65Mn制作磨床頭架主軸熱處理工藝設計

摘 要：本文針對彈簧鋼65Mn制作磨床頭架主軸，根據硬度要求給出了具體工藝路線，包含完全退火、調質處理、表面淬火回火及穩定化處理，分別討論了各工序的加熱溫度、加熱設備、保溫時間及冷卻方式，最后進行工藝路線總結和金相組織分析。

關鍵詞：65Mn；熱處理工藝；金相組織

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.030

1 65Mn和磨床頭架主軸簡介

1.1 65Mn簡介

65Mn是彈簧鋼的一種，平均含碳0.65%、含錳1.0%，其強度、硬度、彈性和淬透性均比65鋼高，有過熱敏感性和回火脆性，水淬裂紋傾向。退火態切削性尚可，冷變形塑性低，焊接性差。可制作高耐磨性零件，如磨床主軸、精密機床絲桿、鐵道鋼軌等。

查閱手冊，獲得為726℃，為765℃。

1.2 磨床頭架主軸簡介

主軸是提供機床主運動的部件，應保證其剛度、強度、耐磨性、耐沖擊性、熱穩定性和抗振性等力學性能和高的原始幾何精度，這與主軸用材和熱處理密切相關。

本次設計選擇高碳低合金鋼65Mn，經過預先熱處理作組織準備，整體調質后，要求淬硬部分進行表面淬火，最后進行低溫回火。加工工序為：下料、鍛造—退火—粗車—調質—精車—感應淬火—回火—磨削—穩定化處理。

2 熱處理工藝設計

2.1 完全退火

完全退火是獲得接近平衡組織的熱處理工藝，其目的是細化晶粒、均勻組織，消除內應力，改善切削加工性能。

（1）加熱溫度及方法。完全退火的溫度在以上20～30℃，由于退火溫度過高會引起奧氏體晶粒粗大，又要使工件心部在規定時間內達到以上溫度，故65Mn完全退火溫度選擇在℃。

完全退火加熱速度取100～200℃/h。加熱設備選擇型號為RX3-30-9的中溫箱式電阻爐，其使用溫度在700～900℃，用于低合金鋼的熱處理、滲碳及時效等。

（2）保溫時間和冷卻方式。完全退火保溫時間與鋼材的化學成分、工件形狀與尺寸、加熱方式、裝爐量和裝爐方式等因素有關。當裝爐量不大時，在箱式爐中的保溫時間以工件有效厚度計算：，式中D為工件有效厚度（mm）；K為加熱系數，一般取1.5～2.0min/mm。裝爐量大時，則根據具體情況延長保溫時間。代入m，取保溫時間為260min。

退火后隨爐冷卻，冷卻速度應緩慢，以保證奧氏體在以下不大的過冷度下進行珠光體轉變，以避免硬度過高。一般低合金鋼的冷卻速度應為100℃/h。

2.2 調質處理

將淬火加高溫回火雙重處理的熱處理工藝稱為調質處理。

（1）加熱溫度及方法。淬火加熱溫度選擇應以得到均勻細小的奧氏體晶粒為原則，以便淬火后得到細小的馬氏體。對于亞共析鋼，選擇淬火溫度為以上30～50℃，故選擇810℃作為淬火溫度。

淬火后應當高溫回火，以得到回火索氏體組織，進而獲得良好的綜合機械性能根據65Mn回火硬度方程：，確定回火溫度為640℃。加熱方法選擇熱爐裝料，其目的是縮短加熱時間，節省能源。

淬火加熱設備選擇為RJ系列自然對流井式爐RJ2-40-9，其一般用于長型工件的加熱；井式爐密封性較好、散熱面積小而熱效率較高，加熱變形較小； 脫碳及氧化損失較小； 懸掛狀態加熱，減小開裂傾向。回火加熱設備選用強迫對流井式電阻爐RJ2-55-6。

（2）保溫時間及冷卻方式。淬火加熱時間常用經驗公式計算，常用經驗公式：，式中，為加熱時間（min），為加熱系數（min/mm），K為裝爐修正系數，D為零件有效厚度（mm）。經計算，淬火保溫時間選為120分鐘。

回火時間應包括按工件截面均勻地達到回火溫度所需加熱時間及按M參數（回火程度）達到要求回火硬度完成組織轉變所需的時間，如果考慮內應力的消除，則還應考慮不同回火溫度下應力馳豫所需的時間。回火時間一般為1～3h，本次時間選擇為150min。

調質處理中淬火冷卻方式采用的是預冷淬火法，即將奧氏體化的工件從爐中取出后，先在空氣中預冷一段時間，待工件冷至略高于溫度后再放入油中冷卻。預冷降低了工件進入油前的溫度，減少了工件與油間的溫差，減少熱應力，從而減少工件變形開裂傾向。回火后工件一般在空氣中冷卻，但由于65Mn含有較多錳和硅，它們促進了雜質元素的偏聚，促進了鋼的第二類回火脆性。因此，回火后應進行油冷以抑制回火脆性。

2.3 感應加熱表面淬火-低溫回火

感應加熱表面淬火是利用電磁感應、集膚效應、渦流和電阻熱等電磁原理，通過工件產生的熱效應，使工件表面局部加熱，快速冷卻，獲得馬氏體組織的淬火工藝。

淬火后采用感應加熱回火，可以降低過渡層的拉應力，加熱層的深度應比硬化層深一些，故采用中頻加熱回火。感應加熱回火加熱時間短，顯微組織中碳化物彌散度大，得到的鋼件耐磨性高、沖擊韌性較好，且易安排在流水線上。

2.4 穩定化處理-低溫回火

為使材料或工件在長期服役條件下形狀尺寸、組織性能變化能夠保持在規定范圍內的熱處理，稱穩定化處理。采用低溫回火，能夠降低殘余應力和脆性而不致降低硬度。

3 熱處理后檢驗

3.1 硬度及淬透層深度

各熱處理工序獲得硬度：完全退火196～229HBS；單液淬火57～64HRC

；高溫回火235～265HBS；中頻感應加熱表面淬火-回火56～62HRC；穩定化處理56～62HRC。

淬透性是指鋼淬火時獲得馬氏體的能力，是鋼材的固有屬性，主要與鋼的過冷奧氏體穩定性或臨界冷卻速度有關。65Mn在油中冷卻的臨界直徑為17～25mm，由于工件直徑比臨界直徑偏大，故淬透層深度為17～25mm。

3.2 工藝路線總結及金相組織

完全退火： 810℃保溫260min，爐冷；

預冷淬火： 810℃保溫120min，空氣預冷60s，油冷；

高溫回火： 640℃保溫150min，油冷；

感應淬火： 870℃噴水冷卻；

感應回火： 160℃保溫100min，空冷；

穩定化處理：200℃保溫600min，空冷。

最終熱處理后，主軸組織為：

表層：；心部：

表面馬氏體有很高的強度和硬度；內部仍為回火索氏體，保持良好的綜合力學性能。

作者簡介：郭文暉（1997-），男，山東高唐人，本科，研究方向：材料成型及控制工程。