金屬材料課程設(shè)計(jì)20Cr銑床心軸體熱處理

1、鋼的熱處理工藝及熱處理設(shè)備課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書學(xué)生姓名_設(shè)計(jì)題目_指導(dǎo)教師_系 主 任_哈爾濱理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬材料系目錄一、 目的 3二、設(shè)計(jì)內(nèi)容和步驟 3（一） 20Cr銑床心軸體簡(jiǎn)圖、鋼種和技術(shù)要求3（二） 20Cr銑床心軸體的工作條件、破壞方式和性能要求的分析2.1.銑床心軸體的工作條件42.2銑床心軸體的失效形式 42.3. 銑床心軸體的性能要求 4（三）銑床心軸體用鋼的分析 43.1相關(guān)鋼種化學(xué)成分的作用43.2相關(guān)鋼種的熱處理工藝性能分析 53.3鋼材的組織性能與各種熱處理工藝的關(guān)系 6（四）熱處理工藝方案、工藝參數(shù)及其論證74.1部件的加工工藝路線及其簡(jiǎn)單論證

2、74.2確定預(yù)備熱處理工藝方案、工藝參數(shù)及其論證 84.3確定最終熱處理工藝方案、工藝參數(shù)及其論證 94.4 確定輔助工序方案 9（五）選擇加熱設(shè)備10（六）確定工序質(zhì)量檢測(cè)項(xiàng)目、標(biāo)準(zhǔn)方法10（七）缺陷及其分析11（八）繪制必要的工裝圖13三、本設(shè)計(jì)參考資料 14鋼的熱處理工藝課程設(shè)計(jì)一、 目的 1、 深入理解熱處理課程的基本理論。2、 初步學(xué)會(huì)制定零部件的熱處理工藝。3、 了解與本設(shè)計(jì)有關(guān)的新技術(shù)、新工藝。4、 設(shè)計(jì)盡量采用最新技術(shù)成就，并注意和具體實(shí)踐相結(jié)合。使設(shè)計(jì)具有一定的先進(jìn)性和實(shí)踐性。二、 設(shè)計(jì)任務(wù) 1、 編寫設(shè)計(jì)說明書。2、 編制工序施工卡片。3、 繪制必要的工裝圖。 三

3、、 設(shè)計(jì)內(nèi)容和步驟（一） 零部件簡(jiǎn)圖、鋼種和技術(shù)要求。圖1 銑床心軸體 技術(shù)要求：1.滲碳層深度為1.0-1.4mm。2.淬火后硬度59HRC。3.工件表面粗糙度Ra3.2um。鋼種：20Cr（二）零部件的工作條件、破壞方式和性能要求分析。1.20Cr銑床心軸體的工作條件：（1）20Cr高速旋轉(zhuǎn)傳遞動(dòng)力時(shí)承受交變接觸應(yīng)力扭轉(zhuǎn)、沖擊等各種形式的載荷。 （2）軸頸處及表面承受摩擦。2、20Cr銑床心軸體的失效形式由于轉(zhuǎn)速的不同以及使用條件的差異，起失效形式也有所不同。其主要的失效形式為磨損、變形、斷裂。3、20Cr銑床心軸體性能要其求（1）.經(jīng)熱處理后具有中等強(qiáng)度和韌性，高硬度和耐磨性，無回火脆性

4、傾向和抗腐蝕性，能夠承受一定的沖擊載荷。（2）.表面承受摩擦力必須具有較高的強(qiáng)度，耐疲勞，尺寸穩(wěn)定穩(wěn)定性好。 （3）.表面有一定的強(qiáng)度，心部具有一定的韌性。（三）零部件用鋼的分析1、20Cr化學(xué)成分的作用 C MnSi Cr P S0.170.24 0.500.800.200.240.701.00<0.040 <0.040 表1 20Cr銑床心軸體的化學(xué)成分表20Cr的主要成分為碳、硅、鉻、錳等幾種元素，各種元素對(duì)20Cr產(chǎn)生的作用不同。硅、錳、鉻可以提高合金鋼淬透性，同時(shí)在熱處理時(shí)，可以減少工件的形變量，同時(shí)增加鋼的回火穩(wěn)定性。碳的結(jié)構(gòu)鋼中最主要的元素，一是與V、Cr、W等元素形

5、成足夠多的碳化物，來提高硬度、耐磨性。另一方面還需一定量的碳溶于奧氏體中。以便獲得足夠含量的馬氏體來保證它具有高硬度、高耐磨性和良好的熱硬性。（1）C的作用：提高淬硬性和熱硬性，隨著碳含量的增加20Cr鋼中珠光體增加，鐵素體減少，碳的多少直接影響馬氏體的多少，從而影響力學(xué)性能。（2）P的作用：控制基體。（3）Mn的作用：提高淬透性，獲得馬氏體組織，提供耐磨性。（4）Cr的作用：Cr溶于奧氏體，使得C曲線右移，增大過冷奧氏體的穩(wěn)定性，從而降低臨界冷卻速度，提高20Cr的淬透性。同時(shí)隨著碳含量的增加使得20Cr的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等都有提高。（5）Si的作用：溶于鐵素體形成固溶強(qiáng)化。2、20Cr的

6、熱處理工藝性能分析：Ac1Ac3Ar3Ar1765836799702 表2 20Cr的臨界溫度(1)淬透性 淬透性隨淬火溫度的提高淬透性增加。因?yàn)闇囟壬邐W氏體晶粒尺寸增大淬透性提高。淬硬性隨淬火溫度的升高而增大，但是如果溫度過高奧氏體晶粒過于粗大淬火后會(huì)產(chǎn)生開裂或變形。(2)淬硬性 淬硬性表示鋼淬火時(shí)的硬化能力。它主要與鋼的含碳量有關(guān)，更確切的是說是它取決于淬火后馬氏體中的含碳量，馬氏體中的含碳量越高鋼的淬硬性越高。(3)變形傾向 淬火后變形分兩種：翹曲變形和體積變形。翹曲變形主要是加熱時(shí)工件在爐內(nèi)放置不當(dāng)或搓火前后沒有定型處理或冷卻不均勻所造成。另一方面淬火前后組織不一樣引起體積變形。淬火

7、之前一般為珠光體組織，淬火后為馬氏體組織。由于兩種組織的比容不同，淬火前后將引起體積變化，從而產(chǎn)生變形，但這種變形只按比例使工件脹縮但不改變形狀。應(yīng)力也會(huì)引起形狀變形。3、鋼材的組織性能（硬度、強(qiáng)度、耐磨性、塑韌性等）與各種熱處理工藝的關(guān)系20Cr在870900預(yù)備熱處理后所獲得的組織主要是粒狀珠光體。鐵素體基體上分布著粒狀滲碳體的組織就是粒狀珠光體，成分一定時(shí)，滲碳體顆粒越細(xì)晶界面越多，則鋼的硬度和強(qiáng)度越高。碳化物越接近等軸狀，分布越均勻，則韌性越好，在成分相同的條件下比片狀珠光體的硬度稍低，但塑性好。在870900淬火后，所獲得的組織主要是馬氏體。碳在Fe中的過飽和的固溶體就是馬氏體。馬氏

8、體具有高硬度、高強(qiáng)度和耐磨性，但是片狀馬氏體韌性很差，硬而脆。板條馬氏體的韌性比片狀馬氏體的好得多，即在具有較高強(qiáng)度，硬度的同時(shí)，還具有相當(dāng)高的塑性韌性。淬火組織在700720、550650、170190回火后，主要獲得回火馬氏體組織。馬氏體分解后形成相和彌散的-碳化物組成的復(fù)相組織稱為回火馬氏體。與淬火馬氏體相比，回火馬氏體除了具有高硬度、強(qiáng)度和耐磨性外塑性韌性低，克服了淬火馬氏體脆而硬的特點(diǎn)。(四)熱處理工藝方案及工藝參數(shù)的論述。1、部件的加工工藝路線及其簡(jiǎn)單論證。下料正火切削加工調(diào)質(zhì)處理半精加工滲碳淬火+回火粗磨精磨檢驗(yàn)成品。 正火：將鋼件加熱到上臨界點(diǎn)（Ac3或Acm）以上3050保溫

9、到完全奧氏體化后在空氣中冷卻使之得到珠光體組織的熱處理工藝。其目的就是為預(yù)備熱處理做準(zhǔn)備，細(xì)化晶粒，消除應(yīng)力及粗大魏氏體組織，改善力學(xué)性能和可加工性。回火時(shí)滲碳體聚集長(zhǎng)大成球狀并逐步粗化長(zhǎng)大，內(nèi)應(yīng)力消除，馬氏體發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶。 圖2 正火 圖3 去應(yīng)力回火 調(diào)質(zhì)：高溫淬火溫度為880介質(zhì)為水，高溫回火溫度為550650，目的在于淬火使得奧氏體化的工件獲得盡量多的馬氏體，然后配以不同溫度下的回火獲得所需要的性能，消除應(yīng)力穩(wěn)定組織，同時(shí)可以得到強(qiáng)韌結(jié)合的優(yōu)良綜合力學(xué)性能。圖4 淬火 圖5 中溫回火 滲碳：滲碳的溫度為890910，是活性碳原子滲入工件表面滲碳后鋼件表面化學(xué)成分可接近高碳鋼，淬火后

10、可以得到高的表面硬度、耐磨性以極高的疲勞強(qiáng)度并保持心部有足夠的韌性，滲碳層深度達(dá)到1.01.4mm，表面硬度為5864HRC。 圖6 滲碳 圖7 低溫回火 2、確定預(yù)備熱處理工藝方案、功能工藝參數(shù)及其論證 20Cr的預(yù)備熱處理為正火加調(diào)質(zhì)處理，鋼經(jīng)鑄造成型后其組織晶粒粗大而且存在嚴(yán)重的魏氏體組織和網(wǎng)狀組織、偏析和應(yīng)力，所以正火加熱時(shí)應(yīng)避免快速加熱以防止出現(xiàn)變形和開裂，加熱速度為80100加到880（Ac3以上3050，Ac3為838，參考實(shí)用熱處理手冊(cè)）。調(diào)制處理可明顯提高韌性，為了實(shí)現(xiàn)強(qiáng)韌結(jié)合正火速度選著100/h同時(shí)回火溫度提高到700左右，回火過程中應(yīng)快速通過580650溫度區(qū)間，以避免

11、碳沿著晶界析出。 （1）加熱時(shí)間的計(jì)算 t=AKD t加熱時(shí)間（min/s） A加熱系數(shù)（合金鋼取1.31.6） D工件有效厚度 K裝爐條件修正系數(shù)（通常為11.5） （2）回火保溫時(shí)間有效硬度/mm2040406060808080保溫時(shí)間/min306090120120150150180 表3 回火保溫時(shí)間 3、確定最終熱處理工藝方案、工藝參數(shù)及其論證 滲碳：氣體滲碳，滲碳劑為吸熱式氣體，吸熱式氣體具有較高的表面活性，可實(shí)現(xiàn)控制表面的碳濃度。滲碳工藝：滲碳溫度為920940，滲碳過程包括排氣、強(qiáng)烈滲碳、擴(kuò)散及降溫。排氣時(shí)間在儀表溫度達(dá)到滲碳要求溫度時(shí)延長(zhǎng)3040分鐘，以使?fàn)t內(nèi)成分達(dá)到要求，是

12、爐內(nèi)溫度均勻及工件透燒。降溫是工件隨爐冷卻到淬火溫度，并保持1530min，是工件溫度均勻后出爐淬火。滲碳厚度與溫度的關(guān)系 滲碳溫度T 滲碳時(shí)間t/h 2 4 8 滲碳層深度/mm 875 0.64 0.891.07 900 0.76 1.071.52 925 0.89 1.271.80 表4 滲碳厚度、溫度與時(shí)間的關(guān)系滲碳保 滲碳層深 度持時(shí)間/h /mm鋼種>0.600.80>0.801.00>1.001.20>1.201.4010、15、203445566720Cr、20Mn2B、20CrMnTi2.53.53.54.54.55.55.56.5 表5 滲碳時(shí)間、厚

13、度與鋼種的關(guān)系淬火： 滲碳出爐溫880淬火介質(zhì)為水或者由?；鼗穑杭訜釡囟?70190；時(shí)間為4.56.5h。4.確定輔助工序方案烘干、熱水清洗槽清洗檢測(cè)工件硬度及脫碳情況校直防銹處理（1）工件淬火后熱水清洗槽清洗，檢測(cè)硬度及脫碳情況，尾部處理后也要檢測(cè)硬度，最終校直；常用的清洗劑為堿（Na2CO3）溶液其度一般1.53.0%。在堿液中可適當(dāng)加入添加劑，其成分為：堿（Na2CO3）1.53.0%，亞硝酸鈉（NaNO2）0.81.2%,乳液1316%，清洗液溫度8090。（2）清洗后和淬火、回火前要烘干，以防止水分帶入爐中。（五）、選擇加熱設(shè)備。 1、淬火、回火、正火均可以在一個(gè)設(shè)備中完成。加熱設(shè)

14、備為RX3-60-9額定溫度950，額定電壓380V，相數(shù)3，額定功率60KW，爐膛9尺寸為1500×750×450。 2、滲碳爐選著井式滲碳爐RQ3-75-9額定溫度為950,額定電壓380V,相數(shù)3，額定功率75KW，爐膛尺寸600×900。（六）、確定工序質(zhì)量檢測(cè)項(xiàng)目、標(biāo)準(zhǔn)方法1、正火：硬度的測(cè)定，各部位的硬度差值25HB?；?，每米允許彎曲的最大值0.5/mm。金相的檢驗(yàn)，正常的組織為分布均勻的粒狀珠光體組織，若是組織中有點(diǎn)狀、細(xì)片狀珠光體以及分布不均與的粗大珠光體則為不合格金相。2、淬火加回火：外觀檢查，工件不允許有裂紋和有害的傷痕（可用磁粉檢測(cè)和其他的

15、檢測(cè)方法）。表面硬度，各部的硬度差3HRC。金相組織，正常淬火組織為均勻分布的未溶碳化物加上馬氏體，若馬氏體太粗大、殘余奧氏體的數(shù)量太多、未溶碳化物減少則屬于過熱組織?；?，每米允許的彎曲最大值為0.5/mm。3、滲碳：外觀檢查，不得有裂紋、碰傷、銹蝕等缺陷。硬度檢查，表面硬度和心部硬度應(yīng)達(dá)到技術(shù)要求各部位的硬度差值5HRC。表面有效硬度層差值0.02mm。金相組織觀察，組織為回火馬氏體加上少量殘余奧氏體以及細(xì)小顆粒碳化物，不允許出現(xiàn)粗大的馬氏體、塊狀和網(wǎng)狀的碳化物、心部有就高的球狀和條狀鐵素體，表面存在嚴(yán)重的黑色組織。（七）、缺陷及分析缺陷名稱產(chǎn)生原因采取的措施過熱或過燒淬火加熱溫度過高保溫

16、時(shí)間過長(zhǎng)溫度控制不準(zhǔn)。原材料碳化物偏析嚴(yán)重局部含碳量過高在鹽浴爐中加熱時(shí)，工件靠近電極淬火加熱過程中產(chǎn)生表面增碳或脫碳嚴(yán)格執(zhí)行熱處理工藝要求加強(qiáng)對(duì)原材料的質(zhì)量檢驗(yàn)過熱零件進(jìn)行返工后再重新淬火，過燒的全部報(bào)廢變形開裂加熱速度快溫度不均勻加熱溫度高或保溫時(shí)間長(zhǎng)原材料的碳化物呈帶狀或網(wǎng)狀造成合金元素偏析嚴(yán)重夾雜物超標(biāo)淬火后未及時(shí)回火或回火不充分淬火后清洗過早表面脫碳或磨削加工過程中冷卻不當(dāng)正確選擇加熱溫度和保溫時(shí)間預(yù)熱充分加強(qiáng)對(duì)原材料的質(zhì)量檢測(cè)采用分級(jí)淬火或等溫淬火工藝硬度不足淬火溫度低或加熱時(shí)間短回火加熱溫度高或保溫時(shí)間長(zhǎng)冷卻不當(dāng)分級(jí)溫度過高引起二次硬化物析出或冷至室溫則進(jìn)行清洗氧化脫碳進(jìn)行返修處理，退火后淬火+回火表面脫碳脫氧不良，撈雜不徹底表面的氧化皮帶入爐中進(jìn)行正常的鹽浴脫氧，確保工件的表面清潔對(duì)工件夾具進(jìn)行噴砂或拋丸表面腐蝕刀具加熱過程中，在空氣與鹽浴交接處，出現(xiàn)腐蝕麻點(diǎn)鹽浴中夾雜物超標(biāo)工件的放置不當(dāng)淬火、回火后應(yīng)及時(shí)處理表面的殘?jiān)邴}浴中浸一下可保證工件的表面清潔鹽浴按時(shí)脫氧，化驗(yàn)合格后才能夠批量生產(chǎn)（八）、繪制必要的工裝圖 輔助工序：淬火會(huì)產(chǎn)生淬火應(yīng)力，有可能是不見發(fā)生變形，所以進(jìn)行校直，而清洗是為了去除部件表面的油污、氧化物等雜質(zhì)，避免對(duì)后續(xù)的回火工藝產(chǎn)生不良影響。刃部淬火后熱水清洗槽清洗，檢測(cè)硬度及脫碳情況，尾部處理后也要檢測(cè)硬度，最終校直，清洗后和淬火、回火