课程设计说明书模板2.docx
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课程设计说明书模板2
辽宁工业大学
工艺课程设计（论文）
题目：
45模具钢热处理工艺探究
院（系）：
光伏学院
专业班级：
材料工程技术102
学号：
101802039
学生姓名：
白云鹤
指导教师：
教师职称：
教授
起止时间：
2010-7-5~2010-7-16
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：
材料科学与工程学院 教研室：
材料物理教研室
学号
学生姓名
专业班级
材料物理071
课程设计（论文）题目
20CrNiMo主动锥齿轮渗碳淬火-回火热处理工艺
课程设计（论文）要求与任务
一、课设要求
熟悉设计题目，查阅相关文献资料，概述相关零件的热处理工艺，进行零件的服役条件与失效形式分析，提出硬度、耐磨性、强度等要求。
完成工艺设计。
阐述20CrNiMo渗碳淬火、回火热处理工艺理论基础，选择设备、仪表和工夹具，阐述主动锥齿轮热处理质量检验项目、内容及要求；阐明主动锥齿轮热处理常见缺陷的预防及补救方法；给出所用参考文献。
二、课设任务
1.主动锥齿轮材料的选择（要求在满足工件使用性能的前提下，兼顾经济性和工艺性，合理选择材料）；
2.给出20CrNiMo的C曲线；
3.给出20CrNiMo主动锥齿轮冷热加工工艺流程图；
4.制定20CrNiMo主动锥齿轮渗碳淬火-回火热处理工艺。
三、设计说明书要求
设计说明书包括三部分：
1）概述；2）工艺设计；3）参考文献。
设计说明书结构见《工艺设计模板》。
工作计划
集中学习0.5天，资料查阅与学习，讨论1.5天，设计7天：
1）概述0.5天，2）服役条件与性能要求0.5天，3）失效形式、材料的选择0.5天，4）结构形状与热处理工艺性0.5天，5）冷热加工工序安排0.5天，6）工艺流程图0.5天，7）热处理工艺设计2天，8）工艺的理论基础、原则0.5天，9）设计工夹具0.5天，10）可能出现的问题分析及防止措施0.5天，11）热处理质量分析0.5天，设计验收1天。
指导教师评语及成绩
成绩：
指导教师签字：
年月日
前言
钢铁材料作为现代工业的基础材料，随着现代化工业及科学技术（如航天技术，空间技术，海洋技术）的飞速发展，人们对钢材性能的要求也越来越高。
为了满足这一点，一般可以采用俩种方法：
（1）研制新钢种（改变化学成分，改进合金体系）；
（2）对钢刚进行热处理（主要利用合金体系中存在的相变）。
冷作模具钢大多属于过共析钢和莱氏体钢，热加工和冷加工性能都不太好，因此必须严格控制热加工和冷加工的工艺参数，以避免产生缺陷和废品。
另一方面，通过提高钢的纯净度，减少有害杂质的含量，改善钢的组织状态，以改善钢的热加工和冷加工性能，从而降低模具的生产成本。
为改善模具钢的冷加工性能，自20世纪30年代开始，研究向模具钢中加入S、Pb、Ca、Te等易切削加工元素或导致模具钢中碳的石墨化的元素，发展了各种易切削模具钢，以进一步改善其切削性能和磨削性能，减少刀具磨料消耗、降低成本。
钢的热处理总体而言是为了改善钢的力学性能或加工性能。
具体如下：
1.钢的退火
将钢加热到一定温度并保温一段时间，然后使它慢慢冷却，称为退火。
钢的退火是将钢加热到发生相变或部分相变的温度，经过保温后缓慢冷却的热处理方法。
退火的目的，是为了消除组织缺陷，改善组织使成分均匀化以及细化晶粒，提高钢的力学性能，减少残余应力；同时可降低硬度，提高塑性和韧性，改善切削加工性能。
所以退火既为了消除和改善前道工序遗留的组织缺陷和内应力，又为后续工序作好准备，故退火是属于半成品热处理，又称预先热处理。
2.钢的正火
正火是将钢加热到临界温度以上，使钢全部转变为均匀的奥氏体，然后在空气中自然冷却的热处理方法。
它能消除过共析钢的网状渗碳体，对于亚共析钢正火可细化晶格，提高综合力学性能，对要求不高的零件用正火代替退火工艺是比较经济的。
3.钢的淬火
淬火是将钢加热到临界温度以上，保温一段时间，然后很快放入淬火剂中，使其温度骤然降低，以大于临界冷却速度的速度急速冷却，而获得以马氏体为主的不平衡组织的热处理方法。
淬火能增加钢的强度和硬度，但要减少其塑性。
淬火中常用的淬火剂有：
水、油、碱水和盐类溶液等。
此设计是通过在课堂学习热处理理论知识后的探索和尝试，其内容讨论如何设计圆板牙钢的热处理工艺，重点是制定合理的热处理规程，并按此完成9SiCr圆板牙钢的热处理工艺设计。
目录（小二号黑体，段前段后1行，1.25倍行距，居中排列）
1低合金刃具钢热处理工艺概述1
2圆板牙钢的热处理工艺设计2
2.1圆板牙钢的服役条件、失效形式2
2.2圆板牙技术要求及示意图2
2.3圆板牙钢的材料选择4
2.4圆板牙9SiCr钢的C曲线5
2.5圆板牙9SiCr钢加工工艺流程图6
2.69SiCr圆板牙（M12）钢退火-淬火-回火热处理工艺6
2.79SiCr圆板牙钢退火、淬火、回火热处理工艺理论11
2.8选择设备、仪表和工夹具12
2.9圆板牙热处理质量检验项目、内容及要求14
2.10圆板牙热处理常见缺陷的预防及补救方法15
3参考文献18
145模具钢热处理工艺探究概述
45钢是中碳结构钢，冷热加工性能都不错，机械性能较好，且价格低，来源广，所以广泛应用，它的最大弱点是淬透性低，截面尺寸大和要求比较高的工件不宜采用。
45钢淬火温度在A3+（30～50）℃，在实际操作中，一般是取上限的。
偏高的淬火温度可以使工件加热速度加快，表面氧化减少，且能提高工效。
为使工件的奥氏体均匀化，就需要足够的保温时间。
对在不同的终轧温度和不同的正火温度下45模具钢的性能和组织进行了探讨。
结果表明,终轧温度分别为1070℃和860℃的钢板性能相差不大,采用850℃×1h正火处理后钢板可得到最佳性能。
45号钢的搓火温度在820～840度左右。
因为45钢淬透性低，故采用冷却速度大的10%盐水溶液，45号钢水容易有软点。
本文重点讨论45模具钢热处理工艺的探究。
245模具钢的热处理工艺设计
2.145模具钢服役条件、失效形式
2.1.1服役条件
热作模具钢的服役条件主要包括：
①承受较大的冲击载荷和挤压应力；②承受强烈的塑性磨擦与磨损；③承受剧烈不均匀的热应变与热应力；④承受高温氧化；⑤承受高温腐蚀。
2.1.2失效形式
（1）塑性变形在模具失效的因素中,材料与热处理是影响使用寿命的主要因素,其比例约占70%。
选择材料不当或热处理工艺不合理会造成模具工作部位强度偏低,从而产生塑性变形。
模具材料在很高温度范围内长期工作,致使模具表面受到不同程度的过度回火而被软化,引起强度降低。
当模具型腔表面软化到某一硬度值时,就容易产生塑性变形。
（2）热疲劳热疲劳是热作模具（特别是压铸模）的主要失效形式之一。
工作时,由于模具型腔表面存在较大的温度梯度层和急冷急热作用,使模具表面产生较大的热应力,当温度反复变化时这种热应力也反复变化,加之模具工作时承受机械载荷,当超过疲劳极限的时候,则在模具表面产生网状或放射状的疲劳裂纹。
（3）热磨损热作模具型腔内的磨损和冷作模具材料的磨损形成因素不同,热作模具的磨损主要以表面疲劳磨损为主。
对模具磨损有较大影响的因素是模具材料的成分、模具的温度和硬度。
通常对于同样的材料,模具的硬度越低或模具的温度越高,磨损量越大。
模具与被加工的红热金属坯料之间的摩擦得不到润滑,被红热的金属坯料氧化,型腔表面层被回火软化,同时氧化又加剧了磨损。
214
（4）断裂断裂和开裂失效在热锻模中约占总失效的20%～25%,压铸模中占5%～10%左右。
由于断裂往往具有突发性,导致使用寿命低,危害大,所以受到广泛重视和研究。
造成模具断裂和开裂的原因很多,除了模具安装和操作不当外,与载荷过大、模具设计、材质以及热处理均有密切的关系。
2.2圆板牙技术要求
2.2.1圆板牙的技术要求
圆板牙属于手工切削或低速切削的工，要求齿部有较高的耐磨性，同时齿部不能太脆，因此要有较高的韧性且变形要小，因此不能脱碳。
硬度：
60～63HRC。
金相组织：
马氏体针﹤3级，残留碳化物网≤3级。
尺寸：
螺纹中径应控制在12mm、厚度为14mm、外圆直径34mm的范围内。
装炉量：
5件。
2.2.2圆板牙的平面图
图1圆板牙平面图
2.2.3圆板牙的剖面图
图2圆板牙剖面图
2.3圆板牙钢的材料选择
圆板牙属于薄刃工具，其刃部所受的冲击力不大，制造的材料组织中含有均匀分布的
9SiCr钢为常见的合金工具钢，为过共析低合金工具钢，其主要化学成分和临界温度如下表1和表2所示。
表19SiCr钢的化学成分（GB/T1299—2000）W/%
C
Si
Mn
Cr
S
P
0.85～0.95
1.20～1.60
0.30～0.60
0.95～1.25
≤0.030
≤0.030
2.4圆板牙9SiCr钢的C曲线
对于“C”曲线的变化来讲，奥氏体晶粒粗大，成分均匀性提高，奥氏体稳定性增加，“C”
图29SiCr钢奥氏体等温转变曲线（奥氏体化温度875℃）
2.5圆板牙9SiCr钢加工工艺流程图
图3工艺流程图
2.69SiCr圆板牙（M12）钢退火-淬火-回火热处理工艺
制造9SiCr圆板牙（M12）采用的热处理工艺包括预备热处理德球化退火和最终热处
2.6.1锻造工艺曲线
图49SiCr圆板牙（M12）热处理全过程工艺曲线
制造圆板牙的毛坯要经过锻造后获得基本的形状。
锻造是利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形，以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸的锻件的加工方
图5锻造工艺曲线
查阅《热处理工艺规范数据手册》可以找出9SiCr钢的锻造工艺的加热温度、始锻温度冷却方式，本设计具体的锻造工艺参数如表3所示。
表39SiCr钢的热加锻造工艺规范
项目
加热温度/℃
开始温度/℃
终止温度/℃
冷 却
钢锭
1150~1200
1100~1150
880~800
缓冷（砂冷或坑冷）
钢坯
1100~1150
1050~1100
850~800
缓冷（砂冷或坑冷）
2.6.2球化退火工艺曲线
圆板牙属于低合金刃具钢。
低合金刃具钢的预先热处理是球化退火，目的是降低硬度，改善锻造组织和切削加性能，为最终热处理作组织准备。
9SiCr圆板牙球化退火前的组织要求是细片状珠光体，经等温球化退火后为球状珠光体，其经淬-回火后的力学性能与原始组织为片状珠光体相比，在强度、硬度相同情况下，其塑韧性都要高，且对淬火温度的敏感性也相对较小。
图69SiCr等温球化退火工艺曲线
2.6.3淬火工艺曲线
本设计采用等温淬火。
因为等温淬火除了有消除内应力、提高力学性能和耐磨性等作用外，还可使组织应力和热应力减至最小，并大大减少工件的变形，适合要求变形小、形状复杂的刃具，所以对圆板牙这类要求变形较高的工件，宜采用等温淬火工艺。
图79SiCr等温淬火工艺曲线
2.6.3低温回火工艺曲线
由于钢中Cr、Si的加入，提高了9SiCr圆板牙钢的回火稳定性，因此可采用低温回火。
图89SiCr回火工艺曲线
2.79SiCr圆板牙钢退火、淬火、回火热处理工艺理论
2.7.1退火原理
将组织偏离平衡状态的金属或合金加热到适当的温度，保温一定时间，然后缓慢冷却
2.7.2淬火工艺原理
把钢加热到临界点Ac1或Ac3以上一定温度，保温一定时间，然后以大于临界淬火速度的速度冷却，使过冷奥氏体转变为马氏体或贝氏体组织的热处理工艺称为淬火。
淬火方法
2.7.3回火工艺原理
回火是指将淬火钢加热到临界点A1以下某一温度，保温一定时间，使淬火组织转变为
2.8选择设备、仪表和工夹具
2.8.1设备
加热炉为主要的设备。
按工作介质分：
空气炉、盐浴炉、保护气氛炉、流动离子炉、
图9插入式电极盐浴炉结构
图10埋入式电极盐浴炉结构
2.8.2仪表
热处理中温度是一个很重要的参数，实现精确的测量与控制，对提高热处理质量十分
2.8.3工夹具
圆板牙的特点是厚度与直径相比显得薄，淬火时内孔易涨大，除了用等温淬火来消除具加热。
图11淬火挂（吊）具
2.9圆板牙热处理质量检验项目、内容及要求
1）变形检查圆板牙在热处理过程中加热、冷却，并便随有相变发生，所以会产生变形，如弯曲或翘曲变形超过图纸技术或工艺要求范围，必须校正。
2）外观检查表面淬火后不能出现过烧、熔化、裂纹等缺陷。
硬度合格后应进行发黑处理，处理后的颜色为棕色或棕黑色。
3）硬度检查为保证圆板牙热处理后达到技术或工艺要求，待检件选取应有代表性，通常从热处理后的零件中选取能反映零件的工作部位或零件的工作部位硬度的其他部位，对每一个待检件的正时试验点数一般应不少于3个点。
用洛氏硬度准确测量HRA再换算成HRC。
圆板牙检验部位如下图12所示。
图12圆板牙硬度检查部位示意图
表4淬火回火硬度偏差范围
4）金相组织检查圆板牙球化退火后应该为珠光体2～5级，网状碳化物＜3级。
按GB∕T1299—2000评定。
低温回火后的金相组织为：
马氏体+下贝氏体+残余奥氏体+碳化物。
组织检验应注意残余奥氏体和针状碳化物，都按国家标准评定。
2.10圆板牙热处理常见缺陷的预防及补救方法
2.10.1圆板牙球化退火的缺陷及其预防、补救
圆板牙球化退火后易产生组织缺陷为球化组织粗大不均、球化不完全、组织中有网状
2.10.2圆板牙球化淬火的缺陷及其预防、补救
圆板牙对变形的要求非常高，所以应特别注意淬火的变形缺陷。
淬火时产生变形、开
图13热应力对板牙的影响
组织应力的作用正好相反,板牙继续冷却的时候，表层冷却转变为马氏体，马氏体比容较大，因此产生膨胀，其内部由于外层而产生张应力，外层受压应力，此时内部产生塑性变形，如图15所示。
图14组织应力对板牙的影响
脱碳是圆板牙9SiCr制造圆板牙的缺点，发生脱碳的根本原因是盐浴中存在大量的氧化物，因此必须对盐浴进行严格的脱氧。
圆板牙脱碳后其表面硬度下降，磨去表面脱碳层，硬度仍能达到要求。
热处理后板牙螺纹不再磨加工，因此齿部脱碳使耐磨性大大降低。
脱碳后圆板牙难以挽救，只能预防。
2.10.3圆板牙低温回火的缺陷及其预防、补救
回火的主要缺陷是硬度不合格，过高或过低、硬度不均匀，以及回火时产生变形及脆
3参考文献
[1]王广生.热处理手册.第4版.第2卷.北京:
机械工业出版社，2008,1.
[2]张玉庭.热处理技师手册.北京:
机械工业出版社,2005.
[3]樊东黎.热处理工程师手册.北京:
机械工业出版社,1996,6.
[4]安继儒.热处理工艺规范数据手册.北京:
化学工业出版社,2008,1.
[5]李泉华.热处理技术400问解析.北京:
机械工业出版社,20002,1.
[6]樊东黎.热处理技术数据手册.第2版.北京:
机械工业出版社,2006,4.
[7]张玉庭.简明热处理技工手册.北京:
机械工业出版社,1998,9.
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