提动阀座课程设计文档格式.docx
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提动阀和提动阀座组成一对偶件，相互配合面很小，近似线接触。
提动阀座在提动阀的冲击作用下，接触面将逐渐增大，使封油性能降低。
2.4.2失效形式
提动阀和提动阀座在工作过程中，提动阀在弹簧的作用下与提动阀座在配合处发生冲击磨损，往往因提动阀座面被局部磨损或冲击产生缺陷而造成高压油泄露，使整个阀失去控制作用。
3材料选择
3.1提动阀座的性能要求
根据提动阀座的工作状况，可以初步得出其材料应满足的性能要求：
一是具有良好的耐冲击韧性、耐腐蚀性和强度，以保证提动阀座满足液压元件在高压和高冲击在阀座下具有足够高的耐冲击韧性；
二是具有良好的疲劳性能，是提动阀座能够在良好的服役条件下长时间工作。
因此，一般要求表面耐磨而心部要求良好的韧性，阀座多用15CrMo。
提动阀座在承受提动阀冲击时，不致产生打的塑性畸变应选用42CrMo，并一般施以低温的化学热处理以提高其耐磨性。
为提高提动阀座的耐磨性和硬度，在最后精加工钱一般进行碳氮共渗。
由于液压元件一般要求尺寸精度高，所以提动阀座加工精度要求也较高，为此，热处理过程中要严格控制畸变。
其主要措施是铁丝捆扎、垂直吊挂加热等。
工件有优良的机械、物理性能，它可以有各种不同的强度、硬度、韧性配合的综合性能，还可兼具一种或多种特殊性能，如耐磨、耐高温和低温、耐腐蚀等。
3.242CrMo的性能特点
42CrMo钢属于超高强度钢，具有高强度和韧性，淬透性也较好，无明显的回火脆性，调质处理后有较高的疲劳极限和抗多次冲击能力，低温冲击韧性良好。
该钢适宜制造要求一定强度和韧性的大、中型塑料模具。
强度、淬透性高，韧性好，淬火时变形小，高温时有高的蠕变强度和持久强度。
用于制造要求较35CrMo钢强度更高和调质截面更大的锻件，如机车牵引用的大齿轮、增压器传动齿轮、压力容器齿轮、后轴、受载荷极大的连杆及弹簧夹，也可用于2000m以下石油深井钻杆接头与打捞工具，并且可以用于折弯机的模具等。
成分
C
Si
Mn
Cr
Mo
Ni
P
Cu
S
42CrMo
0.38～0.45%
0.17～0.37%
0.50～0.80%
0.90～1.20%
0.15～0.25%
≤0.030%
≤0.035%
（1）C钢中的主要元素，可产生古榕强化和硬化，增加淬透性
（2）Si提高钢的淬透性和耐回火性，对钢的综合力学性能特别是弹性极限有力，还可增强钢在自然条件下的耐蚀性。
（3）Mn扩大γ相区，形成无限固溶体。
对铁素体和奥氏体均有较强的固溶强化作用。
与S形成熔点较高的MnS，可防止因FeS而导致的热脆现象。
强烈提高淬透性，能提高耐磨性。
（4）Cr缩小γ相区，在α-Fe中无限固溶，可增加钢的淬透性并有二次硬化作用，提高耐磨性，使钢具有良好的高温抗氧化性和耐氧化性介质服饰的作用并增加钢的热强性。
（5）Mo阻抑奥氏体向珠光体转变的能里很强，从而提高钢的淬透性，能降低或抑制其他合金元素导致的回火脆性，在较高的回火温度下形成弥散分布的特殊碳化物，二次硬化的作用提高热强性和蠕变强度。
（6）Ni细化铁素体晶粒，对塑性韧性有所提高，特别是低温塑性。
4确定加工路线（冷、热加工）
加工工艺主要包括机加工和热处理工艺。
机加工是指通过加工机械精确去除材料的加工工艺。
它直接改变毛坯的形状、尺寸和表面质量等，使其成为零件的过程称为机械加工工艺过程。
热处理是将金属材料放在一定的介质内加热、保温、冷却，通过改变材料表面或内部的金相组织结构,来控制其性能的一种金属热加工工艺。
该零件结构简单，可以通过铸造铸出毛坯，通过机加工使其成型；
之后进行去应力退火，消除残余内应力。
改善其切削性能然后经过机加工使其复合尺寸要求；
接着调制使其达到硬度要求；
再经过化学热处理（氮碳共渗）使表面获得一层化合物渗层，提高零件表面耐磨性和抗疲劳性能；
最后经过研磨，以满足尺寸精度，即可得到所需的零件。
可采用的工艺流程：
提动阀座的整体加工工艺流程：
下料锻造→预备热处理→一次机加工（粗加工）→调制→二次机加工（精加工）→氮碳共渗。
5热处理工艺方法选择
5.1退火工艺的选择
42CrMo经过铸造及粗加工后组织不均匀内应力较大，易变形开裂，所以在精加工前需施以消除内应力稳定组织为目的的去应力退火。
其内应力主要产生在有塑性到弹性变形的过渡阶段。
因此在这个温度区间内，冷却速度愈慢，内应力就愈小。
消除内应力的退火应该是将粗加工后铸件缓慢加热到高于塑性变形的温度范围内，然后保温，使铸件各部分组织均匀，内应力减小。
故一般在选用低温去应力退火。
5.2调制工艺
调制处理是使机械零件达到设计性能要求的关键。
淬透性的大小直接影响刚的最后力学性能。
调制钢热处理的第一步工序是淬火，一般合金调制钢都在油中淬火。
处于淬火状态的钢，内应力大，脆性很大，不能直接使用，必须要进行第二步工序——回火，其目的是消除内应力，增加韧性，调整强度，获得良好的综合力学性能。
该提动阀座应加热到（850±
10）℃，保温1.5h后，进行油淬，再在（580±
10）℃，保温1h进行回火。
6制定热处理工艺制度
6.1退火工艺的制定
将冷变形后的金属在低于再结晶温度加热，以消除内应力，但仍保留加工硬化效果的热处理。
在实际生产中，热锻轧、铸造、各种冷变形加工、切削或切割、焊接、热处理甚至机器零部件的装配，在不改变组织状态、保留冷作、热作或表面硬化的条件下，将工件加热至Ac1一下某一温度，保温一定时间，然后缓慢冷却，以消除内应力，减小变形以及开裂倾向的热处理，统称为去应力退火。
表42CrMo加热和冷却的临界点
Ac1
Ac3
Ms
730℃
780℃
360℃
为了消除毛胚锻造应力，降低硬度以及改善切削加工性能，同时均匀组织，细化晶粒，为了后续加热处理做准备。
（1）退火温度，选用680～700℃，退火温度是将工件加热到Ac1以下30～50℃，42CrMo临界温度点为730℃，一般采用热炉装料，加热过程中工件内温差较大，为了缩短工件在高温时的停留时间，一般加热温度稍高。
（2）退火保温时间，保温时间与钢的化学成分、工件形状、尺寸、炉子类型、装炉量等多种因素有关，一般按每毫米厚度保温1.5-2.5min估算。
主轴的直径为13mm，考虑加工余量5mm，因而其有效厚度为20mm，保温时间为1.5h左右。
6.2调制工艺的制定
（1）加热温度，亚共析钢淬火加热温度为Ac3+30-50℃，综合考虑淬火加热温度应选用850℃。
（2）淬火加热时间，应包括工件整个截面加热到预定淬火温度，并使之在该温度下完成组织转变、碳化物溶解和奥氏体成分均匀化所需的时间。
常用经验公式为：
τ=α·
k·
D
式中τ——加热时间，min；
α——加热时间系数，min/mm；
k——装炉量修正系数；
D——工件有效厚度，mm。
对于管型工件的有效厚度，当高度/壁厚≧1.5时，可按1.5壁厚计算，图中最大壁厚为16mm，考虑到圆锥部位的壁厚稍大一些，因而取最大壁厚为20mm。
工件的有效厚度D=50mm,加热系数α和装炉修正系数k分别见表3和表4，对于42CrMo，α=1.0，k=1.0，则τ=1.0×
1.0×
50=50min,考虑到透热之后，还需要5-15min的组织转变时间，因而我选择1.5h的保温时间。
表3常用钢的加热系数（min/mm）[2]
工件材料
直径
/mm
<
600℃气体介
质炉中预热
750-850℃盐浴炉
中加热或预热
800-900℃气体
介质炉中加热
1100-1300℃盐
浴炉中加热
碳素钢
≤50
>
50
0.3-0.4
0.4-0.5
1.0-0.2
1.2-1.5
低合金钢
0.45-0.5
0.5-0.55
1.5-1.8
高合金钢
高速钢
0.35-0.40
0.3-0.35
0.65-0.85
0.17-0.2
0.16-0.18
表4工件装炉修正系数[5]
工件装炉方式
修正系数K
1.0
1.4
2.0
4.0
2.2
1.3
1.7
1.8
（3）冷却方法的选择，考虑到所给主轴的形状复杂，尺寸较大，淬火过程易发生形变或开裂，我选用中断淬火法。
把加热到淬火温度的工件，先在冷却能力强的盐水中冷却至接近Ms点，然后取出转入油冷，以达到在不同淬火冷却温度区间，有比较理想的淬火冷却速度。
这样既保证了获得较高的硬度层和淬硬层深度又可减少内应力及防止发生变形或开裂。
在水中停留时间为每5-6mm有效厚度约1s。
由于出水温度难以掌握，须凭经验操作，当水中的工件抖动停止，在水中30S取出可放入油中油冷。
另外，工件入水宜动不宜静，应按照工件的几何形状，作规则运动。
静止的冷却介质加上静止的工件，导致硬度不均匀，应力不均匀而使工件变形大，甚至开裂。
（4）回火温度的确定：
根据零件要求，调质后的硬度为235-265HBS,
选择回火温度为（570±
10）℃。
（5）回火时间的确定：
回火时间一般从工件入炉后炉温升至回火温度时开始计算，一般为1-3h，在实践中常用工件的有效厚度估算，表5是单个工件的保温时间表，多个工件堆积可适当延长保温时间。
由于工件的有效厚度是50mm，二十个工件同时加热，我选择保温时间为1～2h。
表5中、高温回火保温时间参数表[2]
有效厚度/mm
25
25-50
50-75
75-100
100-125
125-150
保温时间/min
盐炉
20-30
30-45
45-60
75-90
90-120
120-150
空气炉
40-60
70-90
100-120
150-180
180-210
210-240
6.3氮碳共渗化学处理工艺的制定
6.3.1表面处理工艺的选择
提动阀座零件工作环境要求零件应具有的性能为：
表面硬度高，耐磨性好，疲劳性能优良。
金属表面化学热处理是利用元素的扩散性能，使合金元素渗入金属表层的一种热处理技术。
基本工艺过程：
①将工件置于含有渗入元素的活性介质中加热到一定温度，使活性介质通过分解并释放出欲渗入元素的活性原子；
②活性原子被工件吸附并溶入表面；
③溶入表面的原子向金属表层扩散渗入形成一定厚度的扩散层，从而改变工件表层的成分、组织和性能。
渗氮工艺特点：
可以使金属表面硬度达到950～1200HV，使工件具有极高的耐磨性；
可以使表面产生很大的残余压应力，从而提高疲劳强度；
此外还可以提高工件的耐蚀性能。
渗氮能形成优越性能的渗氮层，但由于工艺时间较长（氮化物形成温度低，扩散较慢，工艺时间较长，如获得0.5mm的渗氮层，约需要40～50h），使得生产率太低，成本高，应尽量少用。
渗碳工艺特点：
渗碳也可以使工件表面获得高硬度、耐磨性、耐侵蚀磨损性及接触疲劳强度等，但其也存在许多不足：
①工艺过程繁琐，渗碳后还要进行淬火加回火处理，工件变形大，一般不用于高几何尺寸精度要求的零件的处理；
②与高频淬火相比，生产成本高；
渗碳层硬度和耐磨性不如渗氮层好。
碳氮共渗工艺特点：
碳氮共渗是在渗碳和渗氮工艺基础上发展起来的，其具有前者的优点，同时还具有自己的特点：
①与渗碳相比，处理温度低，晶粒不易长大，变形开裂倾向小，能源消耗低；
②与渗氮相比，工艺周期大大缩短，对材料适用范围广。
但也有其不足，渗后需进行渗后处理，渗后直接淬火或渗后淬火加回火，虽然变形小，但也要产生变形。
氮碳共渗的工艺特点：
热处理温度低，一般在500～600℃，过程以渗氮为主，渗碳为辅，渗碳量很小。
其有很多优点，应用范围较广：
①氮碳共渗层有优良的性能，渗层硬度高，脆性低，有优良的耐磨性、耐疲劳性能、抗咬合性、热稳定性和抗腐蚀性；
②工艺温度低，且不淬火，工件变形小；
③处理时间短，经济性好；
设备简单，工艺易掌握。
适用于渗层浅且不承受重载的零件。
通过比较以上四种工艺的特点，结合提动阀座性能要求，经济性，我们选用氮碳共渗工艺。
6.3.2氮碳共渗工艺规范的确定
6.3.2.1氮碳共渗方式的确定
因为这里需要在较低温度下进行共渗，所以我们需要在固体渗氮、液体渗氮及气体渗氮中选择。
盐浴氮碳共渗是最早采用的氮碳共渗方式，按盐浴中CN-含量可将氮碳共渗分为低氰、中氰和高氰型。
由于环保的原因，中、高氰盐浴已经逐渐被淘汰。
低氰盐浴与氧化配合，排放的废气、废水、废盐中CN-量应符合国家规定标准。
根据工件的尺寸要求与性能要求，可选择盐浴氮碳共渗方式进行处理。
相比气体氮碳共渗与固体氮碳共渗，盐浴氮碳共渗具有提高耐磨性、抗疲劳性和耐蚀性等优点，而且经过盐浴氮碳共渗后，工件尺寸及精度变化极小，对工件的安装、使用等影响甚微。
因此选择盐浴氮碳共渗方式处理。
由于尿素型原料无毒，液体流动性能很好，渗入速度快，低成本等优点，盐浴类型可选尿素型。
盐浴质量百分比为：
尿素︰碳酸钠︰氯化钾＝3︰2︰2，使用温度为550℃～580℃。
但在共渗之前还需进行以下操作：
（1）表面处理：
清理表面，彻底去除表面油污及铁锈；
（2）预热：
进行氮碳共渗前将工件在电炉中预热至400℃～500℃，以防止工件放入坩埚中使盐浴温度降低过多。
6.3.2.2氮碳共渗温度的确定
氮碳共渗温度的选择要考虑到渗层形成质量，同时考虑渗速，一般选在Fe-N共析温度附近，多数钢的共渗温度在560～580℃，同时温度应低于调质回火温度以不降低基体的强度，碳钢、低合金钢和铸铁一般选择为（570±
10）℃，在此温度下可获得足够厚的化合物层和较高的硬度。
6.3.2.3氮碳共渗时间的确定
如图6所示化合物层厚度，渗层硬度在0～4h内增加很快，随后随时间延长变化变得缓慢，在2～3小时之间达到最大值，过长时间则硬度下降。
6.3.2.4氮碳共渗冷却方式的确定
共渗温度高于共析温度565℃，共渗组织会有ε、r相共存，缓慢冷却时发生
转变，硬度下降，当快冷时ε相析出r，同时共析反应受阻生成马氏体，使硬度提高，所以液体氮碳共渗后一般采用快冷，铸铁采用先空冷以使组织均匀，后用水快冷以析出马氏体。
图6软氮化时间对硬度与深度的影响[6]
6.3.2.5氮碳共渗工艺参数的确定
综上所述，氮碳共渗处理工艺可制定为：
装炉前应先对工件表面进行清理，去除油污及铁锈。
装炉后先预热至400℃～500℃，再加热至570℃并保温，在尿素型盐浴中进行氮碳共渗。
氮碳共渗过程应进行约3h，共渗后先在空气中预冷至350℃附近，然后水冷。
7热处理的组织性能分析
去应力退火一般在Ac1以下进行，组织并未发生变化，原始组织，在缓慢冷却的过程中，工件各部分均匀冷却和收缩，消除了铸造和机加工的残余内应力，并使其稳定化，避免在使用或随后的加工过程中产生变形或开裂，为后续加工做好准备。
氮碳共渗，又称软氮化或低温碳氮共渗,即在铁-氮共析转变温度以下，在工件表面同时渗入氮、碳元素，且使工件表面在主要渗入氮的同时也渗入碳。
碳渗入后形成的微细碳化物能促进氮的扩散，加快高氮化合物的形成，这些高氮化合物反过来又能提高碳的溶解度，碳氮原子相互促进便加快了渗入速度。
表面氮浓度不断增加，形成白亮层及扩散层。
碳在氮化物中还能降低脆性。
氮碳共渗后得到的化合物层韧性好，硬度高，耐磨，耐蚀，抗咬合。
8热处理设备的选择
热处理常用的加热设备按能源分有燃料加热设备和电加热设备；
按工作温度可分为高温炉（＞1000℃）、中温炉（650℃～1000℃）和低温炉（≤650℃）。
生产上常用的加热设备有电阻炉、浴炉、气体渗碳炉、高频感应加热设备等。
炉型的选择应依据不同的工艺要求及工件的类型来决定。
热处理设备的选择要从多方面来考虑，包括：
经济性、可靠性、配套性、安全性、以及工厂的实际情况等。
8.1箱式电阻炉的选择
热处理电阻炉是以电为能源的，通过炉内电热元件将电能转化为热能而加热工件的炉子，是一种造价相对便宜的炉子，以降低成本。
中温箱式电阻炉可用于退火、正火、回火或固体渗碳等。
表6为中温箱式电阻炉各种参数，主轴的尺寸为222×
115.4×
48.2mm，并且为单件小批生产，故在回火过程中选择RX3-30-9型号的箱式电阻炉。
主轴平放在炉膛内，一次最多可放20根。
表6中温箱式电阻炉产品规格及技术参数[7]
型号
功率/KW
电压
/V
相数
最高工作温度℃
炉膛尺寸（长×
宽×
高）/（mm×
mm×
mm）
炉温850℃时的指标
空载耗能/KW
空炉升温时间/h
最大装载量/kg
RX3-15-9
15
380
1
950
600×
300×
250
5
2.5
80
RX3-30-9
30
3
950×
450×
350
7
200
RX3-45-9
45
1200×
400
9
RX3-60-9
60
1500×
750×
450
12
700
RX3-75-9
75
1800×
900×
550
16
3.5
1200
（1）鉴于所需要的加热温度，选择中温箱式电阻炉进行加热。
中温箱式电阻炉可用为大批量生产考虑经济性和实用性，故选用正火选用RX3-75-9箱式电阻炉批量生产。
调制淬火选用RX3-45-9箱式电阻炉批量生产。
回火选用RX3-75-9箱式电阻炉批量生产。
（2）鉴于工件需要局部淬火根据淬火温度，直径48.2mm选用RDM-30-6中温盐浴炉局部淬火、选用GY2-10-8外部电热中温浴炉加热回火。
8.2氮碳共渗用炉的选择
由于氮碳共渗处理采用盐浴式，因此处理设备可选择盐浴炉。
盐浴炉按温度划分为低、中、高温浴炉。
盐浴炉的品种和代号见下表。
表7盐浴炉的品种和代号
品种代号
结构形式
最高工作温度/℃
RYN3
矩形浴槽，内部管状加热元件加热
300
RYN4
RYW5
矩形浴槽，外部电加热
RYW8
圆形浴槽，外部电加热
850
RYD6
矩形或圆形浴槽，内部电极加热
650
RYD8
RYD9
RYD13
1300
根据上表和工件生产的实际情况，可选择RYD6式盐浴炉。
9工装设计（夹具、辅具等）
9.1工装夹具的选择
9.1.1热处理夹具的选择
热处理夹具的选择原则为：
①符合热处理技术条件：
保证零件热处理加热，冷却，炉气成分均匀度，不致使零件在热处理过程中变形。
②符合经济要求：
在保证零件热处理质量复合热处理技术要求时，确保设备具有高的生产能力。
夹具应具有质量轻，吸热量少，热强度高及使用寿命长的特点。
③符合使用要求：
保证装卸零件方便和操作安全。
9.1.2去应力退火处理的夹具选择
零件进行去应力退火处理时，加热方式采用中温箱式电阻炉，根据工件的尺寸可采用如图8所示的夹具。
9.1.3氮碳共渗处理的夹具选择
由于采用盐浴氮碳共渗，可使用如图9夹具将工件夹住，再用将夹具吊挂在挂轴上，使工件浸入盐浴炉进行盐浴处理。
9.1.4工件的放置情况
去应力退火我们根据零件的几何形状，考虑经济性，我们选择最后一个安排方式。
图8箱式炉装料盘[3]
图9盘形零件渗氮夹具[3]
图10工件放置情况与装炉系数[3]
对于氮碳共渗，同理，为了达到更好的氮碳共渗效果，我们选择右侧倒数第二个安排方式。
9.2清洗设备的选择
零件在热处理前需清除锈斑、油演、污垢、切削冷却液和研磨剂等，以保证不阻碍加热和冷却，不影响介质和气氛的纯度。
以防零件出现软点、渗层不均匀、组织不均匀等影响热处理质量的现象。
热处理后也常需清洗，以去除零件表面残油、残渣和炭黑等附着物，以保障热处理零件清洁度、防锈和不影响下道工序加工等要求。
根据零件对清洁度要求、生产方式、生产批量及工件外形尺寸选用相应的清洗设备。
一般清洗机常用于清除残油和残盐，可分为间歇式和连续式两种。
前者有清洗槽、室式清洗机，强力加压喷射式清洗剂等；
后者有传送带式清洗机及各类生产线、自动线配置的悬挂输送链式、链板式、推杆式和
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