热处理对机床主轴用40Cr、65Mn钢力学性能的影响.pdf

Designand Resea『ch设计与研究 热处理对机床主轴用40 Cr、65 M n钢力学性能的影响冰 伍倪燕 (宜宾职业技术学院现代制造系，四川宜宾644003) 摘要：以机床主轴用40Cr、65Mn钢为研究对象，对其不同热处理工艺下的力学性能进行了测试研究。实 验结果表明：随着回火温度的升高，65Mn钢和40Cr钢力学性能有着相同的变化趋势，抗拉强度和 屈服强度下降，伸长率和断面收缩率升高，硬度下降，耐磨性变化不显著。在相同的热处理条件下， 65Mn钢比40Cr钢强度高、塑性差、耐磨性好、综合力学性能要更好。两种材料在用于机床主轴时 经过调质处理便可很好地满足生产需要。 关键词：热处理；40Cr钢；65Mn钢；力学性能 中图分类号：TH122 文献标识码：B Effects of heat treatment on the mechanical properties of 40Cr steel and 65 Mn steel used in machine tool spindle WU Niyan (Department of Modern Manufacturing，Yibin Vocational and Technical College，Yibin 644003，CHN) Abstract：In view 0±40Cr steel and 65Mn steel that used in machine tool spindle．the inflHence of heat treatment on the mechanical properties of the steel was investigated．The results indicated that with the increasing tempered temperature，the variation of mechanical properties for 40Cr steel and 65Mn steel was almost the salne．Ten- sile strength and yield strength decreased，elongation and section shrinkage rate raised，hardness decreased and the abrasion resistance change was not obvious．Under the same heat treatment condition，65Mn steel had better comprehensive mechanical properties than 40Cr stee1．When used for machine tool spindle，these two kinds of materials through modulation processing call be very good to meet production needs． Keywords：heat treatment；40Cr steel；65 Mn steel；mechanical property 数控机床是我国制造业尤其是国防工业中的一件 核心装备，其技术水平的高低对于现代化工业进程的 高速前进起着重要的作用。它的发展追求高精度、高 效率及高的可靠性，其质量与可靠性又直接影响到其 加工精度及生产效率 J。而机床主轴作为数控机床 中最核心的一个部件，它带动着工件或刀具旋转，用来 支撑传动零件、传递运动及扭矩，其运动精度就需要力 学性能相匹配的材料作为支撑。 对于机床主轴用材料的选择，一般工作条件下会 用45钢。若对于精度要求较高的工作条件，就需要强 度、硬度及其他力学性能更好的材料。40Cr钢为现阶 段机械制造业中广泛使用的合金钢，其调质处理后具 有良好的综合力学性能，可用于载荷较大，表面要求较 硬的机床主轴，其疲劳性、组织特性等性能很多研究者 做出了研究探讨 -5]。65Mn钢其强硬度较高，耐磨性 }四川省教育厅自然科学基金资助项目(15ZB0495) 磐 好，可用于精度要求较高的磨床砂轮主轴，对于其组织 性能的探讨也有很多研究者做出了贡献 ]。本文针 对于40Cr钢和65Mn钢两种机床主轴用钢，在不同的 热处理工艺下，对其力学性能进行测试研究。 1试验方案 本实验选用40Cr钢和65Mn钢两个钢种，在进行 热处理前首先通过成分分析得出合金中各元素含量， 结果分别如表1和表2所示。 表1 40Cr钢化学成分(wt％) 元素 C Mn Si Cr Ni P S Cu Fe 含量 0．43 0．54 0．32 1．01 0．025 O．O3 0．025 0．025 Ba1． 制备好试样后分别对两类钢种进行热处理，热处 · 75 · 设计与研究Designand Resea 理试样编号、工艺参数及冷却介质等如表3所示。热 处理设备采用高温箱式电阻炉，在热处理完成后分别 对各组试样进行力学性能测试、洛氏硬度测试及磨损 试验测试。力学性能测试为拉伸试验，样品制备按国 家标准进行，通过对试验数据的记录和计算最终得到 样品的抗拉强度or¨屈服强度 、延伸率6以及断面 收缩率 。洛氏硬度采用型号为HR150的洛氏硬度 计对宏观硬度进行测试，每组试样取5个点进行测试， 最终结果为5个点的平均值。磨损试验则采用型号为 LMD一10的磨损试验机进行测试，其中磨料为1．5 kg 的石英砂，磨损时间的选择为10 h，在进行磨损试验的 前后分别对试样用万分之一克天平称重，算出磨损前 后材料损失的重量，每组试样进行3次试验，最终结果 取3次的平均值。 表2 65Mn钢化学成分(wt％) 元素 C Mn si Cr Ni P l s Cu Fe 含量 0．65 1．11 O．26 0．O2 O．01 0．02 b．012 O．01 Ba1． 表3热处理工艺参数 淬火温度 回火温度 编号 试样材质 淬火介质 ZT／℃ ZT／℃ l 40Cr钢 860 油 200 2 40Cr钢 860 油 450 3 40Cr钢 860 油 520 4 65Mn钢 830 油 2o0 5 65Mn钢 830 油 450 6 65Mn钢 830 油 550 2实验结果与分析 2．1热处理工艺对材料拉伸性能的影响 表4材料经热处理后的拉伸性能 编号 1 2 3 4 5 6 抗拉强度 6／MPa l 610 l 380 985 1 836 1 425 1 050 屈服强度or ／MPa 1 422 1 189 793 l 785 1 358 893 延伸率6／％ 7．1 8．2 15．8 2．1 6．3 l1．8 断面收缩率 ／％ 11．1 39．8 57．2 5．6 28．3 34．5 1号到3号试样为40Cr钢经过860℃油淬后在不 同温度下回火的试样，1号为200℃低温回火，2号为 450℃中温回火，3号为520。(=高温回火，4号到6号 试样为65Mn钢经过830℃油淬后在不同温度下回火 · 76 · 的试样，4号为200℃低温回火，5号为450℃中温回 火，6号为550℃高温回火。表4为材料经热处理后 的拉伸性能，为了更加清晰地看清其变化过程，将其中 数据用图形表示，如图1所示。拉伸性能包含了抗拉 强度 、屈服强度 、延伸率6以及断面收缩率 这 4个指标。其中抗拉强度和屈服强度反应了材料的强 度，延伸率和断面收缩率反应了材料的塑性。 60 5O 40 3O 2O 1O 1 2 3 4 5 6 试样编号 (a】强度 L— 延伸率 断面收缩率 。 匡 1b zU 帚 啪咖枷抛咖啪伽枷瑚0 MPa，比40Cr钢还要高，到高温回火时抗拉强度和屈 服强度降至1 050 MPa和893 MPa，同样整体比40Cr 钢强度要大。其延伸率和断面收缩率在低温回火时很 小，分别为2．1和5．6，塑性很差，经过高温回火后分 别达到11．8和34．5，比40Cr钢略低但已经能很好地 满足使用。 2．2热处理工艺对材料宏观硬度的影响 表5材料经热处理后的宏观硬度 编号 1 2 3 4 5 6 洛氏硬度／HRC 53 40 33 55 42 36 l Z 3 4 5 6 试样编号 图2材料经热处理后的宏观硬度 表5和图2为材料经热处理后的宏观硬度，也就 是洛氏硬度。40Cr钢经过200 oC低温回火后硬度很 大，达到了53 HRC，此时材料加工性能差。将回火温 度提高到450 oC后，材料硬度降低为40 HRC，进一步 将回火温度提高到520 oC后，材料硬度降低为33 HRC，说明40Cr钢随着回火温度的提高硬度逐渐下 降。65Mn钢和40Cr钢有着相同的变化趋势，随着回 火温度从200℃低温回火，到450 oC中温回火，再到 550 qc高温回火，其硬度值随之从55 HRC降至42 HRC，再到36 HRC。两种材料经过热处理后洛氏硬度 的测试表明，40Cr钢和65Mn钢的硬度都随着回火温 度的提高而下降，并且65Mn钢的硬度要比40Cr钢 略高。 2．3 热处理工艺对材料耐磨性的影响 表6材料磨损后损失的重量 编号 1 2 3 4 5 6 损失重量／mg 23．8 23．6 23．5 l1．9 l1．9 11．7 重量越小代表材料的耐磨性越好。从图表中可以看出 40Cr钢和65Mn钢在经过不同温度回火后耐磨性几乎 都没有变化。40Cr钢损失的重量为23．5—23．8 mg， 65Mn钢损失的重量为11．7—11．9 mg。数据说明 65Mn钢的耐磨性要比40Cr钢好。 2O 鑫，s 佃1 10 5 3 结语 7U ； lO串幂z朋 如 ∞ 加 m 0 u旨{， 隧 瓣 基于等效结构应力法的正弦波纹腹板焊接梁疲劳评定研究水 马 超 范 勤 魏国前 (武汉科技大学机械自动化学院，湖北武汉430081) 摘要：针对Harrison的正弦波纹腹板焊接梁试验模型，采用等效结构应力法，研究了焊缝焊趾的等效结 构应力分布特性及网格大小对应力分布的影响，分析了裂纹萌生位置及其疲劳寿命。对比Harri- son的试验结果，验证了等效结构应力法在正弦波纹腹板焊接梁疲劳评定方面的适用性。 关键词：正弦波纹腹板；焊接梁；等效结构应力法；疲劳评定 中图分类号：TG405 文献标识码：A Equivalent structure stress based fatigue evaluation for welded girders with sinusoidally corrugated webs MA Chao，FAN Qin，WEI Guoqian (School of Machinery and Automation，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 43008 1，CHN) Abstract：For welded girders with sinusoidally corrugated webs，through Harrison test model，using the equivalent structural method，the stress distribution in welds and the influence of grid size on the stress distribution have been studied，the cracks position has been analyzed，and the fatigue life has been calculated． Compared Harrison test result，equivalent structural method shows better applicability in terms of fatigue evaluation for welded girders with sinusoidally corrugated webs． Keywords：sinusoidally corrugated webs；welded girders；equivalent structural method；fatigue evaluation 波纹腹板焊接梁是一种新型焊接梁结构，具有优 越的力学性能和良好的经济效益，在建筑和机械行业 度下降，伸长率和断面收缩率升高，硬度下降，耐磨性 变化不大。 (3)两种材料经过调质处理后都拥有良好的综合 力学性能，可以满足机床主轴的使用需求。 参考文献 [1]杨兆军，陈传海，陈菲，等．数控机床可靠性技术的研究进展[J]．机 械工程学报，2013，49(20)：130—139． [2]王弘，高庆．超声疲劳试验方法在40Cr钢疲劳性能研究中的应用 [J]．机械工程材料，2003，27(12)：29—31． [3]王弘，高庆．缺口应力集中对40Cr钢高周疲劳性能的影响[J]．机械 工程材料，2004，28(8)：12—14． [4]宋洪伟，刘志文，张俊宝，等．表面纳米化40Cr钢的组织特征[J]．机 械工程材料，2004，28(1)：35—37． [5]秦松祥，肖冰，李曙生，等．40Cr钢磨削淬火层组织及其形成机理 [J]．机械工程材料，2007，31(12)：24—26，29． [6]李红英，耿进锋，龚美涛，等．65Mn钢奥氏体连续冷却转变曲线 (CCT图)[J]．材料科学与工艺，2005，13(3)：302—304． [7]杜忠泽，黄俊霞，符寒光，等．65Mn钢大塑性变形后的组织与力学性 能[J]．吉林大学学报：T学版，2006，36(2)：143—147． [8]王兆希，屈宝平，薛飞，等．65Mn金属材料氢脆性能实验研究[J]．核 动力工程，2011，32(4)：l4—18． [9]张占平，齐育红，DELAGNES D，等．钢的回火时间一温度一硬度动 力学关系[J]．材料热处理学报，2004，25(1)：41—45 [10]于燕，杨海峰，刘云旭，等．回火处理对TRIP钢点焊接头组织和性 能影响[J]．材料热处理学报，2014，35(51)：49—52． [11]杜忠泽，符寒光，丰振军，等．回火处理对铸造高速钢轧辊耐磨性的 影响[J]．材料热处理学报，2011，32(2)：93—99． [12]赵斌，员霄，躜雪梅，等．热处理工艺对含Y过共晶Fe—Cr—C堆焊合 金组织与耐磨性的影响[J]．材料热处理学报，2015，36(7)：102—107． 作者简介：伍倪燕，女，1979年生，研究生，主要从 事CAD／CAM软件应用、数控机床安装与调试、数控编 程与加工等课程的教学及研究，己发表论文9篇，参编 教材5门，主研科研及教研教改10项，其中省级科研 1项，专利1项。 (编辑 汪 艺) (收稿El期：2015—11—10) 文章编号：l602拶 如果您想发袭对本 的肴法 湖北省自然科学基金(2014CFB803)；湖北省教育厅重点项目(D20131102) · 78 · 中的相寝位置。 ； zulb年帚 朋