熱處理工藝課程設計-柱塞設計.doc

課程設計說明書第1頁共25頁1前言熱處理工藝是金屬材料工程的重要組成部分。通過熱處理可以改變材料的加工工藝性能，充分發(fā)揮材料的潛力，提高工件的使用壽命。這次課程設計是在材料科學基礎、金屬熱處理工藝學、金屬力學性能、失效分析等課程學習的基礎上開設的，是理論與實踐相結(jié)合的重要教學環(huán)節(jié)。通過該課程設計我們在綜合運用所學專業(yè)知識能力方面得到訓練，學會獨立分析問題和解決問題的方法，提高工程意識和工程設計能力?？偟膩碚f本次熱處理與工藝課程設計的目的有（1）初步掌握典型零件部件生產(chǎn)工藝過程；（2）掌握典型零件的選材、熱處理原則和工藝指定原理；（3）理論聯(lián)系實際，綜合運用基礎課及專業(yè)課程多方面的知識去認識和分析零部件熱處際問題，培養(yǎng)解決問題的能力。熱處理工藝是機械加工過程中的一個重要環(huán)節(jié)，它與工件設計及其他加工工藝之間存在密切關(guān)系。如何實現(xiàn)工件設計時提出的幾何形狀和加工精度，滿足設計時所要求的多種性能指標，熱處理工藝制定的合理與否，有著至關(guān)重要的作用。設計熱處理工藝之前，應該準確分析零件圖，分析其工作條件，使用性能，技術(shù)要求等，才能為下一步材料的選擇做準備。根據(jù)上一步的分析和對各種金屬材料的學習，選擇幾種常用材料，并進行對比選擇，選出最佳的材料進行下一步的工藝制定。要想對工藝設計合理的熱處理工藝，必須了解所選材料的合金化原理，相變溫度以及零件的服役條件，技術(shù)要求等，從而制定出合理的退火、正火、淬火、回火的工藝參數(shù)。此外合理的選擇熱處理設備也是重點之一，準確的選擇加熱和冷卻設備可以確保有效的利用資源!熱處理工藝的最佳方案可以保證零件可以達到所要求的使用性能及質(zhì)量穩(wěn)定可靠、工序簡單、管理方便、生產(chǎn)效率高、原材料消耗少、生產(chǎn)成本低廉，并能能到節(jié)能、環(huán)保的要求。但是單一的熱處理工藝方案通常情況是很難達到這幾個方面的要求，所以可以根據(jù)零件的技術(shù)要求，通過幾種熱處理工藝方案的合理結(jié)合達到。任何零件在進行完熱處理工藝后都會產(chǎn)生各種程度的缺陷，所以最后的檢驗是非常必要的，通過檢驗才知道是否符合我們的技術(shù)要求，我們通過分析這種種因素后才能確定出一種最佳的方案。課程設計說明書第2頁共25頁2零件圖分析2.1零件的服役條件該零件是一個柱塞泵柱塞的零件，柱塞和套筒是柴油機噴油泵最主要偶件，在使用是，燃油中的雜質(zhì)和磨料會隨同燃油以很高的壓力和流速沖刷柱塞副的工作表面并造成異常磨損。柱塞的主要功能是傳遞小動力，其工作時需要承受不大的沖擊載荷，不過要求有較高的強度和剛度。由于表面會磨損。所以必須有足夠的硬度和耐磨性。2.2零件的性能要求柱塞在使用過程中要求表面硬度高。為滿足這一要求，可選用含碳量較低的合金結(jié)構(gòu)鋼，通過表面滲碳淬火，表面具有較高硬度，而芯部硬度不高，具有較高韌性。3材料的選擇3.1選材20CrMnTi是低碳合金鋼，該鋼具有較高的機械性能，在滲碳淬火低溫回火后，表面硬度為5862HRC，芯部硬度為3045HRC。此外，20CrMnTi的工藝性能較好，課程設計說明書第3頁共25頁由于合金元素Ti的影響，對過熱不敏感，故在滲碳后可直接降溫淬火。且滲碳速度較快，過渡層較均勻，滲碳淬火后變形小，適合于制造承受高速中載及沖擊、摩擦的重要零件。因此根據(jù)齒輪磨床主軸的工作條件選用20CrMnTi鋼是比較合適的。經(jīng)過910940滲碳，870淬火，180200回火后，機械性能：抗拉強度1100Mpa,屈服強度850Mpa,延伸率10，斷面收縮率45，沖擊韌性680，硬度為5862HRC3.220CrMnTi鋼化學成分及合金元素作用3.2.120CrMnTi鋼化學成分見下表CMnSiCrS0.170.230.81.100.170.371.001.300.0353.2.2化學元素作用Cr元素:主要是提高鋼的淬透性,Cr元素固溶強化基體組織，并改善基體組織的回火性和硬度。Mn元素：主要是提高鋼的淬透性，Mn元素從基體組織中擴散到析出的滲碳體中，形成合金滲碳體,改善其硬度。Ti元素：主要是為了細化晶粒。3.2.3320CrMnTi鋼相變點相變點Ac1Ac3Ar1溫度7308206904確定零件加工路線加工工藝主要包括機加工和熱處理工藝。機加工是指通過加工機械精確去除材料的加工工藝。它直接改變毛坯的形狀、尺寸和表面質(zhì)量等，使其成為零件的過程稱為機械加工工藝過程。熱處理是將金屬材料放在一定的介質(zhì)內(nèi)加熱、保溫、冷卻，通過改變材料表面或內(nèi)部的金相組織結(jié)構(gòu),來控制其性能的一種金屬熱加工工藝。工藝流程為：下料鍛造正火機加滲碳淬火回火機加課程設計說明書第4頁共25頁5熱處理工藝方法的選擇5.1正火工藝的選擇5.1.1正火目的細化晶粒，消除組織缺陷，以獲得珠光體+少量鐵素體組織。并使加工硬度適中，有利于切削。5.1.2加熱速度加熱速度主要與鋼的成分、工件的尺寸和形狀等因素有關(guān)。為防止變形開裂，應該適當控制加熱速度。碳鋼和低合金鋼的中、小件的加熱速度一般控制在100200/h；中、高合金鋼形狀復雜的或截面大的工件一般應進行預熱或采用低溫入爐進行隨爐升溫的加熱方式，溫度低于600700時加熱速度為3070/h，高于此溫度后控制在80100/h.根據(jù)本設計中的零件尺寸及形狀的實際情況，采用低溫入爐加熱，加熱速度為50100/h能夠達到目的。5.1.3加熱溫度20CrMnTi鋼Ac3約為825，通常的正火加熱溫度為Ac3+(3050).在實際生產(chǎn)中，正火加熱溫度常常略高于上述溫度。為促使奧氏體均勻化，增大過冷奧氏體的穩(wěn)定性,選擇的加熱溫度在920940。5.1.4保溫時間選定的依據(jù)：加熱時間可按下列公式進行計算：T=aKD。式中T為加熱時間（min），K反映裝爐時的修正系數(shù)，通過查手冊取K=1.4,a為加熱系數(shù)min/mm,可參見表4.1選取a=1.5-1.8，D為工件有效厚度（mm），工件厚度=（工件最厚處直徑+工件最薄處直徑）/2，可得D=23mmT=1.61.4(16+5+5+22+5+5)=58min60min表2-7碳鋼和合金鋼在各種介質(zhì)中的加熱系數(shù)（值)鋼材每1mm有效厚度的加熱時間空氣電阻爐鹽浴爐碳鋼0.91.1min2530s課程設計說明書第5頁共25頁合金鋼1.31.6min5060s1520s（一次預熱）高速鋼-815s（二次預熱）5.1.5冷卻速度冷卻速度對鋼退火后的組織與性能影響的一般規(guī)律是：冷卻速度越大，奧氏體分解溫度越低，則珠光體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物越細，應力越大，硬度越高。冷卻過慢，會出現(xiàn)大塊鐵素體，造成工件過軟。正火工件一般為空冷，對滲碳鋼及大件等正火有時采用吹風冷卻，甚至噴霧冷卻。這里采用空冷。5.1.6最終組織課程設計說明書第6頁共25頁細珠光體+鐵素體晶粒度：56級5.1.7正火工藝曲線5.2滲碳工藝的制定5.2.1滲碳目的滲碳后淬火、回火，心部保持良好韌性的同時提高工件表面強度、硬度和耐磨性。5.2.2加熱速度加熱速度主要與鋼的成分、工件的尺寸和形狀等因素有關(guān)。為防止變形開裂，應該適當控制加熱速度。碳鋼和低合金鋼的中、小件的加熱速度一般控制在100200/h；中、高合金鋼形狀復雜的或截面大的工件一般應進行預熱或采用低溫入爐進行隨爐升溫的加熱方式，溫度低于600700時加熱速度為3070/h，高于此溫度后控制在80100/h.根據(jù)本設計中的零件尺寸及形狀的實際情況，采用低溫入爐加熱，加熱速度為50100/h能夠達到目的。5.2.3滲碳溫度由式D=0.162exp(-16575/T)可知，隨著滲碳溫度升高，碳在鋼中的擴散系數(shù)呈指數(shù)上升，滲碳速度加快；但滲碳溫度過高會造成晶粒長大，工件畸變增大，設備壽命降低等負面影響。所以滲碳溫度?？刂圃?00950。選擇氣體滲碳，加熱920940.溫度93060min時間min空冷課程設計說明書第7頁共25頁5.2.4滲碳時間滲碳深度d可按下式近似計算：d=kt-D/t-D/式中d滲碳深度k滲碳速度因子t滲碳時間D擴散系數(shù)碳傳遞系數(shù)經(jīng)驗計算按0.150.2mm/h來計算時間。滲層為0.81.2mm,則滲碳時間T=57h5.2.5滲碳方法甲醇-煤油滴注式滲碳法（甲醇為稀釋劑，煤油為滲碳劑）。甲醇-煤油滴注劑中煤油的含量一般在15%30%范圍內(nèi)，高溫下甲醇的裂解產(chǎn)物H2O,CO2和CH4和C氧化，可使爐氣成分和碳勢保持在一定范圍內(nèi)，可以采用紅外儀進行控制。表6-3常用有機液體的滲碳特性名稱分子式碳當量/g碳氧比滲碳反應式用途甲醇CH3OH-1CH3OHCO+2H2稀釋劑乙醇C2H5OH462C2H5OHC+CO+3H2滲碳劑異丙醇C3H7OH303