热处理工艺课程设计Word格式.docx
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1.所选工艺的目的……………………………………………………………17
2.热处理工艺…………………………………………………………………18
⑴正火……………………………………………………………………18
⑵渗碳……………………………………………………………………18
⑶淬火……………………………………………………………………25
⑷回火……………………………………………………………………28
⑸喷丸处理………………………………………………………………30
六．热处理工艺过程中缺陷分析…………………………………………………30
1.常见的渗碳缺陷……………………………………………………………30
2.常见的淬火缺陷……………………………………………………………31
3.常见的回火缺陷……………………………………………………………32
一．热处理工艺课程设计的目的
热处理工艺课程设计是高等工业学校金属材料工程专业一次专业课设计练习，是热处理原理与工艺课程的最后一个教学环节。
其目的是：
（1）培养学生综合运用所学的热处理课程的知识去解决工程问题的能力，并使其所学知识得到巩固和发展。
（2）学习热处理工艺设计的一般方法、零件热处理的工艺流程、热处理设备选用、装夹具设计、资料手册的查用、规范标准等，还有工艺设计中的细节问题。
（3）进行热处理设计的基本技能训练，如计算、工艺图绘制和学习使用设计资料、手册、标准和规范。
二．课程设计的要点、原则
1.热处理零件结构形状设计
需要热处理的工件，在设计时，除了应考虑服役条件、承受载荷的大小和机械加工工艺外，还要要考虑热处理的变形、开裂所造成的产品报废。
因此，对热处理件结构形状有一定的设计要求。
1.1结构形状设计应避免应力集中
截面急剧变化的工件，淬火时易引起过量变形或开裂，一般应采用平滑过渡或圆弧过渡；
外形的尖锐棱边，尖角和凹腔角处会产生应力集中，因此，也常用圆弧代替尖角，为防止工件上的孔或模具型腔成为裂纹的策源地，孔与孔之间应有一定的距离，冲模型腔与模边之间的距离也应足够大。
1.2结构形状设计应尽量简单、均衡、规则、对称
结构件的形状应尽量使工件各部位的质量均匀分布，以减少淬火时可能引起的过量变形和开裂。
1.3设计中实际措施
机械构件中工作的轮廓、形状和尺寸是各式各样的，往往不能遵循上述设计原则，对此可根据实际情况采取措施加以补救。
为减少损失，避免事故，充分估计各种因素的影响，可采用设计、热加工和热处理几方面共同商讨，协同设计，避免因设计不当造成加工、热处理和使用上的问题。
2.热处理零件的选材原则
2.1使用性原则
使用性原则是零件在使用中应该具有的性能，这是保证零件完成规定功能的必要条件。
在选材之前必须了解零件承受的负载类型及大小，所处工作环境和介质温度等服役条件。
服役条件不同，性能要求也不一样。
如：
螺栓、拉杆等承受拉伸载荷的工件要求有较高的屈服强度和抗拉强度；
承受交变载荷的半轴、曲轴等除了应具备良好的综合机械性能外，还应有高的疲劳强度；
而冲模、齿轮、铣刀等则要求有高的表面硬度。
2.2工艺性原则
零件毛坯主要有铸件、锻件、焊接件和型材四种，熟悉材料的
加工工艺过程和材料的工艺性能，使所选材料比较容易加工成工件，在选材时必须考虑材料的加工工艺性能。
从原材料到成品件，不同的工作经过了不同的冷、热加工工艺，从工艺性出发，选材可按下列技术路线进行：
2.3经济性原则
选材要讲经济效益，即应计算所得与所费、投入与产出、有用效果与、劳动消耗，要对它们进行评价和比较，从中选择最合适的不一定是最好的或单价最贵的材料，以最好的消耗量得到最大的效益，这就是经济性原则。
2.4选材时应注意的几个问题
零件选材原则的实质是所选材料要耐用，易加工且费用低。
同时，应注意以下几点：
⑴在大多数情况下优先考虑使用性能，工艺性能和经济性原则次之;
⑵有些力学性能指标（如σb、σ0.2、σ-1、K1c）可直接用于设计计算;
δ、Ψ、Ak等不能直接用于计算，而是用于提高零件的抗过载能力，以保证零件工作安全性;
⑶在对零件的力学性能要求转化为材料力学性能指标时，要注意手册上给出的组织状态。
如果零件的最终状态与手册上给出的相同，可直接使用，否则，还得查阅其它手册、文献资料或进行针对性的力学性能试验；
⑷手册或标准给出的力学性能数据是在试验室条件下对小试样的试验结果，引用这些数据时要注意尺寸效应；
⑸由于材料成分是一个范围，试样毛坯的供应状态可以有多种，因此，即使是同一牌号的材料，性能也不完全相同。
国际标准或原冶金部标准给出的热轧或退火状态的力学性能范围或最低值，其数据可靠；
而技术资料、论文中给出的数据一般是特定条件下的平均值，使用时要加以注意；
⑹同一材料的不同供应状态对数据影响很大；
⑺选材时要注意同时考虑所选材料的成型加工方法。
3热处理工艺设计
热处理工艺设计包括热处理工艺在整个工件加工制造过程中的位置，热处理工艺选择和热处理工艺规程拟定。
3.1热处理在加工工艺路线中的位置
材料的加工工艺路线是比较复杂的，根据对工件性能要求的不同，热处理在加工工艺路线中的位置通常有以下三种情况：
⑴毛坯→正火（退火）→机械加工→工件成品（一般工件）
⑵毛坯→预先热处理（正火、退火或调质）→粗加工→最终热处理（淬火、回火、化学热处理等）→精加工（要求较高的工件）
⑶毛坯→预先热处理→粗加工→淬火、回火或化学热处理→半精加工→稳定化处理或化学热处理→精加工→稳定化处理→工件成品（精密工件）
3.2热处理工艺选择时应重点考虑的因素
⑴工件设计中热处理技术条件如材料（包括规格、钢种、晶粒度等）、金相组织、硬化层及渗层厚度、强度、冲击韧性及硬度要求；
⑵热处理的工艺性确定热处理工艺时，应根据每种工件的技术,尽量做到工艺上的先进性，技术上的可靠性和经济上的合理性;
⑶工厂生产条件及批量确定热处理工艺时还应考虑工厂的现场特点、现有设备、生产批量等因素。
在保证技术要求和质量稳定的前提下，可选用周期作业炉、连续作业炉或设计新标准设备。
3.3热处理工艺规程的拟定
⑴分析所有可能的热处理工艺方案，比较后选择其中保证工件高质量而有最经济的方案；
⑵需要热处理的工件应按材料、形状、尺寸、重量和性能要求等选择合适的热处理工艺；
⑶根据现场加热和冷却设备选择工件的加热和冷却方法；
⑷热处理工艺过程各工序顺序应力求优化，避免在工艺传递过程中的重复。
三．热处理工艺课程设计的任务
根据题目中零件的技术要求，分析零件服役条件和可能的失效形式，根据失效形式，确定零件的性能特点，根据性能特点，选择材料，相变点的确定，分析含碳量及合金元素的作用，确定该零件的加工工艺路线以及热处理在加工工艺路线中的位置，选定能实现技术要求的热处理方法，热处理工艺参数的制定，热处理设备的选择，画出各热处理工艺后的金相组织示意图，分析显微组织特点，说明相组成物、组织组成物的名称，夹具的设计或选用，工艺卡片的填写。
1.零件的服役条件和可能的失效形式
服役条件
齿轮是机械工业中应用最广泛的重要零件之一。
其主要作用是传递动力，改变运动速度和方向。
是主要零件。
其服役条件如下：
⑴齿轮工作时，通过齿面的接触来传递动力。
两齿轮在相对运动过程中，既有滚动，又有滑动。
因此，齿轮表面受到很大的接触疲劳应力和摩擦力的作用。
在齿根部位受到很大的弯曲应力作用；
⑵高速齿轮在运转过程中的过载产生振动，承受一定的冲击力或过载；
⑶在一些特殊环境下，受介质环境的影响而承受其它特殊的力的作用。
失效形式
根据其服役条件，常见的失效形式为以下四点：
⑴疲劳断裂
齿轮在交变应力和摩擦力的长期作用下，导致齿轮点面接疲劳断裂。
其产生是由于当齿轮受到弯曲应力超过其持久极限就出现疲劳破坏而超过材料抗弯强度时，就造成断裂失效；
⑵表面损伤
a.点蚀是闭式齿轮传动中最常见的损坏形式，点蚀进一步发展，表现为蚀坑至断裂。
b.硬化层剥落由于硬化层以下的过渡区金属在高接触应力作用下产生塑性变形，使表面压应力降低，形成裂纹造成碳化层剥落。
⑶磨损失效
汽车、拖拉机上的主载荷齿轮，受力比较大，摩擦产生热量较大，齿面因软化而造成塑性变形，在齿轮运转时粘结而后又被撕裂，造成齿面摩擦磨损失效
⑷磨粒磨损
外来质点进入相互啮合的齿面间，使齿面产生机械擦伤和磨损，比正常磨损的速度来得更快。
2.材料的选择
⑴零件的用途
高速齿轮是机械工业的重要基础件，广泛地应用在动力、冶金、石油化工、航空航天以及舰船工业等重要领域，常常被用于重型载货汽车上。
适用于工作条件较为繁重、恶劣的汽车、拖拉机的变速箱和后桥中的齿轮。
还被用于内燃机机车、坦克、飞机上的变速齿轮，这对材料的性能要求更高。
⑵工作条件
齿轮工作时，通过齿面的接触来传递动力。
两齿轮在相对运动过程中，既有滚动，又有滑动，表面受到很大的接触疲劳应力和摩擦力的作用。
高速齿轮在运转过程中的过载产生振动，承受一定的冲击力或过载；
在一些特殊环境下，受介质环境的影响而承受其它特殊的力的作用。
⑶性能要求
齿轮的表面有高的硬度和耐磨性，高接触疲劳强度，有较高的齿根抗弯强度，高的心部抗冲击能力。
⑷选材
高速、高载、承受较大冲击载荷的齿轮，一般采用低碳合金渗碳钢或碳氮共渗钢，工作时表面承受很大的接触疲劳应力和摩擦力的作用，高速转动承受一定的冲击力或过载。
选用20CrMnTi钢，由于钢中含有Cr能够提高淬透性，Cr还是碳化物形成元素，提高回火稳定性；
Mn能增加钢的强度和硬度，还有脱硫的功效，也能提高钢的淬透性；
Ti是强碳化物形成元素，在钢中生成MC型碳化物，对提高钢的耐磨性和细化晶粒有一定的好处。
20CrMnTi钢采用渗碳+淬火+低温回火，齿轮表面可以获得55~63HRC的高硬度，因淬透性较高，齿心部具有较高的强度和韧性。
因而选用20CrMnTi钢。
20CrMnTi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。
淬火热处理后心部获得低碳马氏体,以保证心部具有足够的塑性和韧性,抵抗冲击载荷。
钢中合金元素为Cr<
1.5％、Mn<
1.5％、Ti<
1.5％。
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。
Ti元素能阻止钢的奥氏体晶粒的长大,提高钢的回火稳定性。
20CrMnTi齿轮根据使用性能要求表面耐磨,心部又要求有良好的强韧性,所以要对20CrMnTi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。
3.相变点的确定
牌号
临界温度/℃
锻造加工温度/℃
正火
Ac1
Ac3
Ms
加热
始锻
温度
/℃
冷却
硬度
HBW
Ar1
Ar3
Mf
终锻
20CrMnTi
715
843
360
1200~
1240
1160~
1200
950~
970
空冷
156~
207
625
795
>
850
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℃
860
油
42~46
43
41
40
39
35
30
25
17
4.热处理设备的选择
⑴电阻炉是热处理过程中占有较大比重的热处理加热设备，因此其应用十分广泛，根据作业的工作方式，分为周期性作业炉和连续性作业炉两种，电阻炉是用电阻发热体供热的一类设备，靠电热元件（作成螺旋状）的热辐射或对流等来加热零件，电阻炉是以电为热源，通过炉内布置的电热元件将电能转化为热能来进行零件的加热的，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，Q—气体渗或保护气等），第三个字母表示炉膛的形式（X—箱式，J—井式，D—电极式，M—埋入式等），第一组数代表设备的功率，第二组数代表使用的温度。
例如RJJ-75-6、RYD-100-13、RJX-75-9等，通过设备的型号可以看出类型、加热特点、炉膛大小以及使用温度等，便于正确选用设备。
电阻炉又分为周期性作业炉和连续性作业炉，前者为零件整批入炉后，在炉内完成零件的加热、保温等工序，待出炉后另一批零件送入炉内，进行循环周期性的作业要求炉子的升温速度快，蓄热量小，通常有箱式炉、井式炉、台车炉等；
而后者为需加热的零件连续不断地进入炉膛内，并不断地向前移动，完成零件的加热、保温后出炉，该炉子具有生产效率高、自动化和机械化程度高、适用于大批量生产作业，其炉膛内分为加热、保温、冷却三个区域段，设计的功率不同，常用的连续性作业炉有输送带式炉、网带式炉、推杆式炉、振底式炉、转底式炉和滚筒式炉等。
箱式电阻炉按温度的高低分为低温箱式炉、中温箱式炉、高温箱式炉，是目前应用最广泛的设备，通用性强，适用于大批量的热处理作业，中温箱式炉的应用十分广泛，是通用性很强的设备，使用温度在700~900℃，最大加热温度950℃，用于碳钢、低合金钢的退火、正火、调质处理、渗碳、淬火、回火以及时效等。
炉膛由耐火砖砌成，自里向外依次为硅藻土砖和隔热材料或保温材料，炉底用耐热钢板制成炉板，下方为耐火砖墙支撑，砖墙之间有电热元件，炉壳是由钢板和角铁焊成，一般炉门为铸铁外壳，内砌耐火砖等。
炉内的两侧分别安放镍铬合金或铁铬铝合金制成的电热元件（电阻丝）。
我设计的高速高载齿轮，它的直径大约是200mm，内圈直径约为100mm，厚度约是50mm，齿轮正面的圆形面积S约为628mm2，体积V约为31400mm3.材料是低碳合金钢20CrMnTi。
它的正火温度在950℃左右。
考虑到中温炉在中温测量时比较准确，因而选用中温箱式炉。
结构图如下
中温箱式炉结构图
1—炉壳；
2—炉衬；
3—热电偶；
4—炉膛；
5—炉门；
6—炉门升降结构；
7—电热元件；
8—炉底板；
标准系列中温箱式电阻炉技术数据
型号
功率
/kw
电压
/v
相数
最高工作温度/℃
炉膛尺寸（长×
宽×
高）/mm
炉温850℃时的指标
空炉损耗功率/kw
空炉升温时间/h
最大装载量
/kg
RX
（RX3-□-9Q）
RX3-15-9
15
380
1
950
600×
300×
250
5
2.5
80
RX3-30-9
3
950×
450×
350
7
200
根据我设计的齿轮大小，正火选用的电阻炉为RX3-15-9。
低温箱式炉的最高工作温度为650℃，用于钢铁零件淬火后的回火和时效处理，也可以作铝合金的淬火加热用。
其零件的加热是靠对流和辐射完成的，在炉顶或炉的后墙上安装风扇以及导风装置，强迫炉内气体的循环，来提高炉膛的温度均匀性和传热效果。
低温箱式电阻炉技术数据
型号
功率/kW
工作温度/℃
RX3—15—6
650
RX3—75—6
75
1800×
900×
550
KH95—03
70
1276×
1060×
1100
700
KH86—17
60
2100
根据我设计的齿轮大小，回火选用的电阻炉为RX3-15-6。
⑵渗碳炉是新型节能周期作业式热处理电炉，主要供钢制零件进行气体渗碳。
由于选用超轻质节能炉衬材料和先进的一体化水冷炉用密封风机，渗碳炉炉温均匀、升温快、保温好，工件渗碳速度加快，碳势气氛均匀，渗层均匀，在炉压提高时，亦无任何泄漏，提高了生产效率和渗碳质量。
RQ系列井式气体渗碳炉系周期作业式电炉，主要供碳钢机件的气体渗碳等用。
与电炉控制柜配合使用可自动控制及自动记录电炉的温度其结构主要由炉体、加热元件和温控系统组成。
炉体外壳由型钢及钢板焊接而成，内用超轻质高铝泡沫砖砌筑成炉膛.保温层采用硅酸铝耐火纤维、硅藻土（或蛭石粉）散料结构，以提高炉体保温性能。
加热元件安放在搁丝砖上，并有电阻丝小钩使其定位。
炉膛内有一耐热板焊接成炉罐及料筐，被处理工件安放在料筐内。
为使被处理工件均匀的与渗碳气体接触，在炉壳上装有通风机，用来强制气流循环，以使炉内温度和气体均匀。
在风机轴套上有一防止漏气的密封装置，并采用冷却水冷却。
炉盖的升降均有液压升降机构来完成。
当需将炉盖升起时，只要开动液压装置，炉盖即徐徐上升；
如需炉盖下降，只要旋松液压装置中内螺纹截止阀，炉盖即缓缓下降。
在升降轴处，有两限位开关，当升降轴上升时，下面一个限位开关自动切断电动风机电源，以免操作发生危险；
当炉盖升足时，上面一个限位自动切断液压装置的电源，以防升降轴顶出油缸发生意外。
RQ系列电炉的液体滴入系统备有可进行三种液体同时滴入的滴量器，并可通过流量计及针形阀控制其流量。
在炉盖上方设有水冷却的试样管、取气孔、排气孔，如与红外线CO2分析仪配合及改装，则可进行碳势自动控制的工艺操作。
常用RQ系列渗碳井式炉的型号
额定功率/kW
额定电压/V
额定温度/℃
工作空间尺寸（直径×
深度）/mm
在950℃时有关指标
空炉损耗功率/kW
空炉损耗升温时间/h
最大装载量/kW
RQ3-25-9
Φ300×
450
≤7
≤2.5
50
RQ3-35-9
600
≤9
RQ3-60-9
Φ450×
≤12
150
RQ3-75-9
900
≤14
220
RQ3-90-9
90
Φ600×
≤16
≤3.0
400
RQ3-105-9
105
≤18
500
根据我设计齿轮的大小，选择型号为RQ3-25-9系列的井式渗碳炉比较合适。
5.夹具的设计或选用
齿轮的移动将齿轮从框中或篮中放进炉子中，要实现齿轮的短距离移动，我选择用自制的钳子夹送，钳子如下图：
用钳子夹齿轮移动齿轮时，可以用钳子的部分1来托运齿轮，这样就能实现齿轮短程运送时，轻拿轻放。
部位3是钳子的把手，当然表面肯定是增加摩擦的粗糙表面。
如果齿轮不方便用钳子的部位1来实现托运，也可以用钳子的部位2来实现，先将钳子部位2的两只脚合拢，穿过齿轮的中心的空，再撑开钳子的两脚，就可以把齿轮卡在钳子上，此时就可以实现齿轮的运送。
齿轮在箱式炉中的热处理为了让齿轮在箱式炉中受热均匀，可以用耐火材料制成料架放进箱式炉中，然后将齿轮放在架子上，进行加热。
如图
粗加工前，正火选用的炉子是中温箱式炉，型号为RX3-15-9，炉膛尺寸（长×
高/mm）为600×
250，图中的盛放齿轮的架子为3层，每层可以放两个齿轮，可以用钳子将齿轮送进去。
井式渗碳炉中齿轮的摆放我选用的渗碳炉型号是RQ3-25-9，炉膛尺寸（直径×
深度/mm）为Φ300×
450。
为了达到每炉中所有的齿轮能够均匀渗碳，我将每个齿轮隔开，用耐火材料制成网状的托盘，每个托盘上面放一个齿轮，然后依次向炉中放入托盘，如右图，是井式渗碳炉的剖面图，图中的托盘没有放齿轮。
最下面的托盘形状制成与炉底形状相似。
每个托盘的边壁上有空洞，能够让行车或者吊车的钩子是想吊运，最好同时使用3个钩子吊运，托盘最平稳。
四．零件的技术要求及选材
1.技术要求
20CrMnTi钢制成的高速高载齿轮技术要求如下：
齿表硬度：
50～56HRC
渗碳层深度为：
1.0～1.2mm
2.零件图
3.化学成分及合金元素的作用
20CrMnTi钢的化学成分
C
Si
Mn
Cr
Ti
0.17～0.23
0.17～0.37
0.80～1.10
1.00～1.30
0.04～0.10
S
P
Ni
Cu
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