摘 要：依据齿轮使用条件和性能要求，进行相应的热处理，并通过退火、调质、高温回火等热处理，分析组织和性能的变化。在实验基础上，验证所设计热处理工艺的正确性。通过实践，得出选择45钢作为齿轮材料最合适。
关键词：齿轮；45钢；热处理；金属材料
中图分类号：TG156 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）03-0031-01
热处理工艺是金属材料工程的重要组成部分。通过热处理可以改变材料的加工工艺性能，充分发挥材料的潜力，提高工件的使用寿命。热处理不仅对锻造机械加工的顺利进行和保证加工效果起着重要作用，而且在改善或消除加工后缺陷，提高工件的使用寿命等方面也起着重要作用。
1 45钢热处理组织分析
1.1 退火组织分析
如图1所示，组织为先共析铁素体和珠光体，60%左右的珠光体和40%左右的铁素。图1中黑色为珠光体，白色为铁素体。珠光体是奥氏体（奥氏体是碳溶解在γ-Fe中的间隙固溶体）发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体，其形态为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相物，也称片状珠光体，用符号P表示，含碳量为ωc=0.77%. 由于为连续冷却，所以片状珠光体的片间距大小不一。珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间，强韧性较好。其抗拉强度为750～900 MPa，180～280 BS，伸长率为20%～25%，冲击功为24～32 J。学能介于铁素体与渗碳体之间，强度较高，硬度适中，塑性和韧性较好，σb=770 MPa，180 HBS，δ=20%～35%，AKU=24～32 J。铁素体沿奥氏体晶界呈网络状分布，铁素体的强度、硬度不高，但具有良好的塑性和韧性。在外力作用下，将引起不均匀的塑性变形，并导致应力集中，使钢的强度和塑性都降低。
1.2 淬火组织分析
如图2所示，组织为针状淬火马氏体和残余奥氏体。马氏体由奥氏体急速冷却（淬火）形成，这种情况下奥氏体中的固溶碳原子没有时间扩散出晶胞。当奥氏体到达马氏体转变温度（Ms）时，马氏体转变开始产生，母相奥氏体组织开始不稳定。在Ms以下某温度保持不变时，少部分的奥氏体组织迅速转变，但不会继续。只有当温度进一步降低，更多的奥氏体才转变为马氏体。最后，温度到达马氏体转变结束温度Mf，马氏体转变结束。马氏体还可以在压力作用下形成，这种方法通常用在硬化陶瓷上（氧化钇、氧化锆）和特殊的钢种（高强度、高延展性的钢）。因此，马氏体转变可以通过热量和压力两种方法进行。铁素体全部溶于奥氏体，当返回临界温度时，铁素体沿奥氏体晶界块状析出，或在奥氏体内成堆析出。温度高导致奥氏体晶粒的粗大，使得马氏体组织粗大，降低了45钢的强度和硬度。
1.3 高温回火组织分析
如图3所示，组织为均匀细小的保持马氏体位向分布的回火索氏体。45钢淬火后得到过饱和的固溶体即淬火马氏体。它的强和硬度很高（硬度可达58～60 HRC），而其韧性和塑性则明显下降。为了消除淬火时的内应力和组织应力，淬火的工件
应及时进行回火处理，析出极细的渗碳体颗粒，从而使基体分解为索氏体组织，此时工件的强度和硬度有所下降，而塑性和韧性则显著提高。回火索氏体中的碳化物分散度很大，呈球状。
2 45钢热处理硬度分析
2.1 硬度变化分析
根据不同组织热处理下钢的硬度值（如表1）可知，完全退火后的硬度值为17.8 HRC：因为45钢完全退火后，获得了片状珠光体和铁素体，细化了晶粒，消除了内应力，降低了硬度，所以硬度值最低。淬火后的硬度值为62.2 HRC：因为45钢淬火后，获得针状淬火马氏体和残余奥氏体组织，提高了钢的硬度、强度和耐磨性，所以硬度值最高。淬火后的45钢经过高温回火后的硬度值为34.7 HRC：因为45钢经调质处理后，得到由铁素体基体和弥散分布于其上的细粒状渗碳体组成的回火索氏体组织，使钢的强度、塑性、韧性配合恰当，具有良好的综合力学性能，所以硬度值适中。
2.2 检验热处理工艺的合理性
45钢试样经过热处理后最终的硬度为34.7 HRC，由45钢齿轮的技术要求，齿表硬度为30～35 HRC。在实验误差允许的情况下，45钢试样实验获得的硬度值符合要求，即所设计的热处理工艺是合理的。
3 结束语
通过一系列的研究，解决了机床齿轮的选材和热处理工艺中的问题。机床齿轮承担着传递动力、改变运动速度和运动方向的任务，但机床齿轮工作负荷不太大，中速运转较平稳。所以，选用45钢制造。通过分析判断，最终确定45钢采用退火、调质处理，45钢经过调质处理可以改善金相组织和材料的可切削性，降低加工后的表面粗糙度，还可以减少淬火过程中的变形。
〔编辑：李珏〕
