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偏心轴的热处理及其力学性能的研究
摘要
本文着重研究了材料为20Cr的偏心轴的热处理（渗碳、淬火、一次回火、二次回火）工艺及其高硬度为主的力学性能。从理论上分析渗碳温度、时间和冷却方式直接淬火、一次淬火、二次淬火等因素对力学性能、组织的影响。确定了材料为20Cr的偏心轴的最佳热处理工艺参数和最佳渗碳淬火方式（盐浴、直接淬火、低温回火）后进行对渗碳后渗层深度、金相组织及力学件能的检测与分析。
关键词：偏心轴、热处理、渗碳、渗碳温度、冷却方式、渗碳层
第一章绪论
1. 1前 言
偏心轴的作用是为了方便调节轴与轴之间的中心距，偏心轴通常运用在平面连杆机构三角带传动中。一般的轴，只能带动工件自转，但是偏心轴，不但能传递自转，同时还能传递公转。现在美国的压缩机巨头Copeland就是用偏心轴来带动涡旋公转从而快速高效的压缩制剂的。偏心轴是电动工具电锤的重要传动零件。安装偏心轴就是靠它的惯性作用让机器在运转到死点位置不会产生锁机。最常见的例子就是：家用缝纫机脚动驱动轮的运转。偏心轴带动机器的转动，是机械制造中不可少的零件。
偏心轴结构示意图
1.2偏心轴的用途及性能要求
偏心轴在采矿、机电、水利等方面的应用极为广泛，随着这些成品产量的增加以及消费人群要求的不断提高，偏心轴质量的提髙也迫在眉睫。截止2008年我国共出口空调压缩机400万台，比2005年出口空调压缩机同期增长27%。空调压缩机出口地区以东南亚为主。
因为偏心轴在工作时承受巨大的冲击载荷，而且电锤的工作环境恶劣、多粉尘，零件易磨损。所以要求偏心轴表面具有髙的硬度、耐磨性及疲劳强度，而心部则具有一定的强度和良好的塑性、韧性等的特殊性能。
1.3国内外的现状
1.3.1国内研究动态
我国热处理工艺历史悠久，随其它科学技术的发展，热处理技术得到迅速的发展。即，（1）实验手段和技术的不断完善。对金属中的组织转变规律及组织与性能之间的关系不断了解，进而发展新的热处理工艺。（2）在基础理论方面不断取得成就。(3)表面化学的研究，发展了各种表面防护热处理及表面强化热处理。（4）其它新能源，新技术的开发，使热处理工艺成为许多复合的工艺。
最近几届国际材料及热处理会议上对古今金属材料热处理工艺和加热设备的发展作了预测，基本看法是：
(1)加热设备
在加热设备中要更多地发展电炉，特别发展感应加电炉，减少燃料炉。大多数加热炉和热处理设备要实现自动化及数字控制，这不仅可以减少劳动力，而且是提高热处理质量的前提。
(2)热处理工艺
a.改进常规加热工艺。空气加热将被真空加热，控制气氛或保护气氛加热，以及真空和控制气氛联合加热所取代。随着真空技术的进步，真空热处理向着提高炉子工作温度，自动化方向发展。感应加热热处理，趋向与增大功率及扩大频率范围方向发展。
b.扩大表面热处理及各类化学热处理代替整体热处理。
1.3.2 国外热处理设备及热处理技术现状
(Ⅰ)在七十年代初，美国金属学会(ASM)、英国的沃尔夫逊热处理中心(Wolfson Heat Treatment Center)以及原南斯拉夫(现克罗地亚)都相继建立了材料与热处理数据库，做到了可以根据零件热处理后力学性能要求进行计算机辅助选材，或已知材料和热处理工艺预见最后的组织和性能。随后欧美、日本等先进工业国家开发出用计算机对各种热处理工艺过程的控制技术，开展了计算机控制下的工艺参数数模控制技术研究，并在生产中获得了应用。目前国际知名厂家的许多连续式和周期式热处理生产线都采取了用可编程控制器(Programable Controller)或微处理机的单控或群控。国外的热处理厂家非常重视热处理过程中的冷却。根据产品的技术和工艺要求，可进行快速冷却、油淬冷却、一次性气淬冷却等。以前采用气淬方式冷却的淬火气体有氮气、氦气等，现在用空气强烈喷射，使工件在极快速度下冷却，淬火后表面仅有极薄的氧化色膜，呈灰白色，零件色彩依然美观，而节约大量氮气和惰性气体，使热处理成本进一步下降。
真空低压渗碳与高压气淬相结合是当今一种先进的渗碳淬火工艺，它具有渗碳速度快、碳化物组织优良、淬火开裂和变形小、节约能源和渗碳剂原料、渗碳零件表面质量好、有利于环保等特点。
(Ⅱ)热处理设备：国外热处理炉的发展趋势：（1）以电能为热源的炉子增多，热源为煤气的热处理炉比例逐渐减少。（2）对产品表面质量的要求更为严格，可控气氛热处理炉仍占重要地位。（3）炉衬趋向使用轻质材料，在电阻炉上应用非金属炉用耐热构件和发热元件的比例逐渐增加。（4）微机和可编程序控制器的发展加速了热处理自动化，并有与其它工序组成全自动热处理线的趋势。
1.4偏心轴的失效形式及其防止措施
轴类载荷：疲劳、冲击、拉、压、弯、扭、切、磨损、表面变化、尺寸变化、咬蚀等失效形式。（1）偏心轴在工作时承受巨大的冲击载荷、受到弯曲应力，除颈部发生磨损外，主要有断裂及轴向裂纹两种情况零件（2）轴向裂纹，轴向裂纹也是偏心轴零件常见的失效形式，此种裂纹除材质不良外，主要是热处理不当引起的淬透性过大引起表面拉应力，由于合并部分周向表面拉应力大于轴向表面拉应力，且材料的横向性能低于纵向的，防止此类失效也应从热处理工艺方面解决，控制零件的淬硬层深度，并及时进行回火。（3）轴的失效形式：主要有因疲劳强度不足而产生的疲劳断裂、因静强度不足而产生的塑性变形或脆性断裂、磨损、超过允许范围的变形和振动等。（4）轴类的断裂主要是扭转疲劳断裂。
第二章理论分析
2.1偏心轴的热处理
统一数字代号：A20202
【化学成分】⑷（质量分数）（%）
C: 0.18~0.24
Si: 0.17~0.37
Mn: 0.50~0.80
Cr: 0.70~1.00
【力学性能】
试样毛坯尺寸（mm）：15
热处埋：
第一次淬火加热温度： 880℃；冷却剂 ：水、油
第二次淬火加热温度： 780〜820℃；冷却剂：水、油
回火加热温度：200℃；冷却剂：水、空
抗拉强度
≥835MPa
屈服点
：≥540 Mpa
断后伸长率
:≥10%
断面收缩率
:≥40%
冲击吸收功≥47J
布氏硬度
（退火或髙温回火状态）：≤179
【主要特件】
与15Cr钢相比，有较高的强度及淬透性，在油中临界淬透直径达4~22mm，在水中临界淬透直径达11〜40mm，但韧件较差，此钢渗碳时晶粒仍有长大倾向，降温时直接淬火对冲击韧性影响较大，所以渗碳后需二次淬火以提高零件心部韧性，无回火脆性；钢的冷应变塑性高，可在冷状态下拉丝；可切削性在髙温正火或调质状态下良好，但退火后较差；焊接性较好，焊后一般不需热处理，但厚度大于15mm的零件在焊前需预热到100〜150℃。
【应用举例】
这种钢大多用于制造心部强度要求较高，表面承受磨损、截面在30mm以下的或形状复杂而负荷不大的渗碳零件(油淬)，如：机床变速箱齿轮、齿轮轴、凸轮、蜗杆等；对热处理变形小和高耐磨性的零件，渗碳后应进行高频表面淬火，如模数小于3的齿轮、轴等。20Cr也可在调质状态下使用，用于制造工作速度较大并承受中等冲击负荷的零件，这种钢还可用作低碳马氏体淬火用钢，更进一步增加钢的屈服强度和抗拉强度。
第三章实验材料及实验方法
3.1材料：
本文研究的是材料为20Cr的偏心轴，20Cr是碳含量为0.2%的低碳钢适合进行渗碳处理，20Cr钢比相同含碳量的碳素钢的强度和淬透性都明显地高，油淬到半马氏体硬度的淬透性为φ20~23mm。与15Cr钢相比，有较高的强度及淬透性，临界淬透直径 ，油中约为4-22mm，水中约为11-40mm，韧性较差，焊接性较好，焊后-般不需热处理。用途：大都用作渗碳钢，适用于制造心部强度要求较高，表面承受摩擦，截面尺寸在30mm以下或形状复杂而载荷不大的渗碳件（油淬），如机床变速箱齿轮，齿轮轴，凸轮，蜗杆等，对要求热处理变形小和高耐磨性的零件，渗碳后可进行高频表面淬火，如模数≤3mm的齿轮，轴和花键轴等。此外，也可在调质状态下使用，用于制造工作速度较大并承受中等冲击载荷的零件。
这种钢淬火低温回火后具有良好的综合力学性能，低温冲击韧性良好，回火脆性不明显。滲碳时钢的晶粒有长大倾向，所以要求二次淬火以提高心部韧性，不宜降温淬火。当正火后硬度为HB170~217时相对切削加工性约为65%，焊接性中等，焊前应预热到100〜150℃，冷变形时塑性中等。
3.2 实验内容：
本次试验的热处理工艺如下：
3.2.1装炉：将轴（清洗）垂直插入筐筛孔，大孔向下，小孔朝上插赌销，在装炉时，将一个偏心轴式样装入底筐内。将装好工件的料筐衣次吊入炉内，关闭炉盖，拧紧炉盖螺栓，滴甲醇，开风扇，送电升温，进入排气期。打开排气口、式样孔。
3.2.2排气：≤880℃装外式样2只，甲醇滴量180-200滴/分；
880-920℃停滴甲醇，该滴煤油，煤油滴量180-200滴/分；
910\920℃，30分，煤油滴量180-200滴/分；到温30分钟后关闭式样孔，
排气口火苗长度80〜150mm，进入渗碳期.
3.2.3 渗碳期910~920℃,180分，煤油滴量180-200滴/分；在30〜60mm水柱。
3.2.4扩散降温：渗层深≥0.6mm时，可转入扩散降温，调整煤油滴量100〜
140滴/分，10〜30mm水柱。
3.2.5 出炉风冷。
3.4.制备金相式样、照金相组织及测硬度梯度
3.4.1 相显微式样的制备包括取样、磨制、抛光、浸蚀等工序。
取样 式样的选取应根据研究的目的，取其具有代表性的部位。
磨制
切好的式样在砂轮机上磨平，尖角要倒圆。然后用180℃、240℃、300℃和600℃的粗砂布磨光，再换用800℃、1500℃的金相砂纸逐级细磨，一直磨到2000℃砂纸方可进行粗抛光和细抛光。
磨制式样时，每换一次磨制步骤（即每换一号砂纸）时，式样磨制方向应转90度。这样才能看出磨痕是否磨去。式样在每一号砂布（纸）上磨制时，要沿一个方向磨，切忌来回磨削，而且要对式样施加适当的力。
抛光
细磨的式样还需进行抛光。抛光的目的是去除细磨时遗留下来的细微磨痕从而获得光亮的镜面。式样的抛光是在专用的抛光机上进行的，转速般100〜150r/min。抛光时在抛光盘盘面上铺有丝绒等织物，并不断滴注抛光液。抛光液是由Cr203或Mg0等极细粒度的磨料加水而形成的悬浮液，依靠抛光液中极细的抛光粉末与式样磨面间产生的相对磨削和滚压作用来消除磨痕。
抛光时应使式样磨面均匀地压在旋转的抛光盘上，并沿盘的边缘到中心不断作径向往复运动。
浸蚀
经抛光后的式样还必须经过浸蚀后才能在显微镜下进行观察。浸蚀主要是依靠浸蚀剂对金属的溶解或电化学腐蚀过程，使金属式样表面的晶粒与晶界及各组成相之间呈现轻微的凹凸不平，在显微镜下就可以清楚地观察到式样表面，浸蚀时间要适当，一般式样磨面发暗时就可停止。如果浸蚀不足重复浸蚀。浸蚀完毕后立即用清水冲洗，然后用酒精冲洗，最后用吹风机吹干，式样即可置于金相显微镜上进行观察。
3.4.2利用金相显微镜观察组织和照金相组织。
3.4.3硬度梯度的测定
显微硬度计
显微硬度计是近年来常用测量硬度的设备。测读硬度是通过升降显微硬度计
的调焦机构、测量显微镜、加荷机构，正确选择负荷、加荷速度进行全自动加卸
试验力及正确控制试验力保持时间，通过显微硬度计光学放大,测出在一定试验
力下金刚石角锥体压头压入被测物后所残留压痕的对角线长度，来求出被测物硬
度值。
第四章实验结果及分析
4.1本次实验的硬度
| 温度 | 表层 | 过滤层 | 心部 |
| 室温 | 59〜63HRC | 36〜42HRC | 27〜32HRC |
表层硬度达到HRC62.3，心部最低硬度达到HRC27.2都达到偏心轴的性能要求，并硬度从表面向心部逐渐降低也符合表面高硬度、高耐磨性而心部具有良好的强韧性的要求。
如下图就是硬度、离心部距离的关系图：图上显示和硬皮表一样离心部越远其硬度值越大，表层的硬度最大满足了偏心轴的性能要求。
4.2金相分析与讨论
通过以上相关实验过程及结果，我们可以得到将20Cr偏心轴进行渗碳处理后获得了心部27HRC—32HRC的硬度和表层59~63HRC的硬度，这样就能够保证偏心轴表面具有较好的耐磨性、较高的强度和心部较好的塑韧性，同时保持心部有高的耐冲击能力，也就达到了表面渗碳的目的。
我们知道表面渗碳处理就是将含碳量为0.1%-0.25%的钢放到碳势高的环境介质中，通过让活性高的碳原子扩散到钢的内部，形成一定厚度的碳含量较高的渗碳层,再经过淬火\回火，使工件的表面层得到碳含量高的M，而心部因碳含量保持原始浓度而得到碳含量低的M，M的硬度主要与其碳含量有关，故经渗碳处理和后续热处理可使工件获得外硬内韧的性能。
表层组织（高碳回火马氏体+残余奥氏体+碳化物）
过滤层（马氏体+残余奥氏体）
心部组织（低碳回火马氏体）
由上文所得到的金相组织图片中我们可以看到，对偏心轴渗碳处理后可以使其表面得到高碳马氏体即针状马氏体，针状马氏体通常是在高碳钢及铁镍合金中形成的-种典型马氏体组织。对于低碳钢，碳含里小于1.0%时，与板条马氏体共存，只有碳含量大于1.0%时才单独存在。它的立体形状是双凸透镜片状，与试样表面相截成针状或竹叶状，故又称片状马氏体或透镜片状马氏体。透镜片状的亚结构主要是孪晶，故又称孪晶马氏体。
在心部我们可以看到得到的主要组织为低碳马氏体，这种马氏体主要是在低、中碳钢中，以及马氏体时效钢、不锈钢、铁镍合金中。其组织特征为每个单元的形状为窄而细长的板条，并且许多板条总是成群地相互平行地聚在一起，故又称板条状马氏体，因其亚结构为位错，故又称位错马氏体。
偏心轴由于表面的碳含量较卨，故淬火后得到的组织主要就是针状马氏体，其强硬度较高，但塑韧性就较差，而心部为低碳区域，故淬火后得到的主要组织为板条状马氏体。但是其塑韧性就比针状马氏体的好，其主要原因为板条状马氏体的亚结构为位错以及处于低碳区而决定的。所以通过对偏心轴进行渗碳淬火处理后就得到了表层与心部不同的马氏体，正好满足了偏心轴的工作条件，即提高表面层的耐磨性(碳含量高的M)，同时保持心部有高的耐冲击能力，即强韧性。
本文对材料为20Cr的偏心轴进行：渗碳→淬火→低温回火后的金相组织分析：
零件渗碳淬火后自表面至心部的基本组织为：马氏体+碳化物+残余奥氏体→马氏体+残余奥氏体→马氏体→心部低碳马氏体。
渗碳零件的最表层碳浓度最高，其金相组织为珠光体和少量的网状碳化物(
)。渗碳层中有适量的粒状碳化物均匀分布在隐针(或细针)状。心部也就是未渗碳区零件原材料的组织区，由板条马氏体，没有太多的块状铁素体组成。
渗层组织为：针片状马氏体、少量的弥散分布的粒状碳氮化合物和少量的残余奥氏体。
结论：表层、过渡层、心部的金相组织与理论相符合。
1.渗碳零件的最表层碳浓度最高，其金相组织为珠光体和少量的网状碳化物(
)，渗碳层中有适量的粒状碳化物均匀分布在隐针(或细针)状。表层硬度达到HRC62.3。
2.过度层的碳含量约为0.77%。由适量的板条马氏体和针状马氏体组成。
3.心部也就是未渗碳区零件原材料的组织区，由扳条马氏体，没有太多块状铁素体组成。心部最低硬度达到HRC27.2。
第五章结论
在实验研究以20Cr为材的偏心轴采用渗碳热处理工艺对组织性能及力学性能有着重要的影响。渗碳时间和深度影响着随后的淬火所有的硬度，通过分析偏心轴的形状及其所产生的力学性能所以必须经过预先热处理工艺，使偏心轴具有合适的显微组织，具有较好的综合力学性能。研究不同的渗碳热处理的温度、冷却方式对偏心轴的组织和性能的影响。对工件进行渗碳，研究渗碳后渗层的结构，相组成，深度和力学性能。通过总结各种工艺设计，探索合理的热处理工艺，使偏心轴具有良好的综合力学性能。本文研究所获得的主要结论如下：20Cr偏心轴热处理工艺采用930度的渗碳5个小时，等温度降至840度出炉油冷，后以160土 10℃进行回火。其渗层在0.65-0.9mm，表层硬度达到HRC62.3，心部最低硬度达到HRC27.2，符合热处理工业生产的技术和参数要求。
