1、1.前 言 近年来，随着国外先进设备和技术的引进，国产齿条的制造工艺日趋成熟，产品质量有所提高，但同国外齿条相比还有一定差距，主要表现为热加工处理方面的差距。热加工技术是机械类各专业一门重要的综合性技术学科。对于从事机械工程的技术人员而言，无论是设计、制造等都必然要面对机械零件毛坯成型方法选择，因此掌握热加工处理技术及方法是工程岗位要求的必要知识。而随着科学技术的发展实现齿条热处理过程的自动控制成为人们研究的主要对象。齿条热处理自动控制不仅可以提高加工效率还可以提高加工精度，此外齿条热处理自动控制过程的实现还可以降低劳动力。 机电一体化技术应用于感应加热设备制造是近十几年伴随着市场发展需求而诞
2、生的产物。在传统的感应加热设备制造中, 由于生产规模、生产能力及行业专一性的限制,造成了生产率低，加工精度低的现状。所以研究齿条热处理自动控制还是非常重要的1。金属材料热处理是改善材料性能的重要手段，处理的结果主要取决于热处理过程中的工艺条件，体现为热处理过程的温度-时间曲线，其关键就是热处理过程温度的控制精度。本设计课题是对高频炉没有自动控温设备而设计的。加热炉没有自动控温设备带来的缺点是：控温不准确、工人劳动量大、加热时间掌握不准确、技术参数保密性不好、不便于分散管理。基于这些问题我们利用现代控制技术、传感器技术、单片机等技术设计了一套对加热炉控制实现自动控制的系统-热处理炉自动控制系统。
3、 2.齿条介绍图2.1 齿条实物图齿条是汽车转向系统中最重要的零件之一。齿条的热处理是齿条制造过程中的关键工序。如果热处理的质量出现问题，齿条可能出现断裂，行进的车辆就会完全失去控制方向的能力，这时往往导致恶性的交通事故，甚至车毁人亡。因此，转向器的制造厂家都对齿条的热处理给予高度的重视。齿条热处理技术也随着汽车工业的发展而不断地提高和完善2。3.热处理3.1基本简介 金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却的一种工艺。3.2发展历程在从石器时代进展到铜器时代和铁器时代的过程中，热处理的作用逐渐为人们所认识。早在公元前770至前222
4、年，中国人在生产实践中就已发现，铜铁的性能会因温度和加压变形的影响而变化。白口铸铁的柔化处理就是制造农具的重要工艺。公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高钢的硬度，淬火工艺遂得到迅速发展。中国河北省易县燕下都出土的两把剑和一把戟，其显微组织中都有马氏体存在，说明是经过淬火的13。随着淬火技术的发展，人们逐渐发现淬冷剂对淬火质量的影响。三国蜀人蒲元曾在今陕西斜谷为诸葛亮打制3000把刀，相传是派人到成都取水淬火的。这说明中国在古代就注意到不同水质的冷却能力了，同时也注意了油和水的冷却能力。中国出土的西汉(公元前206公元24)中山靖王墓中的宝剑，心部含碳量为0.150.4%，而表面含碳量却达
5、0.6%以上，说明已应用了渗碳工艺。但当时作为个人“手艺”的秘密，不肯外传，因而发展很慢。 图3.1齿条热处理 1863年，英国金相学家和地质学家展示了钢铁在显微镜下的六种不同的金相组织，证明了钢在加热和冷却时，内部会发生组织改变，钢中高温时的相在急冷时转变为一种较硬的相。法国人奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论，以及英国人奥斯汀最早制定的铁碳相图，为现代热处理工艺初步奠定了理论基础。与此同时，人们还研究了在金属热处理的加热过程中对金属的保护方法，以避免加热过程中金属的氧化和脱碳等。18501880年，对于应用各种气体（诸如氢气、煤气、一氧化碳等）进行保护加热曾有一系列专利。18891890年英国
6、人莱克获得多种金属光亮热处理的专利。二十世纪以来，金属物理的发展和其他新技术的移植应用，使金属热处理工艺得到更大发展。一个显著的进展是19011925年，在工业生产中应用转筒炉进行气体渗碳；30年代出现露点电位差计，使炉内气氛的碳势达到可控，以后又研究出用二氧化碳红外仪、氧探头等进一步控制炉内气氛碳势的方法；60年代，热处理技术运用了等离子场的作用，发展了离子渗氮、渗碳工艺 ；激光、电子束技术的应用，又使金属获得了新的表面热处理和化学热处理方法。33.3基本特点 图3.2 热处理 热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件
7、内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。为使工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。钢铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性能。3.4相关术语3.4.1铁素体 碳在-Fe（体心立方结构的铁）中的间隙固溶体（F)。3.4.2奥氏体碳在-Fe（面心立方结构的铁）中的间隙固溶体（A）。3
8、.4.3渗碳体碳和铁形成的稳定化合物（Fe3C）。3.4.4珠光体奥氏体缓冷共析分解的铁素体和渗碳体的片层状机械混合物。3.5常见问题3.5.1过热钢被加热到某一温度，随着奥氏体晶粒的长大，在粗大的奥氏体晶界上，发生了化学成分的明显变化（主要是硫的偏析），在冷却时，或者在原始奥氏体晶界上保持了硫的偏析，或者产生了第二相（主要是硫化物）质点的网状沉积，导致晶界脆化，使钢的拉伸塑性和冲击韧性明显降低的现象。3.5.2欠热淬火温度偏低或冷却不良则会在显微组织中产生超过标准规定的托氏体组织，称为欠热组织，它使硬度下降，耐磨性急剧降低，影响齿条的使用寿命。3.5.3淬火裂纹 齿条在淬火冷却过程中因内应力
9、所形成的裂纹称淬火裂纹。造成这种裂纹的原因有：由于淬火加热温度过高或冷却太急，热应力和金属质量体积变化时的组织应力大于钢材的抗断裂强度；工作表面的原有缺陷（如表面微细裂纹或划痕）或是钢材内部缺陷（如夹渣、严重的非金属夹杂物、白点、缩孔残余等）在淬火时形成应力集中、严重的表面脱碳和碳化物偏析、零件淬火后回火不足或未及时回火、前面工序造成的冷冲应力过大、锻造折叠、深的车削刀痕、油沟尖锐棱角等。总之，造成淬火裂纹的原因可能是上述因素的一种或多种，内应力的存在是形成淬火裂纹的主要原因。淬火裂纹深而细长，断口平直，破断面无氧化色。 3.5.4热处理变形 齿条在热处理时，存在有热应力和组织应力，这种内应力
10、能相互叠加或部分抵消，是复杂多变的，因为它能随着加热温度、加热速度、冷却方式、冷却速度、零件形状和大小的变化而变化，所以热处理变形是难免的。认识和掌握它的变化规律可以使齿条零件的变形置于可控的范围，有利于生产的进行。当然在热处理过程中的机械碰撞也会使零件产生变形，但这种变形是可以用改进操作加以减少和避免的7。3.5.5表面脱碳齿条在热处理过程中，如果是在氧化性介质中加热，表面会发生氧化作用使零件表面碳的质量分数减少，造成表面脱碳。表面脱碳层的深度超过最后加工的留量就会使零件报废。表面脱碳层深度的测定在金相检验中可用金相法和显微硬度法。以表面层显微硬度分布曲线测量法为准，可做仲裁判据。3.6齿条
11、的技术要求 齿条的长度一般在4001000m m之间，直径在2040m m之间。齿条的材料通常使用45钢，也有厂家使用其他特殊的材料，以到达降低材料成本、提高齿条的力学性能的目的。在齿条的齿部，淬火深度的要求一般为齿根以下0.11.5m m之间，在轴部，一般为13m m。齿条表面淬火和回火后硬度要求在5060HRC。另外，感应热处理后，齿条的油孔周围不能有裂纹，齿部也不能有裂纹8。3.7齿条的热处理（齿条的主要成分为c45，属于亚共析钢。）3.7.1定义 齿条的热处理是指把齿条在固态下加热、保温、冷却，通过以改变齿条的内部组织结构从而获得所需性能的热加工工艺。3.7.2热加工工艺分类 根据加热
12、及冷却方式的不同及钢的组织.性能变化特点不同，热处理工艺分类 退火 正火普通热处理 淬火 回火热处理 感应加热表面淬火 表面淬火 火焰加热表面淬火 激光加热表面淬火 表面热处理 渗碳渗氮表面化学热处理 碳氮共渗渗金属等图3.3热处理分类3.7.3 c45在加热时的转变 钢的热处理一般都要先把刚加热获得奥氏体，在以不同的冷却方式冷却。把刚加热获得均匀奥氏体组织的过程称作奥氏体化过程。 亚共析钢奥氏体化过程分为两步：首先是完成珠光体向奥氏体的转变，其次，是先共析相向奥氏体转变。 影响奥氏体化的因素：（1）加热温度的影响：加热温度越高则形成奥氏体的速度越快。（2）加热速度的影响：加热速度越快，珠光体
13、向奥氏体转变的温度越高，转变的温度范围加大。（3）合金元素的影响：合金元素改变钢的临界点。例如Ni，Mn。（4）钢的原始组织的影响：单位体积内片层状的渗碳体比球状渗碳体的表面面积大，因此界面处的形核率就大，有利于奥氏体的形成。3.7.4 c45在冷却时组织转变 加热的目的是为了获得晶粒细小.化学成分均匀的奥氏体，冷却的目的是为了获得一定组织以满足所需的性能要求，因此，冷却往往是钢热处理的关键。等温冷却转变：把加热冷却得到的奥氏体迅速冷却到临界点以下的某一温度，并在此温度停留足够时间使过冷奥氏体完成转变。3.7.5钢的正火与退火 钢的退火和正火的热处理工艺，主要用于铸、锻、焊毛坯的热处理，改善毛
14、坯机械加工性能，去除内应力，并可为最终热处理做组织准备，也可作为性能要求不高的机械零件的最终热处理。（1）退火:把钢加热到一定温度，保温一定时间，然后缓冷的热处理工艺叫退火 完全退火：把钢件加热到Ac3+3050，保温一段时间后随炉缓冷，其目的是获得近似平衡组织，降低钢的硬度，消除内应力，有利于切削加工。完全退火主要用于亚共析钢的铸.锻.焊件或型材毛坯料4。 等温退火：等温退火是将亚共析钢加热到Ac3+3050，保温后快冷到一定温度，并在此温度停留，将相变完成后出炉空冷。等温退火的目的和完全退火一致，但等温退火比完全退火可大大缩短时间，提高生产率，而且在等温条件下完成转变后的组织也比较均匀。 扩散退火：扩散退火是将工件加热到低于固相线的高温，长时间保温，促使原子扩散，随后缓冷，以消除晶内偏析等成分不均匀现象。 去应力退火：去应力退火是将钢件加热到A1温度以下某一温度，保温一定时间，然后随炉缓冷到200-300出炉。其主要目的是消除铸、锻、焊件的内应力，稳定尺寸，减少变形。 球化退火（不完全退火）：球化退火主要用于共析钢和过共析钢，其目的是使钢中的渗碳体球状化。其工艺是把钢加热到稍高于Ac1的温度，充分保温，使二次渗碳体
