通以流动的氨⽓并加热，保温较长时间后，氨⽓热分解产⽣活性氮原⼦，不断吸附到⼯件表⾯，并扩散渗⼊⼯件表层内，从⽽改变表层的化学成分和组织，获得优良的表⾯性能。渗⼊钢中的氮⼀⽅⾯由表及⾥与铁形成不同含氮量的氮化铁，⼀⽅⾯与钢中的合⾦元素结合形成各种合⾦氮化物，特别是氮化铝、氮化铬。这些氮化物具有很⾼的硬度、热稳定性和很⾼的弥散度，因⽽可使渗氮后的钢件得到⾼的表⾯硬度、耐磨性、疲劳强度、抗咬合性、抗⼤⽓和过热蒸汽腐蚀能⼒、抗回⽕软化能⼒，并降低缺⼝敏感性。

与渗碳⼯艺相⽐，渗氮温度⽐较低，因⽽畸变⼩，但由于⼼部硬度较低，渗层也较浅，⼀般只能满⾜承受轻、中等载荷的耐磨、耐疲劳要求，或有⼀定耐热、耐腐蚀要求的机器零件，以及各种切削⼑具、冷作和热作模具等。38CrMoAlA钢主轴渗氮采⽤⽓体渗氮法。

⽓体渗氮：⼀般以提⾼⾦属的耐磨性为主要⽬的，因此需要获得⾼的表⾯硬度。它适⽤于38CrMoAl等渗氮钢。渗氮后⼯件表⾯硬度可达HV850～1200。渗氮温度低，⼯件畸变⼩，可⽤于精度要求⾼、⼜有耐磨要求的零件，如镗床镗杆和主轴、磨床主轴、⽓缸套筒等。但由于渗氮层较薄，不适于承受重载的耐磨零件。

⽓体渗氮可采⽤⼀般渗氮法（即等温渗氮）或多段（⼆段、三段）渗氮法。前者是在整个渗氮过程中渗氮温度和氨⽓分解率保持不变。温度⼀般在480～530℃之间，氨⽓

]7[这种⼯艺适⽤于渗层浅、畸变要求严、硬分解率为18～40％，保温时间近80⼩时。

度要求⾼的零件，但处理时间过长。多段渗氮是在整个渗氮过程中按不同阶段分别采⽤不同温度、不同氨分解率、不同时间进⾏渗氮和扩散。整个渗氮时间可以缩短到近50⼩时，能获得较深的渗层，但这样渗氮温度较⾼，畸变较⼤。

还有以抗蚀为⽬的的⽓体渗氮，渗氮温度在600～650℃之间，保温0.5～1.5⼩时，氨分解率为40～50％，⼯件表层可获得化学稳定性⾼的化合物层，防⽌⼯件受湿空⽓、过热蒸汽、⽓体燃烧产物等的腐蚀。正常的⽓体渗氮⼯件，表⾯呈银灰⾊。有时，由于氧化也可能呈蓝⾊或黄⾊，但⼀般不影响使⽤。2．渗氮的⽬的

渗氮的⽬的使38CrMoAlA钢零件表⾯得到⾼的含氮量，提⾼表⾯硬度、耐磨性、耐蚀性及疲劳强度，⽽⼼部仍保持⼀定的强度及较⾼的塑性、韧性。经渗氮后，从表⾯到⼼部形成⼀个浓度梯度层，如果缓冷下来，表⾯为⽩亮层 相化合物层，次表层深⾊区域为含氮索⽒体，⼼部组织为回⽕索⽒体。2.6 选择设备、仪表和⼯夹具2.6.1 设备

1．正⽕设备

箱式电阻炉是以电为能源，加热⽅式的特点是在加热器和⼯件之间存在⽓体介质。⽓体介质有氧化性⽓氛、惰性⽓氛、渗碳⽓氛、渗氮⽓氛等。电阻加热炉具有温度控制精度均匀性好、⽆噪⾳和⽆污染等优点。箱式电阻炉是热处理⽣产过程中应⽤最⼴泛的加热设备。箱式炉具有很多优点：结构简单价格低，具有较⾼的温度均匀性，较⾼的热效率，易于实现温度和⼯艺过程的⾃动控制。它的⼯艺流程是：⼊⼝→加热炉→淬⽕槽→清洗设备→回⽕炉出⼝。如图8所⽰。图8 箱式电阻炉⽰意图2.调质设备

调质是由淬⽕加⾼温回⽕组成的。1）淬⽕设备

中温箱式电阻炉：额定功率45KW,额定电压380V，额定温度950℃。图9为45k w中温箱式电阻炉。]1[

图9 45kw中温箱式电阻炉

1——炉底板 2——电热元件 3——炉称 4——配重 5——炉门升降机构6——限位开关 7——炉门 8——链轮2）回⽕设备

RJ2-25-6低温井式电阻炉：额定功率25KW，额定电压380V，额定温度650℃。3.退⽕设备箱式电阻炉。4．渗氮设备

热处理设备为⼤型井式⽓体渗氮炉，主要问题是氨分解率在炉膛不同深度的均匀度，φ

为此，有的沿深度不同部位通⼊氮，有的采⽤真空渗氮，炉膛尺⼨为mm400?4000mm

的真空渗氮炉在⽣产中应⽤。渗氮炉配合脉冲控制装置实现脉冲渗氮，对节氮有显著作⽤。渗氮炉计算机控制，⽬前实际上是检测和控制炉⽓中氢⽓的含量，作为氨的分解率的指标间接控制氮势。图10为⼤型井式⽓体渗氮炉。

图10 ⼤型井式⽓体渗氮炉

1——油封 2——炉壳 3——炉衬 4——加热器 5——炉膛6——炉盖 7——滴注器 8——炉盖升降机构2.6.2 仪表1．温度检测表

热电偶：镍铬—镍硅（镍铝），温度范围40～1200℃。