热处理工艺课程设计文档格式.docx
《热处理工艺课程设计文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《热处理工艺课程设计文档格式.docx（36页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
（1）20CrMnMo
表1.20CrMnMo的化学成分
C
Si
Mn
Cr
Mo
P,S
Ni
Cu
0.17～0.23
0.17～0.37
0.90～1.20
1.10～1.40
0.20～0.30
≤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
Ac1
Ac3
Ar1
Ar3
Ms
温度/℃
710
830
620
740
-----
A.淬透性：
淬透性随淬火温度的提高而增加，因为温度升高，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（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60~65HRC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％属于低碳钢,渗碳时保证了碳元素的正常渗入。
钢中合金元素为Cr<
1.4％、Mn<
1.2％、Mo<
0.3％。
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3-220CrMnMo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
HBW
Mf
20CrMnMo
--
850~
870
炉冷
≤217
880~
930
空冷
190~
228
续表2
淬火
回火
淬火介质
HRC
不同温度回火后的硬度值HRC
150℃
200℃
300℃
400℃
500℃
550℃
600℃
650℃
350
油
＞46
45
44
43
35
图3-320CrMnMo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（℃）
850~870
870~900
680~700
850~860
按需要定
冷却方式
油冷
水，空冷
＜18HRC
＜23HRC
41~46HRC
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
920~940
炉内降温至830~850
油冷
180~200
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（HRC58~62），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3-820CrMnMo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℃）
920~940℃
1200℃
850℃
3.4.3预备热处理工艺方案、工艺参数及其论证
正火870±
10℃0.5h空冷
渗碳925±
10℃6h坑冷
重新加热淬火840±
10℃0.5h油冷
低温回火160±
10℃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：
870±
10℃。
因为20CrMnMo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30～50℃，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τ表示.合金钢保温时间系数α（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750~900℃井式电阻炉加热的保温时间系数α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τ=α×
K×
D=1.5×
1.4×
12=25.2min取30min
6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。
870±
10℃
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。
3.4.4.220CrMnMo的渗碳工艺
1．渗碳的目的
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（0.1~0.25）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（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920℃~940℃。
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1.3～1.5mm所以选渗层深度的温度应为925
3渗碳介质
渗碳介质：
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
CO2
CO
H2
CH4
CmHn
O2＋N2
0.2
32.4
66.2
0.6
表3-12井式炉煤油滴量
设备型号
RQ3-35-9D
RQ3-60-9D
RQ3-75-9D
RQ3-90-9D
煤油滴量
（ml／min）
排气期
2.0
2.4
3.0
3.2
强渗期
4.2
4．6
扩散期
1.2
1.6
2.2
4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δ（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）=5.66h
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850~860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100~200mm，炉内压力为200~300pa。
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850~860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）。
3.4.4.320CrMnMo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+（30～50℃），这样既保证充分奥氏体化，又保持奥氏体晶粒的细小。
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：
τ=a•K•D
式中τ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
/mm
＜600℃箱式炉中加热
750～850℃盐炉中加热或预热
800～900℃箱式炉或井式炉中加热
1000～1300℃高温盐炉中加热
碳钢
≤50
0.3～0.4
1.0～1.2
＞50
0.4～0.5
1.2～1.5
合金钢
0.45～0.50
0.50～0.55
1.5～1.8
高合金钢
0.30～0.40
0.30～0.35
0.17～0.2
高速钢
0.16～0.18
0.65～0.85
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
τ=a•K•D
≈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冷却介质
L-AN15（10号机械油）的冷却能力见表3-15
表3-1510号机械油的冷却能力
特性温度/℃
特性时间/s
800～400℃冷却/s
460
4.8
5.05
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。
3.4.4.420CrMnMo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，这对于稳定工具钢制品的尺寸特别重要。
一般来说，淬火零件不经回火就投入使用时危险地，也是不允许的。
回火可以在A1下很宽的温度范围内进行，钢的性能也可以在很宽的范围内变化，因此，回火是调整钢制零件的性能以满足使用要求的有效手段。
2回火温度
回火加热温度选为160±
10℃
低温回火时，马氏体发生分解，析出ε碳化物而成为马氏体，淬火内应力得到部分消除，淬火时产的微纹也大部分得到愈合，因此低温回火也可以在很少降低硬度的同时使钢的韧性明显提高。
渗碳和碳氮共渗零件，不仅要求表面硬而耐磨，同时也要求心部有较好的塑性和韧性。
但因其实质上相当于表层高碳钢与心部低碳钢的一种复合材料，因此用低温回火可以满足两部分要求。
通常渗碳和渗氮零件的回火温度是＜180℃。
表3-16常用钢回火温度与硬度的关系
3加热介质
加热介质：
空气
4保温时间
保温时间：
1.5h
确定回火保温时间一般的做法是根据工件的截面厚度而定，一般每25mm厚度保温1~2h，温度高可酌情缩短。
回火的保温时间回火时间一般为1～3小时
表3-17在空气炉中保温时间
有效厚度/mm
≤20
20～40
40～60
60～80
80～100
保温时间/min
30～45
45～60
60～90
90～120
120～150
合金钢的保温时间按上述表格中所列出的时间增加20%～30%，空气炉低温回火的保温时间不得低于120min；
装炉量大时，保温时间应适当延长。
所以轴的保温时间确定为1.5h。
5回火工艺曲线见图3-18
图3-18回火工艺曲线
6冷却方式
出炉空冷
7硬度
表面硬度：
＞60HRC
3.4.4.5总的热处理工艺曲线
热处理总工艺曲线见图3-19
图3-19热处理总工艺曲线
3.4.5辅助工序方案
（1）喷砂：
运用喷砂机，将砂流冲到工件表面，利用高速砂流的冲击作用清理和粗化机体表面的过程，由于磨料对工件表面的冲击和切削作用，使工件表面的机械性能得到改善，提高工件的抗疲劳性，使工件显得更加美观，精细。
（2）表面防锈处理：
利用抛光，刷防锈漆等方法进行表面防锈处理。
（四）选择加热设备
4.1中温井式电阻炉
国产电阻炉的编号采用汉语拼音+阿拉伯数字来表示，编号的一般格式为前有三个汉语拼音字母，后面为两组数字。
第一个字母R代表电阻炉，第二个字母表示设备的特点（J—加热，Y—盐浴，
升级会员 