40Cr連桿正火-調(diào)質(zhì)熱處理工藝設(shè)計(jì)

1、遼寧工業(yè)大學(xué)工藝 課程設(shè)計(jì)（論文）題目： 40Cr 連桿正火 -調(diào)質(zhì)熱處理工藝設(shè)計(jì)院（系 ）：材料科學(xué)與工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)：材料 103學(xué)號(hào)：100208091學(xué)生姓名：董國(guó)建指導(dǎo)教師：商劍起止時(shí)間：2013-7-12013-7-12課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語院（系）：材料科學(xué)與工程學(xué)院教研室： 材料科學(xué)與工程教研室學(xué)號(hào)100208091學(xué)生姓名董國(guó)建專業(yè)班級(jí)材料 103課程設(shè)計(jì) （論 文） 題目40Cr 連桿正火調(diào)質(zhì)熱處理工藝設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)（論文）要求與任務(wù)一、課設(shè)要求熟悉設(shè)計(jì)題目， 查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，概述相關(guān)零件的熱處理工藝，進(jìn)行零件 的服役條件與失效形式分析，提出硬度、耐磨性、強(qiáng)度等要求。完

2、成工藝設(shè)計(jì)。 闡述 40Cr 連桿正火調(diào)質(zhì)熱處理工藝?yán)碚摶A(chǔ)，選擇設(shè)備、儀表和工夾具，闡述 連桿熱處理質(zhì)量檢驗(yàn)項(xiàng)目、 內(nèi)容及要求； 闡明連桿熱處理常見缺陷的預(yù)防及補(bǔ)救 方法；給出所用參考文獻(xiàn)。二、課設(shè)任務(wù)1.主動(dòng)連桿材料的選擇（要求在滿足零件使用性能的前提下，兼顧經(jīng)濟(jì)性和工藝 性，合理選擇材料）；2.給出 40Cr 的 C 曲線；3.給出 40Cr 連桿冷熱加工工藝流程圖；4.制定 40Cr 連桿正火調(diào)質(zhì)熱處理工藝。三、設(shè)計(jì)說明書要求設(shè)計(jì)說明書包括三部分： 1）概述； 2）工藝設(shè)計(jì)； 3）熱處理工藝卡； 4）參 考文獻(xiàn)。設(shè)計(jì)說明書結(jié)構(gòu)見工藝設(shè)計(jì)模板 。作 計(jì) 劃集中學(xué)習(xí) 0.5天，資料查閱與學(xué)

3、習(xí)，討論 1.5天，設(shè)計(jì) 7天：1）概述0.5天， 2）服役條件與性能要求 0.5天，3）失效形式、材料的選擇 0.5 天，4）結(jié)構(gòu)形狀 與熱處理工藝性 0.5 天，5）冷熱加工工序安排 0.5 天，6）工藝流程圖 0.5天，7） 熱處理工藝設(shè)計(jì) 2 天，8）工藝的理論基礎(chǔ)、原則 0.5 天，9）設(shè)計(jì)工夾具 0.5 天， 10）可能出現(xiàn)的問題分析及防止措施 0.5 天， 11）熱處理質(zhì)量分析 0.5 天，設(shè)計(jì) 驗(yàn)收 1 天。成績(jī)：學(xué)生簽字：指導(dǎo)教師簽字：年月日目錄1 連桿熱處理工藝概述 12 連桿的熱處理工藝設(shè)計(jì) 22.1 連桿的服役條件和失效形式 22.2 連桿技術(shù)要求及示意圖 22.3 連

4、桿材料選擇 32.4 40Cr 的化學(xué)成分 42.5 40Cr 的 C 曲線 42.5 連桿的加工工藝流程圖 52.6 40Cr 連桿的正火、調(diào)質(zhì)熱處理工藝 52.7 40Cr 連桿的正火、調(diào)質(zhì)熱處理工藝?yán)碚?72.8 40Cr 連桿熱處理的設(shè)備、儀表和工夾具選擇 82.9 40Cr 連桿的熱處理質(zhì)量檢驗(yàn)項(xiàng)目、內(nèi)容及要求 112.10 40Cr 連桿的熱處理常見缺陷的預(yù)防及補(bǔ)救方法 123 熱處理工藝卡 . 133.1 40Cr 連桿正火工藝卡 133.2 40Cr 連桿淬火工藝卡 143.1 40Cr 連桿回火工藝卡 154 參考文獻(xiàn) . 161 連桿熱處理工藝概述汽車連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)中一個(gè)重要

5、的連接零件，在工作時(shí)它承受沖擊性的、周期變化的拉 應(yīng)力和裝配時(shí)的預(yù)應(yīng)力，要求它具有足夠的強(qiáng)度、沖擊韌性和抗疲勞性能。 40Cr 屈服強(qiáng)度 及淬透性均比 40 鋼高，臨界淬透直徑 :油中約為 15-40 mm, 水中約為 28-60 mm。斷面尺 寸在 50mm 時(shí)， 油淬無自由鐵素體析，故有較高的疲勞強(qiáng)度，當(dāng)含水碳量下限時(shí)，經(jīng)淬 火和回火后，除能獲得較高的強(qiáng)度外，還有良好的韌性，水淬時(shí)，形狀復(fù)雜的零件容易形 成開裂，在 450-680mm 回火時(shí)，有第二類回火脆性傾向， 但可隨著截面尺寸的減少而減弱， 白點(diǎn)敏感性較大，所以鍛后宜緩冷，冷變塑性中等，冷頂鍛前最予以球化處理，正火或調(diào) 質(zhì)后，可削性

6、很好，正火后可削性也較好。2 連桿的熱處理工藝設(shè)計(jì)2.1 連桿的服役條件和失效形式2.1.1 服役條件（1）連桿機(jī)構(gòu)中兩端分別與主動(dòng)和從動(dòng)構(gòu)件鉸接以傳遞運(yùn)動(dòng)合理的桿件。在發(fā)動(dòng)機(jī) 工作過程中，連桿要承受膨脹氣體的作用，還要承受縱向和橫向的慣性力。在一個(gè)復(fù)雜的 應(yīng)力狀態(tài)下工作。它既收交變的拉壓應(yīng)力，又受彎曲應(yīng)力。因此連桿負(fù)載種類為疲勞沖擊。（2）連桿受到的應(yīng)力狀態(tài)主要受拉應(yīng)力和壓應(yīng)力。2.1.2 失效形式 連桿的主要損壞形式是疲勞斷裂和過量變形。通常疲勞斷裂的部位是在連桿上的三個(gè) 高應(yīng)力區(qū)域。連桿的工作條件要求連桿具有較高的強(qiáng)度和抗疲勞性能；又要求具有足夠的 鋼性和韌性。2.2 連桿技術(shù)要求及示意

7、圖2.2.1 技術(shù)要求 具有良好的綜合力學(xué)性能，即高的強(qiáng)度，良好的塑性和韌性。 （1）在力學(xué)方面，鋼材經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，性能應(yīng)能達(dá)到零件要求的性能指標(biāo)。根據(jù)大 多數(shù)調(diào)質(zhì)件對(duì)力學(xué)性能要求來看，其性能指標(biāo)在如下范圍內(nèi)。b ： 600-1200MPas ： 320-800MPas / b ： 50-60% ： 10-20% ： 40-50% 布氏硬度： 170-320HB （2）在工藝性能方面，除應(yīng)具有良好的鍛造性和切削加工性以外，最重要的是淬透 性，以盡量提高鋼件的淬透性。2.2.2 連桿示意圖圖 1 為汽車連桿零件示意圖圖 1 汽車連桿示意圖2.3 連桿材料選擇連桿的工作條件要求連桿具有較強(qiáng)的強(qiáng)度和

8、抗疲勞性能，又要求具有足夠的鋼性和韌 性。連桿加工工藝中其材料一般采取 45 鋼，40Cr 或 40MnB 等調(diào)質(zhì)鋼，合金鋼雖具有很高 強(qiáng)度，但對(duì)應(yīng)力集中很敏感。所以，在連桿外形，過度圓角等方面需嚴(yán)格要求，還應(yīng)注意 表面加工質(zhì)量以提高疲勞強(qiáng)度，否則高強(qiáng)度合金鋼的應(yīng)用并不能到達(dá)零件的工藝分析。鋼的性能決定于鋼的組織，而鋼的組織又與其淬透性有直接關(guān)系。實(shí)踐證明，完全淬 透適當(dāng)回火后，鋼具有最好的綜合力學(xué)性能。當(dāng)零件完全淬透時(shí)，不論碳鋼或合金鋼，要 回火到相同硬度，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度也基本相同。對(duì)于調(diào)質(zhì)鋼來講，加入 合金元素主要是為了提高鋼件的淬透性，因此常加入合金元素有Mn ，Si，C

9、r，Mo ，B 等提高鋼的強(qiáng)度和韌性，增加淬透性。因此，連桿可選用 40Cr 合金鋼2.4 40Cr 的化學(xué)成分（1）碳含量： 中碳 Wc ：0.25-0.5%，保證處理后具有足夠的強(qiáng)度， 良好的塑性和韌性。 碳含量太低，強(qiáng)度硬度不足；太高，塑性，韌性降低；為到達(dá)兩者兼顧，取中碳范圍。一 般碳素調(diào)質(zhì)鋼的淬透性低，含量偏上限；合金調(diào)質(zhì)鋼淬透性好，隨著合金元素增加，含碳 量趨于下限。（2）合金元素：主加 Cr，Ni ，Mn， Si，Al 等，提高淬透性，調(diào)質(zhì)處理后有良好的綜 合力學(xué)性能；輔加 W， Mo 元素，防止高溫回火脆性，細(xì)化晶粒，提高回火穩(wěn)定性。加入 放置第二類回火穩(wěn)定的元素：含 Ni ，

10、 Cr，Mn 的合金調(diào)質(zhì)鋼，高溫回火慢冷是以長(zhǎng)生第二 類 回火 脆性。在鋼中加入 Mo， W 可以 防止 第二類回火脆 性， 其適合含量約為 0.15%-0.30%Mo 或 0.8%-1.2 的 W。2.5 40Cr 的 C 曲線圖2是 40Cr的 C曲線圖 2 40Cr 的 C 曲線2.5 連桿的加工工藝流程圖連桿加工工藝流程圖如圖 3 所示。下料 鍛造 正火 調(diào)質(zhì) 噴丸 精加工圖 3 連桿加工工藝流程圖2.6 40Cr 連桿的正火、調(diào)質(zhì)熱處理工藝制造調(diào)質(zhì)鋼 40Cr 連桿采用的熱處理工藝包括預(yù)備熱處理的正火和最終熱處理的調(diào)質(zhì) 處理。2.6.1 鍛造工藝規(guī)范查閱熱處理工藝規(guī)范數(shù)據(jù)手冊(cè)可以找出

11、 40Cr 鋼工藝的加熱溫度、始鍛溫度冷卻 方式，本設(shè)計(jì)具體的鍛造工藝參數(shù)如表 1 所示。表 1 40Cr 鍛造工藝規(guī)范項(xiàng)目加熱溫度 /開始溫度 /終止溫度 /冷卻鋼錠850-8701250-1350835-870緩冷鋼坯800-8201200-1300835-840緩冷2.6.2 正火工藝曲線正火為調(diào)質(zhì)處理做準(zhǔn)備，將工件放入箱式正火爐中進(jìn)行正火。加熱溫度 Ac3+ （30-50）。而 40Cr 材料的 Ac3 是 820由此確定加熱溫度為 850-870。確定保溫時(shí)間 為 120min ，冷卻方式為空冷。圖 4 為正火的工藝曲線圖。溫度 / 圖 4 正火的工藝曲線圖2.6.3 調(diào)質(zhì)工藝曲線1

12、）淬火工藝的制定工件進(jìn)入調(diào)質(zhì)線進(jìn)行工藝處理， 淬火加熱溫度 Ac3+（30-50），而 40Cr 材料的 Ac3 是 820，由此確定加熱溫度為 850-870，確定保溫時(shí)間 80min ，冷卻方式為油冷。圖 5 為淬火工藝曲線圖。圖 5 為淬火工藝曲線圖（2）回火的制定高溫回火溫度為 500-650，確定保溫時(shí)間為 60min；冷卻方式為空冷。 圖 6 為高溫回 火工藝曲線圖 6 高溫回火工藝曲線2.7 40Cr 連桿的正火、調(diào)質(zhì)熱處理工藝?yán)碚?.7.1 正火工藝原理正火是指將鋼材或鋼件加熱到 Ac3 或 Accm以上 30- 50 ，保持適當(dāng)時(shí)間后，在靜止 的空氣中冷卻的熱處理的工藝。鋼件

13、在 Ac3 線以上正火處理，正火的目的是細(xì)化晶粒，減 少組織中的帶狀程度并調(diào)整好硬度以便機(jī)械加工，經(jīng)過正火后的鋼材具有等軸狀的細(xì)晶 粒，對(duì)珠光體鋼也可以 800左右進(jìn)行一次退火以代替正火，可得到同樣的效果，既細(xì)化 晶粒，同時(shí)又改善了切削加工性。正火的方法是將工件加熱到一定溫度下，保溫后，在空 氣中冷卻。正火的目的與退火相似，由于在空氣中冷卻，冷卻速度稍大，正火后得到的組 織比退火的更細(xì)硬度也高一些。與退火相比，正火生產(chǎn)周期短、生產(chǎn)率高，所以應(yīng)盡量用 正火替代退火2.7.2 調(diào)質(zhì)工藝原理1、淬火鋼的淬火是將鋼加熱到臨界溫度 Ac3（亞共析鋼）或 Ac1（過共析鋼）以上某一溫度， 保溫一段時(shí)間，使

14、之全部或部分奧氏體化，然后以大于臨界冷卻速度的冷速快冷到 Ms 以 下（或 Ms 附近等溫）進(jìn)行馬氏體（或貝氏體）轉(zhuǎn)變的熱處理工藝。 淬火的目的是使過冷奧氏體進(jìn)行馬氏體或貝氏體轉(zhuǎn)變， 得到馬氏體或貝氏體組織。 40Cr 工件淬火后應(yīng)采用油冷，40Cr 鋼的淬透性較好，在油中冷卻能淬硬，而且工件的變形、開裂傾向小。2、高溫回火鋼的回火指鋼件經(jīng)淬硬后，再加熱到 Ac1 以下的某一溫度，保溫一定時(shí)間，然后冷卻 到室溫的熱處理工藝。 常見的回火工藝有： 低溫回火，中溫回火， 高溫回火和多次回火等。 回火的目的：主要是消除鋼件在淬火時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力，使鋼件具有高的硬度和耐磨性外， 并具有所需要的塑性和韌性

15、等。 40Cr 的調(diào)質(zhì)處理須高溫回火，得到回火索氏體，具有良 好綜合機(jī)械性能。2.7.3 噴丸噴丸強(qiáng)化是提高連桿抗疲勞性能的有效方法，該技術(shù)在國(guó)外早已得到廣泛的應(yīng)用，國(guó) 內(nèi)一些軍工企業(yè)和先進(jìn)廠家也得到逐步采用，這種工藝方法設(shè)備簡(jiǎn)單，工藝易行，推廣代 價(jià)不高，通過對(duì)毛坯（甚至成品）表面施壓，達(dá)到消除零件的淺表缺陷，構(gòu)筑表面強(qiáng)化層， 保存表面無應(yīng)力狀態(tài)，從而達(dá)到進(jìn)一步挖掘材料的強(qiáng)度潛力，延長(zhǎng)零件使用壽命的顯著效 益。連桿鍛件應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)化噴丸， 可以使材料表層產(chǎn)生劇烈的塑性變形， 晶體點(diǎn)陣發(fā)生畸變， 形成高密度的位錯(cuò)纏結(jié)，從而使表層強(qiáng)化。2.8 40Cr 連桿熱處理的設(shè)備、儀表和工夾具選擇2.8.1

16、設(shè)備1、設(shè)備的選擇汽車半軸是細(xì)長(zhǎng)的工件，在吊掛狀態(tài)下加熱可防止工件產(chǎn)生的變形、彎曲，所以采用 井式電阻爐來加熱工件。正火用爐：箱式電阻爐 箱式電阻爐在熱處理車間應(yīng)用得最多，適用于中小型零件的熱處理，如退火、正火、 回火和固體滲碳等。低、中、高溫箱式電阻爐，分別以電阻絲、硅碳棒、硅鉬棒為發(fā)熱元件， 使用溫度 300 1700。廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科研的各個(gè)領(lǐng)域。箱式電阻爐的主要缺點(diǎn)是冷爐升溫，爐內(nèi)溫差較大，工件容易產(chǎn)生氧化和脫碳，操作 不方便，特別是大型箱式電阻爐，工人在操作時(shí)的勞動(dòng)強(qiáng)度較大。圖 7 為箱式電阻爐，此 爐用于正火處理。圖 7 箱式電阻爐（2）中溫井式電阻爐 這種爐子主要供金屬桿

17、件加熱，根據(jù)爐子大小及爐溫均勻性要求不同，可將爐子分若 干加熱區(qū)進(jìn)行控制，爐蓋可用砂封，水封或油封，一般中、小型爐采用杠桿升降機(jī)構(gòu)。爐 襯用輕質(zhì)粘土磚砌筑。該連桿選用此爐用于淬火。（3）低溫井式電阻爐型號(hào)有 RJJ24-6、 RJJ36-6、RJJ75-6，其最高工作溫度為 650，選一用于工件回火。2.82 儀表的選擇（1）溫度檢測(cè)儀表a、膨脹式溫度計(jì) 玻璃液體溫度計(jì)，測(cè)量范圍 100-800，測(cè)量低溫烘箱、堿浴、油浴、硝鹽浴等的溫 度。b、熱電偶可測(cè) 0-2000范圍內(nèi)各種氣體或液體的溫度，熱電偶應(yīng)根據(jù)加熱設(shè)備的類型、介質(zhì)氣 氛、測(cè)溫范圍和熱處理工藝要求進(jìn)行選擇。c、熱電阻供 200-50

18、0范圍內(nèi)的各種氣體溫度測(cè)量與調(diào)節(jié)。d、半導(dǎo)體溫度計(jì)2）溫度顯示與調(diào)節(jié)儀表a、動(dòng)圈式溫度指示調(diào)節(jié)儀；b、電子自動(dòng)化平衡式溫度顯示與調(diào)節(jié)儀表；c、力矩電機(jī)式溫度指示調(diào)節(jié)儀；d、溫度調(diào)節(jié)器。2.83 熱處理用工夾具、吊具 零件在熱處理過程中，根據(jù)零件的處形、尺寸、批量和所選用的加熱爐型號(hào)，需要各 種吊具和工夾具，以保證零件的加工熱均勻，不至于變形、彎曲，并保證操作安全，由于 加熱半軸的井式電阻爐的爐膛很深，加熱工件時(shí)需用吊具。圖 8 為熱處理工夾具，圖 9為 熱處理吊具。圖 8 熱處理工夾具圖 9 熱處理吊具2.9 40Cr 連桿的熱處理質(zhì)量檢驗(yàn)項(xiàng)目、內(nèi)容及要求（1）顯微組織的檢驗(yàn) 正火是加熱保溫后

19、在空氣中冷卻，真空冷卻比爐冷快，珠光體轉(zhuǎn)變溫度低，因此，正 火后因?yàn)橹楣怏w及可能出現(xiàn)的魏氏組織。按技術(shù)要求及標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢查淬硬層的顯微組織， 殘留奧氏體數(shù)目，有無反常組織，心部組織是否粗大及鐵素體是否超出技術(shù)要求等。（2）外觀形檢查 檢查工件表面有無腐蝕或氧化皮。不得有裂紋及碰傷，表面不得有銹蝕。（3）工件變形檢查 根據(jù)圖樣技術(shù)要求檢查工件的撓曲變形，尺寸及幾何形狀的變化。（4）淬硬層深度檢查感應(yīng)加熱淬火后應(yīng)檢查淬硬層深度， 42CrMo 淬硬層深度應(yīng)在 8mm 左右。（5）硬度檢查在淬火后檢查包括淬硬層表面及心部硬度，一般洛氏硬度 HRC 標(biāo)尺測(cè)量。 40Cr 鋼在 調(diào)質(zhì)，感應(yīng)淬火，低溫回火后，表面硬度可達(dá) HRC50 以上，心部硬度可達(dá) 35-45。2.10 40Cr 連桿的熱處理常見缺陷的預(yù)防及補(bǔ)救方法40Cr 連桿零件的熱處理常見缺陷的預(yù)防及補(bǔ)救方法如表 2 所示表 2 40Cr 連桿零件的熱處理常見缺陷的預(yù)防及補(bǔ)救方法缺陷名稱形成原因預(yù)防補(bǔ)救措施大塊夾雜物冶煉不良加強(qiáng)原材料進(jìn)廠檢驗(yàn)折疊鍛造不良加強(qiáng)鍛件表面質(zhì)量檢驗(yàn)脫碳(1) 、高溫下鍛造加熱時(shí) 間過長(zhǎng)(2)、熱處理操作不當(dāng)控制加熱時(shí)間或通保護(hù)氣氛，防止連桿在鍛造熱處理過程中脫碳硬度低加熱溫度低或淬火冷卻 速度慢重新淬火淬火裂紋淬火冷卻過快，材料成 分不對(duì)注意材料成分和選擇冷卻條件組