专业综合实验
--常用机床主轴的热处理及组织与性能分析
一、实验目的
1. 对于车床主轴的选材
2. 掌握车床主轴热处理工艺的制定及操作方法
3. 分析热处理工艺与材料性能的关系
二、实验原理
2.1热处理工艺
热处理主要是通过对钢材在固定范围内施以不同的加热、保温、冷却的过程，来改变其内部组织，从而获得所需性能的工艺方法。
热处理可以是工件加工过程中一个中间环节，也可以是使工件性能达到要求的最终工序，普通热处理基本工艺包括退火、正火、淬火和回火等。
图1 碳钢退火加热温度与铁碳平衡图的关系（1）钢的退火
钢的退火是将钢件加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。
根据钢件的成分及退火目的不同和工件退火时加热温度的不同，退火工艺一般为：①低温回火；②再结晶退火；③不完全退火；④完全退火；⑤等温退火；
⑥扩散退火等。
各种退火工艺的加热温度与铁碳平衡图的关系见图11。
（2）钢的正火
钢的正火是将工件加热到A C1或Acm以上30-50℃，保温后在空气中冷却的一种热处理工艺。
碳素钢退火、正火温度如表1所示。
表1 碳素钢退火、正火温度
（3）钢的淬火
钢的淬火是将钢加热到A C3或A C1以上30-50℃，保温后在不同的冷却介质中快速冷却，从而获得马氏体和（或）贝氏体组织的一种热处理工艺。
制定淬火工艺需要根据工件的化学成分、形状、尺寸选择适当的加热温度、保温时间和淬火冷却介质。
常用的淬火剂的冷却能力如表2所示，常用淬火碱浴、盐浴剂的成分如表3所示。
制定淬火工艺还需要选择适当的淬火方法，常用的淬火方法有单液淬火、双液淬火、分级淬火、等温淬火等。
（4）钢的回火
钢的回火是指把经过淬火后的钢在加热到A C1以下某一温度，保温一段时间，然后在空气中或油中冷却的热处理工艺。
根据回火目的不同，回火又可以分为低温回火（〈250℃），中温回火（250～500℃），高温回火（500～650℃）。
2.2 钢在热处理状态下的显微组织及性能
碳素钢经过完全退火处理后的显微组织基本上与铁碳相图中的各种平衡组织相似。
但在快速冷却条件下的显微组织就不能用铁碳相图来加以分析，而应由过冷奥氏体等温或连续转变曲线（C曲线）来确定。
随着碳素钢化学成分及冷却条件的不同，过冷奥氏体将发生不同类型的转变。
共析钢过冷奥氏体在不同温度条件下转变的组织特征及其性能如表4所示。
（1）钢的退火和正火组织
亚共析成分的碳素钢一般采用完全退火，可得到接近于平衡状态的组织；而过共析成分的碳素钢则采用球化退火，使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体呈颗粒状。
碳素钢正火后的组织比退火组织为细，对于低碳钢和中碳钢可以细化晶粒，提高强度；对于含碳量在0.4%以下的钢，可以改善切削加工性能；对于共析钢及过共析钢，正火一般是为球化处理做准备。
表4 共析钢过冷奥氏体在不同温度条件下转变的组织特征及其性能
（2）钢的淬火组织
碳素钢经正常淬火可得到马氏体组织。
马氏体的形态有两种，即片状马氏体（或称针状马氏体、透镜状马氏体、隐晶马氏体）和板条马氏体（或称块状马氏体、位错马氏体），当w c≧1.0%时，基本上为片状马氏体；当0.045%＜w c＜0.2%时，一般为板条马氏体；若0.2%＜w c＜1.0%时，则为片状马氏体和板条状马氏体的混合组织。
淬火温度过低、过高或冷却速度不足，显微组织都会发生相应的变化，零件的机械性能也有相应的变化。
（3）淬火后的回火组织
钢经淬火后所得到的马氏体和残余奥氏体均为不稳定组织。
通过回火处理后，可使这些不稳定组织转变为稳定组织，以改善淬火钢的性能。
淬火钢经不同温度的回火所得到的组织通常可分为三种：
①低温回火（150～250℃）――回火马氏体；
②中温回火（350～500℃）――回火屈氏体；
③高温回火（500～650℃）――回火索氏体。
三、实验内容及步骤
3.1车床主轴性能特点：
主轴是车床上传递动力的零件，传递着动力和各种负荷，它的合理选材直接影响整台车床的精度和使用寿命。
通过对疲劳断裂、过量变形和过量磨损的分析，主轴应有较高的回转精度及足够的刚度和良好的抗振性能、屈服强度、抗疲劳能力和高耐磨性。
3.2车床主轴材料的选择
表3-1 各种材料的化学成分和热处理规范
由表3-1可知，选用45钢即可。
因为主轴承受交变弯曲应力和扭应力，在轻度或中等载荷、转速不太高，精度不很高，冲击、交变载荷不大的情况下，具有普通力学性能就能满足要求，一般采用45钢制造。
这类材料强度和塑形、韧性等综合机械性能较好，一般经正火、调质处理，而且材料来源方便，加工性、经济性好，因此采用45钢。
3.3 45号钢的成分及性能特点
3.3.1 45号钢的元素成分及其作用
45号钢的元素成分及作用如下表：
表3.1 45号钢的元素成分及作用[1]
3.3.2 45号钢的性能
按照GB/T699-1999标准规定的45钢推荐热处理制度为850℃正火、840℃淬火、600℃回火，达到的性能为屈服强度≥355MPa。
而标准规定的抗拉强度为600MPa，屈服强度为355MPa，伸长率为16％，断面收缩率为40％，冲击功为39J [2]。
所以我们可以根据45号钢的标准规定及实际以850℃正火、850℃淬火、560℃回火进行热处理。
4、热处理工艺设计过程：
4.1 实验设备及材料
（1）实验设备
箱式电炉、洛氏硬度计、布氏硬度计、显微硬度计、读数显微镜、砂轮机、金相试样镶嵌机、金相预磨机、金相抛光机、金相显微镜（附带图像采集装置）等。
（2）实验材料
45钢若干块；金相砂纸、抛光磨料、抛光布、酒精、腐蚀剂、淬火冷却介质等。
4.2热处理工艺
（1）45钢正火
45钢正火的作用
在进行热处理过程中，正火可以消除毛坯的锻造应力，降低材料的硬度以改善切削加工性能，同时也均匀组织、细化晶粒，以利于切削加工，并为下一步的热处理作组织准备。
这一步是热处理的前奏，所以在热处理工艺中有着至关重要的作用。
经过正火后，材料的组织达到了良好的热处理效果，所以需要我们再做出适当的热处理来达到材料需要的硬度，热处理工艺如下：
1）正火的温度在850℃。
2）在正火过程中应该保温25min，空冷。
3）使用的设备为箱式炉。
4）检测时的硬度应HRB硬度为98、97、97.5。
温
度
t/℃
时间r/min
图4-1 正火工艺曲线
45钢经正火后的显微组织（100X）45钢经正火后的显微组织（400X）浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液
显微组织分析：基体为片状珠光体，白色为铁素体
（2）调质
调质目的
在进行调质过程中我们的目的是获得均匀细密的回火索氏体组织，细密的索氏体金相组织有利于零件精加工后获得光洁的表面。
同时，也使主轴具有良好的综合力学性能。
热处理工艺
我们需要进行热处理工艺，其如下：
1）淬火时的温度在850℃。
2）淬火过程中应该保温25min，水冷。
3）检测时HRC硬度为61、62、63。
4）回火时温度在560℃。
5）回火时应该保温1.5 h，空冷。
6）检测时HRC硬度为29.5、30、30.5。
7）调质使用的设备为箱式炉。
温
度
t/℃
时间r/min
图4-2 淬火艺曲线
45钢经淬火后的显微组织（100X）45钢经淬火后的显微组织（400X）浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液
显微组织分析：针状淬火马氏体和残余奥氏体，其针叶大小中等。
温
度
t/℃
时间r/h
图4-3高温回火工艺曲线
45钢经调质后的显微组织（100X）45钢经调质后的显微组织（400X）
浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液
处理：850℃加热保温后淬火，560℃回火1.5h。
显微组织分析：回火索氏体+少量铁素体
结束语：从前人的研究成果中我们知道为使钢件经热处理后能获得所要求的组织和性能，大多数的热处理工艺都需要先将钢件加热至临界点以上，使之转变为奥氏体，即奥氏体化，然后再以一定的方式冷却使之转变为所需的组织。
珠光体是钢铁材料热处理过程中出现的另一种重要组织。
珠光体转变发生在过冷奥氏体转变的高温区，又称高温转变，属于扩散型相变。
钢铁材料在退火和正火中都要求发生珠光体转变，而马氏体转变发生在过冷奥氏体转变的低温区，属于非扩散型相变，淬火时则力求避免发生珠光体转变，并且将45钢加热到850℃左右时奥氏体晶粒较细，同时融入了足够的碳，淬火后可以得到细晶的马氏体组织，硬度随着大幅度提高。
另外在生产中为了获得所需的综合力学性能常常还需进行高温回火处理，以获得回火索氏体。
四、收获和体会。