完整word版热处理课程设计.docx
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完整word版热处理课程设计
1前言
本次课程设计主要是制定典型零件的生产工艺，是以《金属热处理原理》、《金属热处理工艺学》和《金属材料学》为基础的一门综合课程设计。
从本次课程设计中，我们可以获得综合运用所学的基本理论、基本知识、基本技能，独立分析和解决实际问题的能力；培养严肃、认真、科学的工作作风和勇于进取开拓的创新精神。
通过本次课程设计，可以使我们初步掌握典型零部件生产工艺过程；掌握典型零件的选材、热处理原则和工艺制定原理；理论联系实际，综合运用基础课及专业课程多方面的知识去认识和分析零部件热处理生产过程的实际问题，培养解决问题的能力。
热处理工艺是整个机器零件和工模具制造的一部分，热处理是通过改变钢的内部组织结构，以改善钢的性能，通过适当的热处理可以显著提高钢的机械性能，延长机器零件的使用寿命。
合理的热处理工艺方案，不但可以满足设计及使用性能的要求，而且具有最高的劳动生产率，最少的工序周转和最佳的经济效果。
通过课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才是真正的知识，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
2零件图分析
万能分度头是通用设备的必备设备，它可以辅助机床完成被加工零件在圆周任意度上的分度工作。
如对零件分度钻孔，铣槽，铣削圆弧和零件划线工作。
其主轴的回转现可在0°-90°之间任意调整。
分度主轴可配备各种类型的卡盘及夹具。
技术要求：
硬度45-50HRC
A,B段硬度＜30HRC
2.1受力分析及性能要求
主轴是机床上传动力的零件，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受摩擦作用。
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、形状畸变要求。
上述万能分度头主轴，从工件整体来说作为机床传动件，必须具备一定的强韧性，同时后端直径48.2及A、B两部位受击段，由于承受一定的扭转、摩擦力，因此要求具备较高的强度、硬度。
3材料的选择
依据主轴的工作条件，与滑动轴承相配合，主轴承受的载荷较小，主轴的转速也较小，工作表面精度要求不高的特点，可以选用调质钢或渗碳钢。
渗碳钢表面有高的弯曲、接触、疲劳强度及高的耐磨性，心部有良好的塑性和韧性，但是从所给的零件图要求来看，此空心主轴要求内表面也有一定的耐磨性和抗疲劳性，而且渗碳钢热处理变形较大，工艺性能较差，因此渗碳钢不适合做此类轴，因而选用调质钢。
3．1调质钢简介
（1）组织特点：
结构钢淬火得到的马氏体组织经高温回火后，得到在α相基体上分布有极细小的颗粒状碳化物。
它的显微组织根据含有不同合金元素而引起的回火稳定性的差别和回火温度，可得到回火屈氏体或索氏体组织。
（2）成分特点：
①低碳：
含碳量一般为0.3-0.5%，以保证心部有足够的塑性和韧性，含碳量低时淬硬性不够，含碳量高时心部韧性下降。
②合金元素：
主加元素为Cr、Mn、Ni、Si等，它们的主要作用是提高钢的淬透性，从而提高心部的强度和韧性；辅加元素为W、Mo、V、Ti等强碳化物形成元素，这些元素通过形成稳定的碳化物来细化奥氏体晶粒。
（3）性能及应用:
调质钢具有良好的综合力学性能，有较高的强度，良好的塑性和韧性。
因而被广泛用于制造各种机械零件，如轴类、轴承和高强度结构。
3．2调质钢的选择
常用做轴类的调质钢有：
45钢，40Cr,40MnVB等，参数见表1。
表1机床主轴材料
钢号
45钢
40Cr
40MnVB
成分
W（C）=0.45%
W（C）=0.45%,W（Cr）<1.5%
W（C）=0.40%,W（Mn）<1.5,W（V）<1.5%,W（B）<1.5%
临界硬度（HRC）
42
41
44
临界直径/mm（20-48℃）水
13-16.5
30-38
60-67
（1）45钢是普通的中碳结构钢，冷热加工性能都不错，机械性能较好，且价格低、来源广，所以应用广泛。
它用做截面尺寸较小或不要求完全淬透的零件，经过调质处理后，硬度可达到220-250HBS，表面淬火之后硬度为48-52HRC。
（2）40Cr一般用做淬透性较高的零件，合金元素Cr可阻碍碳化物在高温回火时聚集长大，保证钢的高强度，铬还阻碍α相的再结晶，能保持细小的晶块结构，具有优良的机械性使α相也能保持高的强度，40Cr经调质处理后，硬度可达到220-250HBS，表面淬火后的硬度为52-61HRC。
（3）40MnVB为要求淬透性更高一级的钢种，常用做大截面零件，合金元素Mn的加入对钢的冲击韧性有所改善，能使钢的韧-脆转化温度下降，V可以细化奥氏体晶粒，微量的B可以显著提高钢的淬透性，经调质处理后，硬度可达到220-250HBS，表面淬火后的硬度为52-61HRC。
由上可以看出合金钢有较高的淬透性，适用于大截面零件，而且还有高的冲击韧性和低的韧-脆转化温度。
但是合金钢经常遇到的一个特殊问题就是高温回火脆性，高温回火后的冷却速度是影响钢韧性的主要因素，冷却速度越慢，室温冲击韧性愈低，韧-脆转化温度愈高，因而合金调质钢的热处理过程不易把握。
与合金调质钢相比，碳素结构钢的淬透性较低，尽管如此，由于碳素调质钢价格便宜，来源广，综合考虑：
在满足零件要求（调制硬度235HBS，表面淬火硬度为48HRC）的前提下，应该选择45钢。
4确定加工路线
工艺路线：
锻造→机加工（粗车留精车量4mm）→调质→机加工（精车磨量0.5-0.6mm）→直径48.2mm局部淬火、回火→机加工（粗磨留精磨量0.15-0.25mm）→A、B中间段淬火、回火→机加工（精磨或精磨后超精加工）→成品
5热处理工艺方法选择
5.1调质
调质，即淬火加高温回火，以获得回火索氏体组织，主要用于中碳碳素结构钢或低合金结构钢以获得良好的综合机械性能。
5.1.1淬火方法的选择
常用的淬火方法有单液淬火法、中断淬火法（双淬火介质淬火法）、分级淬火法、等温淬火法。
（1）单液淬火法，把已加热到淬火温度的工件淬入一种淬火介质，使其完全冷却。
它是最简单的淬火方法，常用于形状简单的碳钢和合金钢工件。
（2）中断淬火法（双淬火介质淬火法），把加热到淬火温度的工件，先在冷却能力较强的淬火介质中冷却至接近Ms点，然后转入慢冷的淬火介质中冷却至室温，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。
（3）分级淬火法，把工件由奥氏体化温度淬入高于该种钢马氏体开始转变温度的淬火介质中，在其中冷却直至工件各部分温度达到淬火介质的温度，然后缓慢冷至室温，发生马氏体转变。
（4）等温淬火法，工件淬火加热后，若长期保持在下贝氏体转变区的温度，使之完成奥氏体的等温转变，获得下贝氏体组织，这种淬火方法称为等温淬火。
因为待加工的零件形状复杂，尺寸较大，为了防止淬火过程中发生变形，开裂，因而我选用中断淬火法。
5.1.2回火方法的选择
钢件淬火后，再加热到A1以下某一温度，保持一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺称为回火。
回火的目的是稳定组织，消除淬火应力；调整硬度、强度、塑性、韧性。
根据回火温度的不同，分为低温回火、中温回火、高温回火三种。
（1）低温回火（150～250℃），组织是回火马氏体，和淬火马氏体相比，回火马氏体既保持了钢的高硬度、高强度和良好耐磨性，又适当提高了韧性。
硬度为61～65HRC，主要用于高碳钢，合金工具钢制造的刃具、量具、模具及滚动轴承，渗碳、碳氮共渗和表面淬火件等。
（2）中温回火（350～500℃），组织为回火屈氏体，对于一般碳钢和低合金钢，中温回火相当于回火的第三温度区，此时碳化物开始聚集，基体开始回复，淬火应力基本消除。
硬度为35～50HRC，具有高的弹性极限，有良好的塑性和韧性，主用于弹性件及模具处理。
（3）高温回火（500～650℃），组织为回火索氏体，硬度为220～330HBS。
淬火和随后的高温回火称为调质处理，经调质处理后，钢具有优良的综合机械性能。
因此，高温回火主要适用于中碳结构钢或低合金结构钢，用来制作汽车、拖拉机、机床等承受较大载荷的结构零件，如曲轴、连杆、螺栓、机床主轴及齿轮等重要的机器零件。
因为该主轴需要进行调制处理，所以采用高温回火。
5.2表面淬火的选择
表面淬火是指被处理工件在表面有限深度范围内加热至相变点以上，然后迅速冷却，在工件表面一定深度范围内达到淬火目的的热处理工艺。
利用表面淬火得到表面硬化后，零件的心部仍可保持原来的显微组织和性能不变，从而达到提高疲劳强度、提高耐磨性并保持心部韧性的优良综合性能。
常用的表面加热淬火方法有感应加热表面淬火、火焰淬火、电接触加热表面淬火、电解液加热表面淬火、激光加热表面淬火、电子束加热表面淬火、等离子束加热表面淬火等。
（1）感应加热表面淬火，即以电磁感应原理在工件表面产生电流密度很高的涡流来加热工件表面的淬火方法。
根据所产生交流电流的频率不同，可分为高频淬火、中频淬火及高频脉冲淬火三类。
（2）火焰淬火，即用温度极高的可燃气体火焰直接加热工件表面的表面淬火方法。
（3）电接触加热表面淬火，即以当低电压大电流的电极引入工件并与之接触，以电极与工件表面的接触电阻发热来加热工件表面的淬火方法。
（4）电解液加热表面淬火，即工件作为一个电极（阴极）插入电解液中，利用阴极效应来加热工件表面的淬火方法。
综合考虑了上述几种方法各自的特点和局限性后，我选用了感应淬火，因为它具有工艺简单、工件变形小、生产效率高、省能、环境污染少、工艺过程易于实现机械化和自动化等优点。
6制定热处理工艺制度
表245钢加热和冷却的临界点
钢号
Ac1
Ac3
Ar1
Ms
45钢
725℃
780℃
682℃
220-250℃
6.1正火工艺的制定
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）正火温度，选用830-850℃。
一般正火加热温度是将工件加热到Ac3或Accm以上30-50℃，45钢的临界点温度为780℃，正火时一般采用热炉装料，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）正火保温时间，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115.4mm，考虑加工余量5mm，因而其有效厚度为50mm，保温时间为4h左右。
（3）正火的冷却方式一般采用空冷。
6.2调制工艺的制定
毛胚经镗孔、车出大台阶后进行调制处理，其目的是为了提高主轴整体的强韧性，满足性能要求。
（1）加热温度，亚共析钢淬火加热温度为Ac3+30-50℃，一般在空气炉中加热比在盐浴中加热高10-30℃，综合考虑淬火加热温度应选用810-830℃。
（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[5]，图1中最大壁厚为15mm，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45钢，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1h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
≤50
>50
0.45-0.5
0.5-0.55
1.2-1.5
1.5-1.8
高合金钢
高速钢
0.35-0.40
0.3-0.35
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
工件装炉方式
修正系数K
1.0
1.0
1.0
1.4
2.0
4.0
1.4
2.2
1.3
2.0
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,查表5，
选择回火温度为600-640℃。
表545钢调质硬度[5]
钢号
回火
HBS
45
600-640
200-230
560-600
220-250
540-570
250-280
（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6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3h。
表6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
830℃
（6）回火后的冷却：
回火后工件一般在空气中冷却。
6.3淬火工艺的制定
6.3.1直径48.2mm局部淬火、回火加热规范的确定
其目的是为了提高扭转工件部位的强度、硬度。
（1）淬火温度：
加热温度，亚共析钢淬火加热温度为Ac3+30-50℃，一般在空气炉中加热比在盐浴中加热高10-30℃，综合考虑淬火加热温度应选用810-830℃。
，
（2）加热时间：
加热系数选择为1.2～1.5之间，零件有效厚度D为17mm，K装炉修正系数选择为1.0。
有上可得t＝1.0×1.0×17min=17min，故保温17min,先水淬20s在油冷。
淬火回火工件必须要垂直挂吊如图所示：
（3）
回火温度根据表5选择350℃，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6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17mm，二十个工件同时加热，我选择保温时间2h。
6.3.2局部（A、B中间段）感应淬火、回火
A、B中间段感应淬火，回火目的都是为了提高该部位表面硬度及耐磨性。
（1）淬火加热温度和加热方式的选择：
常用加热方式有两种，一种为同时加热法，即对工件需淬火表面同时加热，一般在设备功率足够、生产批量比较大的情况下采用；另一种为连续加热法，即对工件需淬火部位中的一部分同时加热，通过感应器与工件之间的相对运动，把已加热部位逐渐移到冷却为之冷却，待加热部位移至感应器中加热，如此连续进行，直至需硬化的全部部位淬火完毕。
由于所要加工的工件淬火部位比较分散，难以实现对其同时加热，因而选择连续加热法。
一般高频加热淬火温度可比普通加热淬火温度高30-200℃，因而我选880-900℃。
在连续加热条件下，通过控制工件与感应圈相对位移速度来实现。
选用的感应器阳极电压13.5kv，阳极电流6A，屏极电流1.2A，工件连续淬火时相对移动速度100mm/min。
（2）冷却方式和冷却介质的选择：
常用的冷却方式是喷射冷却法和浸液冷却法。
喷射冷却法即当反应器加热终了时把工件置于喷射其中，向工件喷射淬火介质进行淬火冷却，其冷却速度可以通过调节液体压力、温度及喷射时间来控制。
浸液淬火法即当工件加热终了时，浸入淬火介质中进行冷却。
考虑到零件加工部位的分散性，零件形状复杂，我选择喷射冷却法，这样比较容易控制冷却速度。
冷却介质使用水溶液。
（1）回火温度根据下表选择300℃
表545钢调质硬度[5]
钢号
回火温度（℃）
硬度（HRC）
45
150
55
200
55
300
50
400
41
500
33
550
26
600
22
（2）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，选择2h。
7热处理设备选择
常用的热处理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设备经济性、可靠性、配套性、安全性、安全性以及工厂的实际情况等来选择[6]。
7.1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
380
3
950
950×450×350
7
2.5
200
RX3-45-9
45
380
3
950
1200×600×400
9
2.5
400
RX3-60-9
60
380
3
950
1500×750×450
12
3
700
RX3-75-9
75
380
3
950
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。
7.2感应加热设备的选择
（1）局部（A、B中间段）选用GP100-CM型立式高频加热电源，感应器选择自喷水式，感应加热装置根据电源频率不同，可分为超高频、高频、超音频、中频、工频感应加热装置。
也可按变频方式分为电子管变频装置、机式变频装置、晶闸管变频装置及工频加热装置。
常见的电子管式高频、超音频变频装置的型号见表7，变频装置由晶闸管调压器、升压变压器、高压整流器，电子管振荡器等构成的主回路电路及微机控制调压电源系统组成。
选择的设备频率为250KHz，因而选择GP100-CM型号的电子管式高频设备。
表7电子管式高频装置的型号及主要技术数据
型号
输入容量/KVA
振荡功率/KW
输出功率/KW
振荡频率/KHz
冷却水耗量/L
主要用途
设备组成
设备外形尺寸mm×mm×mm
GP10-C2
15
10
8
500-1000
8000
淬火
焊接
振荡柜
800×900×1500
GP30A-C2
50
30
25
200-300
1500
淬火
焊接
振荡柜
整流柜
变压器
2200×900×2000
1200×900×1200
1150×800×1050
GP100-CM
180
100
85
200-300
3200
淬火
焊接
振荡柜
整流柜
变压器
2200×900×2000
1600×1050×2000
800×500×1400
GP200-C2
400
200
170
150、50
800
淬火
焊接
振荡柜
整流柜
变压器
1600×2000×22001600×2000×1800600×670×1500
7.3感应器的选择
感应器是感应加热的主要工装，选择感应器的原则是保证工件表面加热层温度均匀、电效率高、容易制造、安装操作方便。
按感应器形状可分为圆柱外表面加热感应器，内孔表面加热感应器、平面加热感应器以及特殊形状表面加热感应器等。
零件图中AB两处待加工部位为圆柱外表面，因而可以使用圆柱外表面加热感应器，如图3所示。
零件图AB中间段部位为内孔表面，选用内孔表面加热感应器，如图4所示。
图3高频外表面连续淬火感应器[7]
a）感应器结构b）淬火时位置
8工装设计
工装设计主要指的是热处理过程中所用到的辅具和夹具以及其他设备所进行的选择。
8.1淬火介质冷却设备
选用普通型间隙淬火槽，由于此类淬火槽水的热容量很大，冷却能力很强，工件在水中淬火时，阻碍冷却。
为此淬火水槽应设置搅拌或其他使介质运动的装置，以破坏蒸汽膜和使介质温度均匀化，水温控制在15—25℃，可获得一致的淬火效果。
热处理冷却设备应能保证工件在冷却时具有相应的冷却速度和冷却温度。
淬火冷却设备主要指盛油介质的槽子，油的粘度大，并影响冷却能力和温度均匀度，因此油槽应控制油温和加热搅拌。
油温一般保持在40-95℃，最常用的在50-75℃之间，油槽应设冷却循环系统和加热装置，还应防止水混入，注意设置排水口。
一般的淬火槽的尺寸都能够满足淬火要求如选普通淬火槽
8.2清洗设备的选择
零件在热处理前需清除锈斑、油渍、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
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