大型皮带机主轴热处理质量控制

王晔

摘要：皮带机主传动轴是皮带机中性能要求较高的零件，在工作过程中要承受复杂载荷如扭转、弯曲、拉压、冲击等作用，主轴的良好性能是保证皮带机正常运转的主要条件之一。文章通过对皮带机工艺处理过程中，淬火加热时的应力及材料回火的应力两方面分析，找出产生质量问题的原因，并制定出相应的质量控制措施。

关键词：皮带机主轴；质量控制；淬火回火

中图分类号：TD235 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）16-0085-02

皮带机一直以来都是我厂主打产品之一，近年来，我厂承接了一大批大型皮带机生产任务。在这些大型皮带机上其主要传动轴直径普遍超过300mm，长度超过3000mm，在对此类主轴质量的控制中，我厂通过多次的探索总结了一些实用的方法。

皮带机主轴属于传动件，在工作过程中要承受复杂载荷（如扭转、弯曲、拉压、冲击等）的作用，并经受强烈摩擦，是皮带机中性能要求较高的零件。因此，必须对该轴的机械性能进行强化处理，即调质热处理。调质能使零件获得良好的综合力学性能，能够提高零件的强度、塑性和韧性。

由于皮带机主轴的直径较大，长度较长，在调质淬火时表面与心部冷却速度冷却顺序和冷却速度的差异，使表面和心部存在温度和组织差异，产生了热应力和组织压力。如果主轴内部存有少许组织缺陷，很容易造成淬火断裂和弯曲变形，一旦造成断裂或严重弯曲变形，带来的后果一方面是工件报废，给生产带来重大损失，另一方面如果出现隐性内裂现象，可能会存在巨大安全隐患，甚至造成机毁人亡的事故。因此必须对大型皮带机主轴热处理的质量控制。

1 产生质量问题的原因分析

从材料学的观点看，工件之所以产生裂纹、断裂和弯曲变形现象除了工件材质存在杂质、气孔、组织不均匀等缺陷外，主要由于材料所承受的应力超过了材料本身的破断抗力。因此，我们从热处理淬火加热时的应力及材料回火的应力两方面分析：

1.1 淬火应力

大型工件热处理淬火过程中的应力主要由热应力、组织应力及由于截面上转变组织比容不同引起的应力。

（1）热应力是在热处理过程中，工件表面和中心由于加热或冷却速度不一，导致体积膨胀不均匀而产生的内应力。对于大型轴类工件，从高温快速冷却时表面冷却得快，心部冷却得慢，内外存在较大的温差。由于表面先冷必然收缩，而心部有较高温度比热阻止其收缩，即心部使表面受拉，表面对心部产生压力。但是，钢在高温塑性阶段屈服强度低，塑性变形后应力将得到松弛，当外部先进入弹性阶段形成冷硬外壳后，将对心部收缩产生阻碍作用。这时工件中的热应力将发生改变，表面由原来的受拉转变为受压，心部则由受压转变为受拉，而且随着冷却的继续进行不断增大，于是形成了残余热应力。

（2）组织应力是钢在淬火冷却时，由于表面冷却的快先发生组织转变（膨胀），中心或冷却较慢的部分后发生组织转变（亦膨胀），从而造成体积转变的不等时性所产生的内应力。以轴类工件为例，当淬火时，工件从高温急冷，表面先组织转变即膨胀，未发生组织转变的心部将阻碍其膨胀，因而表面受压心部受拉。由于这时心部温度较高而且处于奥氏体状态，塑性较好将发生不均匀的塑性变形使应力松弛。继续冷却，心部发生组织转变并膨胀时，表面形成的弹性外壳将阻碍心部膨胀转而受压，表面受拉，形成残余组织应力。

（3）组织比容差异引起的应力，大型工件由于截面较大，不容易完全淬透，往往只淬透一定深度的表层，这样就产生了沿截面上组织比容差异引起的应力。完全淬为马氏体的层深距表面不过10mm左右，马氏体消失一般都在25～50mm以内。

由于组织转变的比容不同，以及在随后冷却过程中残余奥氏体的分解，便形成了表面马氏体层受压，心部受拉的残余应力。

大型工件淬火后的残余应力是以上三种应力的叠加，淬火应力属于热应力型的，最大淬火拉应力峰值位于圆形截面的中心区或壁厚的1/2处。

由于以上几种应力的存在和相互作用，大型皮带机主轴很容易出现弯曲变形，甚至断裂、内裂等现象。

1.2 淬火后回火

工件淬火后，一般要进行回火处理，回火加热的升温速度控制也相当重要。因为截面大的工件，表面先受热膨胀，心部仍是受热慢不膨胀，这时工件又处于低温弹性状态，因此加热时内外温差形成的应力仍是表面受压，心部受拉的热应力。与淬火时的残余应力正好叠加，故此时最易使工件形成开裂，易引起工件变形。

实践证明，在我们遇到的热应力型内裂、断裂、变形严重等现象，在探伤检测过程中未发现严重缺陷的，主要是由于淬火操作不当或回火不及时，致使工件中残余应力过大所致。

2 大型皮带机主轴热应力问题的预防

热应力型内裂、断裂、变形严重等现象产生的主要原因是工件淬火时的残余应力，材料中的缺陷是引起以上问题的辅助原因。为了预防内裂、断裂及严重变形现象，主要应从降低心部拉应力和提高材料破断抗力两方面加以考虑。

（1）适当降低淬火温度；降低淬火温度可以减小热应力，对防止内裂、断裂、变形严重有利。因为淬火温度越高，热应力越大，同时，加热温度过高也会使奥氏体晶粒粗化，使材料强度变低。工件出炉后淬火前适当预冷，对解决以上问题有利。

（2）淬火时注意工件的均匀冷却；工件在淬火冷却时注意开启循环水（油）泵，使工件在淬火介质中上下缓慢移动，均匀冷却。

（3）工件及时回火处理；工件淬火后不及时回火将导致残余应力加剧，并随时间的延长，表层的残余奥氏体继续分解，进一步加剧了内部的拉应力。因此，大型皮带机主轴要及时回火。

（4）控制加热升温速度；控制加热升温速度十分重要，快速加热会导致内外温差加剧，热应力增大。特别是含碳与合金元素高的大型工件，低温阶段的升温速度要严加控制。一般来说，大型工件实行分段加热，使工件外部与心部加热均匀、同步，在350℃～450℃之间和在600℃～680℃之间工件心部和表面温差最大，有时可能达到400℃温差，所以一般在450℃和650℃下保温来减小温差，并且，在低温阶段的升温速度要控制在30℃～70℃/之间。回火加热时，因工件有很大的残余应力。升温时更要注意。

（5）减少材料中的缺陷；提高材料本身的强度对防止淬裂、变形也起着重要的作用，为了提高材料本身的强度，我厂对大型皮带机主轴在调质之前先进行一次正火处理，以便细化晶粒，减少组织缺陷，提高材料强度。

参考文献

[1] 安继儒，刘耀恒，等.热处理工艺规范手册[M].

[2] 夏立芳.热处理工艺学[M].endprint

摘要：皮带机主传动轴是皮带机中性能要求较高的零件，在工作过程中要承受复杂载荷如扭转、弯曲、拉压、冲击等作用，主轴的良好性能是保证皮带机正常运转的主要条件之一。文章通过对皮带机工艺处理过程中，淬火加热时的应力及材料回火的应力两方面分析，找出产生质量问题的原因，并制定出相应的质量控制措施。

关键词：皮带机主轴；质量控制；淬火回火

中图分类号：TD235 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）16-0085-02

皮带机一直以来都是我厂主打产品之一，近年来，我厂承接了一大批大型皮带机生产任务。在这些大型皮带机上其主要传动轴直径普遍超过300mm，长度超过3000mm，在对此类主轴质量的控制中，我厂通过多次的探索总结了一些实用的方法。

皮带机主轴属于传动件，在工作过程中要承受复杂载荷（如扭转、弯曲、拉压、冲击等）的作用，并经受强烈摩擦，是皮带机中性能要求较高的零件。因此，必须对该轴的机械性能进行强化处理，即调质热处理。调质能使零件获得良好的综合力学性能，能够提高零件的强度、塑性和韧性。

由于皮带机主轴的直径较大，长度较长，在调质淬火时表面与心部冷却速度冷却顺序和冷却速度的差异，使表面和心部存在温度和组织差异，产生了热应力和组织压力。如果主轴内部存有少许组织缺陷，很容易造成淬火断裂和弯曲变形，一旦造成断裂或严重弯曲变形，带来的后果一方面是工件报废，给生产带来重大损失，另一方面如果出现隐性内裂现象，可能会存在巨大安全隐患，甚至造成机毁人亡的事故。因此必须对大型皮带机主轴热处理的质量控制。

1 产生质量问题的原因分析

从材料学的观点看，工件之所以产生裂纹、断裂和弯曲变形现象除了工件材质存在杂质、气孔、组织不均匀等缺陷外，主要由于材料所承受的应力超过了材料本身的破断抗力。因此，我们从热处理淬火加热时的应力及材料回火的应力两方面分析：

1.1 淬火应力

大型工件热处理淬火过程中的应力主要由热应力、组织应力及由于截面上转变组织比容不同引起的应力。

（1）热应力是在热处理过程中，工件表面和中心由于加热或冷却速度不一，导致体积膨胀不均匀而产生的内应力。对于大型轴类工件，从高温快速冷却时表面冷却得快，心部冷却得慢，内外存在较大的温差。由于表面先冷必然收缩，而心部有较高温度比热阻止其收缩，即心部使表面受拉，表面对心部产生压力。但是，钢在高温塑性阶段屈服强度低，塑性变形后应力将得到松弛，当外部先进入弹性阶段形成冷硬外壳后，将对心部收缩产生阻碍作用。这时工件中的热应力将发生改变，表面由原来的受拉转变为受压，心部则由受压转变为受拉，而且随着冷却的继续进行不断增大，于是形成了残余热应力。

（2）组织应力是钢在淬火冷却时，由于表面冷却的快先发生组织转变（膨胀），中心或冷却较慢的部分后发生组织转变（亦膨胀），从而造成体积转变的不等时性所产生的内应力。以轴类工件为例，当淬火时，工件从高温急冷，表面先组织转变即膨胀，未发生组织转变的心部将阻碍其膨胀，因而表面受压心部受拉。由于这时心部温度较高而且处于奥氏体状态，塑性较好将发生不均匀的塑性变形使应力松弛。继续冷却，心部发生组织转变并膨胀时，表面形成的弹性外壳将阻碍心部膨胀转而受压，表面受拉，形成残余组织应力。

（3）组织比容差异引起的应力，大型工件由于截面较大，不容易完全淬透，往往只淬透一定深度的表层，这样就产生了沿截面上组织比容差异引起的应力。完全淬为马氏体的层深距表面不过10mm左右，马氏体消失一般都在25～50mm以内。

由于组织转变的比容不同，以及在随后冷却过程中残余奥氏体的分解，便形成了表面马氏体层受压，心部受拉的残余应力。

大型工件淬火后的残余应力是以上三种应力的叠加，淬火应力属于热应力型的，最大淬火拉应力峰值位于圆形截面的中心区或壁厚的1/2处。

由于以上几种应力的存在和相互作用，大型皮带机主轴很容易出现弯曲变形，甚至断裂、内裂等现象。

1.2 淬火后回火

工件淬火后，一般要进行回火处理，回火加热的升温速度控制也相当重要。因为截面大的工件，表面先受热膨胀，心部仍是受热慢不膨胀，这时工件又处于低温弹性状态，因此加热时内外温差形成的应力仍是表面受压，心部受拉的热应力。与淬火时的残余应力正好叠加，故此时最易使工件形成开裂，易引起工件变形。

实践证明，在我们遇到的热应力型内裂、断裂、变形严重等现象，在探伤检测过程中未发现严重缺陷的，主要是由于淬火操作不当或回火不及时，致使工件中残余应力过大所致。

2 大型皮带机主轴热应力问题的预防

热应力型内裂、断裂、变形严重等现象产生的主要原因是工件淬火时的残余应力，材料中的缺陷是引起以上问题的辅助原因。为了预防内裂、断裂及严重变形现象，主要应从降低心部拉应力和提高材料破断抗力两方面加以考虑。

（1）适当降低淬火温度；降低淬火温度可以减小热应力，对防止内裂、断裂、变形严重有利。因为淬火温度越高，热应力越大，同时，加热温度过高也会使奥氏体晶粒粗化，使材料强度变低。工件出炉后淬火前适当预冷，对解决以上问题有利。

（2）淬火时注意工件的均匀冷却；工件在淬火冷却时注意开启循环水（油）泵，使工件在淬火介质中上下缓慢移动，均匀冷却。

（3）工件及时回火处理；工件淬火后不及时回火将导致残余应力加剧，并随时间的延长，表层的残余奥氏体继续分解，进一步加剧了内部的拉应力。因此，大型皮带机主轴要及时回火。

（4）控制加热升温速度；控制加热升温速度十分重要，快速加热会导致内外温差加剧，热应力增大。特别是含碳与合金元素高的大型工件，低温阶段的升温速度要严加控制。一般来说，大型工件实行分段加热，使工件外部与心部加热均匀、同步，在350℃～450℃之间和在600℃～680℃之间工件心部和表面温差最大，有时可能达到400℃温差，所以一般在450℃和650℃下保温来减小温差，并且，在低温阶段的升温速度要控制在30℃～70℃/之间。回火加热时，因工件有很大的残余应力。升温时更要注意。

（5）减少材料中的缺陷；提高材料本身的强度对防止淬裂、变形也起着重要的作用，为了提高材料本身的强度，我厂对大型皮带机主轴在调质之前先进行一次正火处理，以便细化晶粒，减少组织缺陷，提高材料强度。

参考文献

[1] 安继儒，刘耀恒，等.热处理工艺规范手册[M].

[2] 夏立芳.热处理工艺学[M].endprint

摘要：皮带机主传动轴是皮带机中性能要求较高的零件，在工作过程中要承受复杂载荷如扭转、弯曲、拉压、冲击等作用，主轴的良好性能是保证皮带机正常运转的主要条件之一。文章通过对皮带机工艺处理过程中，淬火加热时的应力及材料回火的应力两方面分析，找出产生质量问题的原因，并制定出相应的质量控制措施。

关键词：皮带机主轴；质量控制；淬火回火

中图分类号：TD235 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）16-0085-02

皮带机一直以来都是我厂主打产品之一，近年来，我厂承接了一大批大型皮带机生产任务。在这些大型皮带机上其主要传动轴直径普遍超过300mm，长度超过3000mm，在对此类主轴质量的控制中，我厂通过多次的探索总结了一些实用的方法。

皮带机主轴属于传动件，在工作过程中要承受复杂载荷（如扭转、弯曲、拉压、冲击等）的作用，并经受强烈摩擦，是皮带机中性能要求较高的零件。因此，必须对该轴的机械性能进行强化处理，即调质热处理。调质能使零件获得良好的综合力学性能，能够提高零件的强度、塑性和韧性。

由于皮带机主轴的直径较大，长度较长，在调质淬火时表面与心部冷却速度冷却顺序和冷却速度的差异，使表面和心部存在温度和组织差异，产生了热应力和组织压力。如果主轴内部存有少许组织缺陷，很容易造成淬火断裂和弯曲变形，一旦造成断裂或严重弯曲变形，带来的后果一方面是工件报废，给生产带来重大损失，另一方面如果出现隐性内裂现象，可能会存在巨大安全隐患，甚至造成机毁人亡的事故。因此必须对大型皮带机主轴热处理的质量控制。

1 产生质量问题的原因分析

从材料学的观点看，工件之所以产生裂纹、断裂和弯曲变形现象除了工件材质存在杂质、气孔、组织不均匀等缺陷外，主要由于材料所承受的应力超过了材料本身的破断抗力。因此，我们从热处理淬火加热时的应力及材料回火的应力两方面分析：

1.1 淬火应力

大型工件热处理淬火过程中的应力主要由热应力、组织应力及由于截面上转变组织比容不同引起的应力。

（1）热应力是在热处理过程中，工件表面和中心由于加热或冷却速度不一，导致体积膨胀不均匀而产生的内应力。对于大型轴类工件，从高温快速冷却时表面冷却得快，心部冷却得慢，内外存在较大的温差。由于表面先冷必然收缩，而心部有较高温度比热阻止其收缩，即心部使表面受拉，表面对心部产生压力。但是，钢在高温塑性阶段屈服强度低，塑性变形后应力将得到松弛，当外部先进入弹性阶段形成冷硬外壳后，将对心部收缩产生阻碍作用。这时工件中的热应力将发生改变，表面由原来的受拉转变为受压，心部则由受压转变为受拉，而且随着冷却的继续进行不断增大，于是形成了残余热应力。

（2）组织应力是钢在淬火冷却时，由于表面冷却的快先发生组织转变（膨胀），中心或冷却较慢的部分后发生组织转变（亦膨胀），从而造成体积转变的不等时性所产生的内应力。以轴类工件为例，当淬火时，工件从高温急冷，表面先组织转变即膨胀，未发生组织转变的心部将阻碍其膨胀，因而表面受压心部受拉。由于这时心部温度较高而且处于奥氏体状态，塑性较好将发生不均匀的塑性变形使应力松弛。继续冷却，心部发生组织转变并膨胀时，表面形成的弹性外壳将阻碍心部膨胀转而受压，表面受拉，形成残余组织应力。

（3）组织比容差异引起的应力，大型工件由于截面较大，不容易完全淬透，往往只淬透一定深度的表层，这样就产生了沿截面上组织比容差异引起的应力。完全淬为马氏体的层深距表面不过10mm左右，马氏体消失一般都在25～50mm以内。

由于组织转变的比容不同，以及在随后冷却过程中残余奥氏体的分解，便形成了表面马氏体层受压，心部受拉的残余应力。

大型工件淬火后的残余应力是以上三种应力的叠加，淬火应力属于热应力型的，最大淬火拉应力峰值位于圆形截面的中心区或壁厚的1/2处。

由于以上几种应力的存在和相互作用，大型皮带机主轴很容易出现弯曲变形，甚至断裂、内裂等现象。

1.2 淬火后回火

工件淬火后，一般要进行回火处理，回火加热的升温速度控制也相当重要。因为截面大的工件，表面先受热膨胀，心部仍是受热慢不膨胀，这时工件又处于低温弹性状态，因此加热时内外温差形成的应力仍是表面受压，心部受拉的热应力。与淬火时的残余应力正好叠加，故此时最易使工件形成开裂，易引起工件变形。

实践证明，在我们遇到的热应力型内裂、断裂、变形严重等现象，在探伤检测过程中未发现严重缺陷的，主要是由于淬火操作不当或回火不及时，致使工件中残余应力过大所致。

2 大型皮带机主轴热应力问题的预防

热应力型内裂、断裂、变形严重等现象产生的主要原因是工件淬火时的残余应力，材料中的缺陷是引起以上问题的辅助原因。为了预防内裂、断裂及严重变形现象，主要应从降低心部拉应力和提高材料破断抗力两方面加以考虑。

（1）适当降低淬火温度；降低淬火温度可以减小热应力，对防止内裂、断裂、变形严重有利。因为淬火温度越高，热应力越大，同时，加热温度过高也会使奥氏体晶粒粗化，使材料强度变低。工件出炉后淬火前适当预冷，对解决以上问题有利。

（2）淬火时注意工件的均匀冷却；工件在淬火冷却时注意开启循环水（油）泵，使工件在淬火介质中上下缓慢移动，均匀冷却。

（3）工件及时回火处理；工件淬火后不及时回火将导致残余应力加剧，并随时间的延长，表层的残余奥氏体继续分解，进一步加剧了内部的拉应力。因此，大型皮带机主轴要及时回火。

（4）控制加热升温速度；控制加热升温速度十分重要，快速加热会导致内外温差加剧，热应力增大。特别是含碳与合金元素高的大型工件，低温阶段的升温速度要严加控制。一般来说，大型工件实行分段加热，使工件外部与心部加热均匀、同步，在350℃～450℃之间和在600℃～680℃之间工件心部和表面温差最大，有时可能达到400℃温差，所以一般在450℃和650℃下保温来减小温差，并且，在低温阶段的升温速度要控制在30℃～70℃/之间。回火加热时，因工件有很大的残余应力。升温时更要注意。

（5）减少材料中的缺陷；提高材料本身的强度对防止淬裂、变形也起着重要的作用，为了提高材料本身的强度，我厂对大型皮带机主轴在调质之前先进行一次正火处理，以便细化晶粒，减少组织缺陷，提高材料强度。

参考文献

[1] 安继儒，刘耀恒，等.热处理工艺规范手册[M].

[2] 夏立芳.热处理工艺学[M].endprint