热处理工艺课程设计Word下载.docx

1、1. 深入了解热处理课程的基本理论2. 初步学会制定零部件的热处理工艺3. 了解与本设计有关的新技术,新工艺4. 设计尽量采用最新技术成就,并注意和具体实践相结合,是设计具有一定的先进性和实践性.二、热处理工艺课程设计的设计任务1. 编写设计说明书2. 编制工序施工卡片3. 绘制必要的工装图三、热处理工艺课程设计内容和步骤3.1零部件简图、钢种和技术要求1.简图2.钢种: 20CrMnMo3.技术要求： 1.要求主轴头部144.4mm及尾部30mm处渗碳淬火，渗碳层深度1.31.5mm； 2.硬度为6065HRC.3.2零部件的工作条件、破坏方式和性能要求的分析 1.零部件的工作条件作为机床的

2、传动件，主轴是传递动力的零件，传递着动力和各种负荷，它的前后端由于承受一定的扭转和摩擦力，它的合理选材直接影响整台车床的精度和使用寿命。 2.零部件的主要破坏方式 （1）受横向力并传递扭矩，承受交变弯曲应力和扭应力，常常发生疲劳断裂。 （2）承受一定的过载和冲击和载荷，产生过量弯曲变形，甚至发生折断或扭断。 （3）轴颈和花键等部位发生相对运动，承受较大的摩擦，轴颈表面产生过量的磨损。3.零部件性能要求 主轴是机床上的传动力的零件，由于负荷不同，受力大小也不同，常承受弯曲，扭矩，冲击，同时受到在滑移和转动部位的摩擦作用。因此主轴的性能要求是高硬度，足够的韧性及疲劳强度，强度和形状畸变要求。3.3

3、零部件用钢的分析3.3.1 相关钢种化学成分的作用（1）20CrMnMo表1. 20CrMnMo的化学成分C Si Mn Cr Mo P,SNi Cu 0.170.23 0.170.37 0.901.20 1.101.40 0.200.30 0.035 0.30 化学成分作用：A. 碳（C）的影响从铁碳平衡图中，我们能清楚的看到，钢随着含碳量的增加，钢的基本组织不同，而且在加热与冷却时，组织转变的温度也不相同。纯铁在加热与冷却过程中，仅发生晶格的变化（同素异形转变）。所以热处理时其机械性能几乎不发生影响。但是随着含碳量的增加，热处理将发生显著地作用。如亚共析钢随着含金量的增高，淬火后强度、硬度

4、都有显著提高；同时含碳量的多少也确定了钢的热处理工艺。B. 铬（Cr）的影响 铬为碳化物形成元素。它能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性；阻止晶粒长大，增加钢的淬透性，降低钢的临界冷却速度。因而，使钢在热处理时，退火、正火、淬火的加热温度有所提高。并使它在油中便能淬硬。但它降低了钢的马氏体点，因而增加了钢残余奥氏体量。使钢的奥氏体不稳定区域变为700-500和400-250。提高了钢的硬度和强度，增加了钢在高温回火时强度降低的抗力。C. 钼（Mo）的影响 提高钢的淬透性，热强性，有二次硬化的作用，能降低回火脆性。D. 硅（Si）的影响 Si能升高Ac1和Ac3点，从而使热处理时的

5、退火、正火、淬火的加热温度增高。能增加奥氏体的稳定性，降低临界冷却速度，增加钢的淬透性很多，故能使Si合金钢在油中淬硬。E. 锰（Mn）的影响 Mn为碳化物形成元素。他降低钢的Ac1和Ac3而使钢在热处理时的温度有所降低。增加奥氏体的稳定性，降低钢的临界冷却速度，同时增加钢的淬透性，但它使残余奥氏体量增加。可以减少钢在淬火时的变形和增加钢的强度和硬度。使钢的回火脆性与晶粒长大的作用增大。F. 硫（S）的影响硫在通常情况下也是有害元素。使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。所以通常要求硫含量小于0.055%，优质钢要求小于0.040%。在

6、钢中加入0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。G. 铜（Cu）和镍（Ni）的影响铜在合金钢中，使钢的Ac3下降。Ni能强化铁素体，降低钢的Ac1和Ac3点，从而使热处理时的退火、正火、淬火的加热温度有所降低。增加了奥氏体的稳定性，降低了钢的临界冷却速度，对钢的淬透性略有增加；但它降低了钢的马氏体点，增加了钢的残余奥氏体量。对钢的强度和硬度有所提高，但阻止晶粒长大的作用不明显。3.3.2.相关钢种的热处理工艺性能分析（1）20CrMnMo 热处理基本参数表3-1临界温度Ac1Ac3Ar1Ar3Ms温度/710830620740-A.淬透性：淬透性随淬火温度的提高而增加，因

7、为温度升高，奥氏体晶粒尺寸增大，淬透性提高。但是如果温度过高，奥氏体晶粒过于粗大淬火后会产生开裂或变形。B.淬硬性：淬硬性表示钢淬火时的硬化能力。它主要与钢的含碳量有关，更确切的是说是它取决于淬火后马氏体中的含碳量，马氏体中的含碳量越高钢的淬硬性越高。C.变形倾向：淬火后变形分两种：翘曲变形和体积变形，翘曲变形主要是加热时工件在炉内放置不当或搓火前后没有定型处理货冷却不均匀做造成的，另一方面淬火前后组织不一样引起体积变形，淬火前一般为珠光体组织，淬火后为马氏体组织，由于两种组织的比容不同，淬火前后讲引起体积变化，从而产生变形，但这种变形只按比例使工件胀缩而不改变形状。3.3.3钢材的组织性能（

8、硬度、强度、耐磨性、塑韧性等）与各种热处理工艺的关系 从铁碳合金相图来看, 20CrMnMo钢属于亚共析钢, 缓慢冷却到室温后的组织为铁素体+ 珠光体;从钢的分类来看, 20CrMnMo 钢属于高级渗碳结构钢, 可加工和热加工性能良好，强度,塑性和韧性都较高，过热倾向小，无回火脆性，既可作为渗碳钢使用，也可作为调质钢使用，渗碳加淬火后具有较高的抗弯强度和耐磨性，但是磨削时容易产生裂纹，淬火及低温回火具有良好的综合力学性能和低温冲击韧性。20CrMnMo钢采用渗碳+淬火+低温回火，表面可以获得6065HRC的高硬度，因淬透性较高，心部具有较高的强度和韧性20CrMnMo的含碳量为0.20属于低碳

9、钢,渗碳时保证了碳元素的正常渗入。钢中合金元素为Cr1.4、Mn1.2、Mo0.3。Cr、Mn合金元素能提高钢铁索体的强度,同时提高钢的淬透性。Mo元素提高钢的淬透性，热强性。加工中心主轴根据使用性能要求表面耐磨,所以要对20CrMnMo钢进行表面渗碳处理,渗碳淬火后表面得到高碳马氏体, 具有较高的硬度和耐磨性。表3-2 20CrMnMo的临界温度及常规热处理工艺参数 牌 号 临界温度/退火正 火温度/冷却硬度HBWMf20CrMnMo-850870炉冷217 880930空冷190228续表2淬 火回 火淬火介质HRC不同温度回火后的硬度值HRC15020030040050055060065

10、0350油4645444335图3-3 20CrMnMo钢淬透性曲线 表3-4 热处理工艺规范工艺名称正火高温回火淬火回火加热温度（）850870870900680700850860按需要定冷却方式油冷水，空冷18HRC23HRC4146HRC见表3-2图3-5 渗碳后力学性能表3-6 渗碳热处理工艺规范渗碳渗碳淬火温度淬火冷却回火温度回火冷却920940炉内降温至830850 油冷180200图3-7 钢的等温转变图和连续冷却转变图3.4热处理工艺方案及工艺参数的论述3.4.1零件的加工工艺路线及其简单论证论证：首先正火可以细化晶粒，使组织均匀化，消除切削加工后的组织硬化现象和去除内应力，提

11、高低碳钢零件的硬度，提高切削性能。接着需要表面硬度，发挥结构钢优越的机械性能，常将结构钢表面渗碳淬火，这样就能得到需要的表面硬度。渗碳处理一般用于表面耐磨、芯部耐冲击的重载零件，其耐磨性比调质表面淬火高。经热处理后，表面可以获得很高的硬度（HRC5862），芯部硬度低，耐冲击。3.4.2锻造工艺曲线查阅热处理工艺规范数据手册可以找出20CrMnMo钢的锻造工艺的加热温度、始锻温度冷却方式，如下表所示： 表3-8 20CrMnMo钢的锻造工艺图表项目Ac1（Ar1）Ac3（Ar3）加热温度/始锻温度终锻温度钢坯710（620）830（740）92094012008503.4.3预备热处理工艺方案

12、、工艺参数及其论证正火 87010 0.5h 空冷渗碳 92510 6h 坑冷重新加热淬火 84010 0.5h 油冷低温回火 16010 1.5h 空冷20CrMnMo钢经热加工后，必须经过预备热处理来降低硬度，消除热加工时造成的组织缺陷，细化晶粒，改善组织，为最终热处理做好准备。对于20CrMnMo钢而言，正火可以细化晶粒，使组织均匀化，消除切削加工后的组织硬化现象和去除内应力。接着进行渗碳淬火，得到高强度，高硬度，高抗弯强度和耐磨性，满足加工中心主轴的使用要求。钢经渗碳后，仅使其表面层的含碳量提高到0.70%1.05%，仍达不到表层高硬度和耐磨的要求，因此，渗碳后还需淬火和低温回火，使工

13、件表层具有高的硬变和耐磨性。渗碳目的是提高工件表面碳浓度,以便淬火后达到提高表面硬度和耐磨性的目的。 渗碳后淬火加低温回火是达到表层高硬度的热处理方式,淬火后低温回火,表层得到回火马氏体组织,耐磨性达到较高水平. 淬火的目的是提高硬度，淬火是得到尽量多的马氏体组织，得到高硬度，回火是为了马氏体二次分解形成索氏体，以便得到良好的机械性能。3.4.4最终热处理工艺方案，工艺参数及论证3. 4. 4.1 正火 1.正火的目的1）正火可以细化晶粒，使组织均匀化。2）消除切削加工后的组织硬化现象和去除内应力。3）消除共析钢中的网状硬化物，为热处理做好组织准备。2加热温度加热温度：87010。因为20Cr

14、MnMo是亚共析钢，钢中含有碳化物形成元素。为使合金中难溶的特殊碳化物溶入奥氏体中，使奥氏体合金化程度增高，正火的加热温度为Ac3以上3050，20CrMnMo的含碳量为0.20%，Ac3为830摄氏度，所以将钢件的加热温度确定为870摄氏度。3 加热方法采用到温加热的方法，是指当炉温加热到指定的温度时，再将工件装进热处理炉进行加热。原因是加热速度快，节约时间，便于批量生产4 加热介质 加热介质为空气5 保温时间 保温时间=保温时间系数有效尺寸，保温时间用 表示. 合金钢保温时间系数（mm/min）装炉修正系数工件厚度。工件加热保温时间与加热介质，材料成分，炉温，工件的形状和大小，装炉量和装炉

15、量等因素有关。一般用经验公式来计算保温时间：装炉系数工件的有效厚度。合金结构钢选择750900井式电阻炉加热的保温时间系数选为1.5，装炉系数K一般选择1.4。工件的有效厚度为D=（60-36）2=12mm。所以=KD=1.51.412=25.2min取30min6 正火工艺曲线根据以上热处理参数的确定工件的正火工艺曲线见图3-9根据计算结果绘制出工件的正火曲线横轴为时间，纵轴为温度。 87010 30min 时间/分钟 图3-9 正火处理工艺曲线7 冷却方式冷却方式采用出炉空冷。8 冷却介质 冷却介质：空气。9 正火组织细珠光体铁素体。3.4.4.2 20CrMnMo的渗碳工艺1 渗碳的目的

16、渗碳是将钢件置于足够的碳势的介质中加热到奥氏体状态并保温，使其形成一个富碳层的热处理工艺。具体是将含碳（0.10.25）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,再经过淬火和回火，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较低的M，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。采用甲醇-煤油滴注式气体渗碳。高温下甲醇的裂解产物H2O、CO2等将CH4和C氧化。可使炉气成分和碳势保持在一定范围内。 渗碳可以再多方面提高钢件的机械性能，可以提高钢件的硬度和耐磨性，降低冲击韧性和断裂韧性

17、（冲击韧性和断裂韧性随着表面碳含量的越高、碳层越深，降低的越多），同时可以提高疲劳强度（碳层的高强度有助于疲劳强度的提高）。2 渗碳温度 目前在生产上广泛使用的温度是920940。对于薄层渗碳，温度可以降到880 900，而对于深层渗碳（大于5mm）温度往往提高到980 1000 （主要是缩短渗碳时间）。 温度越高渗速越快，但是温度过高会引起奥氏体晶粒长大，降低零件的力学性能，增加零件的畸变，降低使用寿命。通常渗碳的温度选择要根据渗层的深度确定。渗层深度与温度的关系见表3-10表3-10 渗层深度与温度的关系表加工中心主轴的渗层深度为1.31.5mm所以选渗层深度的温度应为9253 渗碳介质渗

18、碳介质：煤油渗碳煤油在925的分解产物及含量见表3-11，井式炉煤油滴量表 3-12表3-11 渗碳煤油在925的分解产物及含量CO2COH2CH4CmHnO2N20.232.466.20.6 表 3-12 井式炉煤油滴量设备型号RQ3-35-9DRQ3-60-9DRQ3-75-9DRQ3-90-9D煤油滴量（mlmin）排气期2.02.43.03.2强渗期4.246扩散期1.21.62.24 渗碳保温时间保温时间6小时依据：渗碳时间的确定：根据公式：其中（mm）为渗碳层深度；K为常数；t（h）为渗碳保温时间。925渗碳时取K为0.63故t=（1.50/0.63）（1.50/0.63）=5.6

19、6h故选渗碳时间为6小时5冷却方法：冷却方式：随炉缓慢冷却至850后出炉，组织的偏析基本消除，比较均匀。对于重新加热淬火的工件，为了减少表面的氧化，脱碳及变形，应该炉冷至850860摄氏度出炉空冷。最好是将坑冷。 6 渗碳后的组织 表面：碳化物+珠光体铁素体心部：珠光体铁素体7 渗碳工艺曲图图为RQ3-75-9井式渗碳炉的工艺图8 渗碳过程中注意的问题 （1）渗碳过程中，通常可借助观察排出废气的火苗，判断炉内的气氛。正常火苗呈现浅黄色，无黑烟和白亮的火束或火星。火苗长100200mm，炉内压力为200300pa。非正常的火苗有：火苗中有火星，表示炉内炭黑过多，火苗过长而且尖端外缘出现亮白色，表

20、示渗碳剂供给量过多，火苗短而且外呈浅蓝色，有透明感，表示渗剂供给量不足。（2）由于中段，内里部分和端面不做渗碳要求，应该涂上防渗碳涂料。（3）对于重新加热淬火的工件，为了减少表面的氧化，脱碳及变形，应该炉冷至850860摄氏度出炉空冷，最好是坑冷（冷却坑内应先加入一些甲醇，乙醇，以产生保护气氛）。3.4.4.3 20CrMnMo的淬火工艺1 渗碳后一次重新加热淬火的目的提高硬度和耐磨性，如刃具、量具、模具等；提高强韧性，如各种机器零件；提高耐腐蚀性和耐热性，如不锈钢和耐热钢。2 淬火温度淬火温度：840亚共析钢淬火加热温度选用AC3+（3050），这样既保证充分奥氏体化，又保持奥氏体晶粒的细小

21、。3 保温时间淬火加热时间包括升温和保温时间两段时间，升温时间包括相变重结晶时间，保温时间实际上只考虑碳化物溶解和奥氏体成分均匀化所需要的时间。 在具体的生产条件下，淬火加热时间常用经验公式计算，通过实验最终确定。常用的经验公式为： = aKD 式中 加热时间，min； a 加热系数，min/mm； K 装炉修正系数； D 工件有效厚度，mm。 加热系数a表示工件单位厚度需要的加热时间，其大小与工件尺寸、加热介质和钢的化学成分有关，下表是常用钢的加热系数。表3-13 常用钢的加热系数工件材料工件直径/mm600箱式炉中加热750850盐炉中加热或预热800900箱式炉或井式炉中加热100013

22、00高温盐炉中加热碳钢500.30.41.01.2500.40.51.21.5合金钢0.450.500.500.551.51.8高合金钢0.300.400.300.350.170.2高速钢0.160.180.650.85 根据设计的加工中心主轴，加热系数a的大小取1.5。 装炉量修正系数K是考虑装炉的多少和方式来确定的。工件在炉内的排布方式直接影响热量传递的通道，轴在炉中的摆布如下图： 修正系数K的值取1.3所以，淬火加热时间 =aKD 23.4min同时，工件在渗碳炉中保温的时间已经足够长无需再加热很长时间。所以得到保温时间是0.5h。4 淬火工艺曲线见图3-14图3-14 淬火工艺曲线5

23、冷却介质 L-AN15（10号机械油）的冷却能力见表3-15 表3-15 10号机械油的冷却能力特性温度/特性时间/s800400冷却/s4604.85.05该冷却介质冷却能力适中适合20CrMnMo小件零件的淬火工艺处理。淬火过程中Ms点已经进入对流阶段，低温区冷却能力远小于水，可以减少工件应力的产生，减少由于内应力产生的变形和开裂。6 淬火后组织组成表面：高碳马氏体碳化物残余奥氏体 低碳马氏体残余奥氏体依据 20CrMnMo的C曲线。由于表面渗碳含碳量较高在淬火后表面为马氏体和网状碳化物额和残余奥氏体，心部由于含碳量相对低所以其组成为低碳马氏体和残余奥氏体。3.4.4.4 20CrMnMo的回火工艺1 回火目的提高淬火钢的塑性和韧性，降低其脆性，但却往往不可避免地要降低其强度和硬度，回火的另一个目的是降低或消除淬火引起的残余应力，这对于稳