課程設(shè)計論文--熱處理工藝設(shè)計

1、沈陽理工大學(xué)熱處理工藝課程設(shè)計目錄第一章熱處理工設(shè)計目的 . 1第二章課程設(shè)計任務(wù) . 1第三章熱處理工藝設(shè)計方法 . 13.1 設(shè)計任務(wù) . 13.2 設(shè)計方案 . 2 3.2.1 12CrNi3葉片泵軸的設(shè)計的分析 . 2 3.2.2 鋼種材料 . 23.3設(shè)計說明 . 3 3.3.1 加工工藝流程 . 3 3.3.2 具體熱處理工藝 . 43.4 分析討論 . 11第4章 結(jié)束語 . 13參考文獻 . 14II12CrNi3葉片泵軸的熱處理工藝設(shè)計一. 熱處理工藝課程設(shè)計的目的熱處理工藝課程設(shè)計是高等工業(yè)學(xué)校金屬材料工程專業(yè)一次專業(yè)課設(shè)計練習(xí)，是熱處理原理與工藝課程的最后一個教學(xué)環(huán)節(jié)。其

2、目的是：（1）培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)的熱處理課程的知識去解決工程問題的能力，并使其所學(xué)知識得到鞏固和發(fā)展。（2）學(xué)習(xí)熱處理工藝設(shè)計的一般方法、熱處理設(shè)備選用和裝夾具設(shè)計等。（3）進行熱處理設(shè)計的基本技能訓(xùn)練，如計算、工藝圖繪制和學(xué)習(xí)使用設(shè)計資料、手冊、標準和規(guī)范。二. 課程設(shè)計的任務(wù)進行零件的加工路線中有關(guān)熱處理工序和熱處理輔助工序的設(shè)計。根據(jù)零件的技術(shù)要求，選定能實現(xiàn)技術(shù)要求的熱處理方法，制定工藝參數(shù)，畫出熱處理工藝曲線圖，選擇熱處理設(shè)備，設(shè)計或選定裝夾具，作出熱處理工藝卡。最后，寫出設(shè)計說明書，說明書中要求對各熱處理工序的工藝參數(shù)的選擇依據(jù)和各熱處理后的顯微組織作出說明。三. 熱處理工藝設(shè)計

3、的方法1. 設(shè)計任務(wù) 12CrNi3葉片泵軸零件圖如圖3.1圖3.1 12CrNi3葉片泵軸2、設(shè)計方案2.1.工作條件 葉片泵是由轉(zhuǎn)子、定子、葉片和配油盤相互形成封閉容積的體積變化來實現(xiàn)泵的吸油和壓油。葉片泵的結(jié)構(gòu)緊湊，零件加工精度要求高。葉片泵轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，葉片在離心力和壓力油的作用下，尖部緊貼在定子內(nèi)表面上。這樣兩個葉片與轉(zhuǎn)子和定子內(nèi)表面所構(gòu)成的工作容積，先由小到大吸油再由大到小排油，葉片旋轉(zhuǎn)一周時，完成兩次吸油與排油。泵軸在工作時承受扭轉(zhuǎn)和彎曲疲勞，在花鍵和頸軸處收磨損。因此，要求軸有高的強度，良好的韌性及耐磨性。2.1.1失效形式 葉片泵軸的主要失效形式是疲勞斷裂，在花鍵和軸頸處可能發(fā)

4、生工作面的磨損、咬傷，甚至是咬裂。2.1.2性能要求 根據(jù)泵軸的受力情況和失效分析可知 ,葉片泵軸主要是要求軸具有高的強度，良好的韌性及耐磨性，以保證軸在良好的服役條件下長時間的工作。2.2鋼種材料 12CrNi3A鋼屬于合金滲碳鋼，比12CrNi2A鋼有更高的淬透性，因此，可以用于制造比12CrNi2A鋼截面稍大的零件。該鋼淬火低溫回火或高溫回火后都具有良好的綜合力學(xué)性能，鋼的低溫韌性好，缺口敏感性小，切削加工性能良好，當硬度為HB260320時，相對切削加工性為60%70%。另外，鋼退火后硬度低、塑性好，因此，既可以采用切削加工方法制造模具，也可以采用冷擠壓成型方法制造模具。為提高模具型腔

5、的耐磨性，模具成型后需要進行滲碳處理，然后再進行淬火和低溫回火，從而保證模具表面具有高硬度、高耐磨性而心部具有很好的韌性，該鋼適宜制造大、中型塑料模具。 12CrNi3高級滲碳鋼的淬透性較高 ,退火困難。由于不滲碳表面未經(jīng)鍍銅防滲 ,因此滲碳后進行低溫回火 , 降低硬度 , 便于切去不滲碳表面的滲碳層 。材料加工成葉片泵軸需進行復(fù)雜的化學(xué)熱處理，使心部硬度為HRC31HRC41，表面硬度不低于HRC60，從而使泵軸表面有較高硬度，心部呈現(xiàn)一定的韌性，以適應(yīng)泵軸的工作環(huán)境；并且嚴格規(guī)定了表層的含碳量、組織均勻性、晶粒度及化學(xué)熱處理等1。3. 設(shè)計說明3.1加工工藝流程 葉片泵軸的制造工序基本上相

6、同，對于不同的鋼種，在其熱處理時有些許差異。一般都采用棒料經(jīng)鍛造正火機加工滲碳淬火回火矯直機加工。12CrNi3鋼的化學(xué)成分見表3.12成分分析：表 3.1 12CrNi3鋼的化學(xué)成分 化學(xué) 成分CSiMnSPCrNiCu含量%0.100.150.170.370.300.60 允許殘余含量0.035 允許殘余含量0.0350.600.902.753.15 允許殘余含量0.030 鋼的含碳量可保證形成大量的合金碳化物，淬火加熱時，一部分融入奧氏體中，提高其穩(wěn)定性，同時也使馬氏體中的合金元素含量增加，保證其硬度；而未溶的碳化物則起細化晶粒、提高韌性的作用并提高鋼的耐磨性。 Cr是12CrNi3合金

7、鋼中主要的合金元素，它使鋼的淬透性大大增加，提高其回火穩(wěn)定性，并產(chǎn)生二次硬化現(xiàn)象。鉻與碳形成高硬度的碳化物，加熱時未溶的碳化物可細化晶粒、提高鋼的耐磨性的作用。 錳和硅是煉鋼過程中必須加入的脫氧劑，用以去除溶于鋼液中的氧。它還把鋼液中的氧化鐵還原成鐵，并形成氧化錳和二氧化硅。錳除了脫氧作用外，還有除硫作用，即與鋼液中的硫結(jié)合成MnS,從而在相當大成度上消除硫在鋼中的有害影響。這些反應(yīng)產(chǎn)物大部分進入爐渣，小部分殘留與鋼中，成為非金屬夾雜物。脫氧劑中的錳和硅會有一部分溶于鋼液中，冷至室溫后即溶于鐵素體中，提高鐵素體的強度。硅溶于鐵素體中后有很強的固溶強化作用，顯著提高鋼的強度和硬度。 Ni也是12

8、CrNi3合金鋼中的主要元素。它的存在提高了鋼的強度，而不降低其塑性，改善了鋼鐵的低溫韌性降低了鋼鐵的臨界冷卻速度，提高鐵的淬透性擴大奧氏體區(qū)，是奧氏體化的有效元素2。3.2具體熱處理工藝 3.2.1試樣熱處理工藝正火目的：正火使晶粒細化和碳化物分布均勻化，去除材料的內(nèi)應(yīng)力，降低零件硬度，提高切削性能，為滲碳做預(yù)處理。因為12CrNi3合金鋼淬透性較高，退火困難，因此一般不用退火。正火工藝加熱溫度：92010，根據(jù)化學(xué)成分計算Ac3溫度：Ac3=910-203C0.5-13.2Ni+44.7Si+104V+31.5Mo+13.1W874，故正火選擇（Ac3+30-50）即92010。正火保溫時

9、間：加熱保溫時間經(jīng)驗公式：t=KD,-加熱系數(shù)，空氣電阻爐-合金鋼取1.3-1.6（min/mm）；K為裝爐修正系數(shù)，取1-1.5；D-工件的有效厚度（mm），當高度（h）/壁厚（）1.5時，以h計。故最終保溫時間：t=KD=1.61.540=96min，取2h。正火后的組織：P+少量F9202h正火曲線：空冷溫度/o時間/h正火爐如表3.2表3.2 箱式電阻爐型號參數(shù)型號名稱額定功率（kw）額定溫度（）額定電壓（v）相數(shù)工作區(qū)尺寸（mm）最大裝載量（kg）RX3-15-9 15950380365030025080正火爐選擇RX3-15-9箱式電阻爐，使用電加熱，節(jié)約成本正火工裝如圖3.2：圖

10、3.2 正火工裝尺寸圖注：壁厚為10mm 裝爐量：12個/批3.2.2滲碳處理 12CrNi3合金鋼滲碳處理一般在初磨之后，精磨之前。其滲碳溫度一般在920940表面滲碳處理:將含碳的鋼放到碳勢高的環(huán)境介質(zhì)中,通過讓活性高的碳原子擴散到鋼的內(nèi)部,形成一定厚度的碳含量較高的滲碳層,再經(jīng)過淬火回火,使工件的表面層得到碳含量高的鋼,而心部因碳含量保持原始濃度而得到碳含量低的合金鋼,合金鋼的硬度主要與其碳含量有關(guān),故經(jīng)滲碳處理和后續(xù)熱處理可使工件獲得外硬內(nèi)韌的性能.滲碳處理的作用是:提高表面層的耐磨性,同時保持心部有高的耐沖擊能力,即強韌性。 滲碳后的冷卻方式一般采用空冷3。 滲碳溫度：920-940

11、，（Ac3+30-50）目前生產(chǎn)中，經(jīng)常使用的氣體滲碳溫度范圍是900-940。取930，此溫度既可以滿足滲層深度要求，又能縮短滲碳所需時間。低于此溫度范圍滲碳速度過低；而超出此溫度范圍太多會使奧氏體晶粒粗大，降低零件的力學(xué)性能。6 滲碳方式：采用滴注式氣體滲碳。把含碳有機液體滴入或注入氣體滲碳爐內(nèi)，含碳有機液體受熱分解產(chǎn)生滲碳氣氛，對工件進行滲碳。滴注式氣體滲碳設(shè)備簡單，多用煤油作滲碳劑，成本低廉，主要應(yīng)用于周期式氣體滲碳爐7 800t 滲劑選擇：甲醇和煤油。103700/T 保溫時間：4h。根據(jù)哈里斯公式：D=算出D=3.45h，故滲碳時間取4h。滲碳爐如表3.3：表3.3 井式滲碳爐型號

12、型號額定功率（KW）額定溫度（）額定電壓（V）相數(shù)工作區(qū)尺寸（mm）最大裝載量（kg）質(zhì)量（kg）RQ3-25-9259503803300450501700RQ3-35-93595038033006001001850RQ3-60-96095038034506001502650根據(jù)零件尺寸選擇RQ3-60-9設(shè)備性能、規(guī)格、溫度、加熱方式：額定功率60KW，額定溫度950，使用電加熱。滲碳淬火工裝主視圖，俯視圖如圖3.3： 圖3.3 工裝主視圖、俯視圖尺寸圖 裝爐量：12個/批滲碳淬火曲線如圖3.4:爐內(nèi)降溫930800擴散強滲溫度/22100油淬2040130140煤油/（滴/min）1001

13、30甲醇/（滴/min）1301300.5130140時間/ho圖3.4 滲碳淬火曲線裝爐排氣時，連滴甲醇35滴后調(diào)整到130140滴/min3.2.3淬火+低溫回火熱處理 鋼的淬火與回火是熱處理工藝中最重要，也是用途最廣泛的工序。淬火可以顯著提高鋼的強度和硬度。為了消除鋼的殘留內(nèi)應(yīng)力，得到不同強度，硬度和韌性配合的性能，需要配以不同溫度的回火。所以淬火和回火又是不可分割的，緊密聯(lián)系在一起的兩種熱處理工藝。淬火的主要目的是使奧氏體化后的工件獲得盡量多的馬氏體，然后配以不同溫度的回火獲得各種需要的性能。 12CrNi3葉片泵軸的淬火。淬火加熱規(guī)范決定了奧氏體的實際晶粒度及碳化和合金元素的固溶度對

14、馬氏體的形態(tài)及回火的性能(硬度、強度、塑性、回火穩(wěn)定性、淬火回火時的體積變形)都有顯著的影響。當加熱到Ac1溫度(約810)以上時。原始組織索氏體和碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體和碳化物。隨著加熱溫度升高，合金碳化物繼續(xù)向奧氏體中溶解增加了奧氏體中C和Cr的濃度，淬火馬氏體的硬度增加，其耐磨性也越強，沖擊韌度逐漸升高。12CrNi3泵軸的淬火在井式爐中加熱至93010滴注甲醇或煤油滲碳，時間為4h，降溫至80010，保溫0.5h,直接淬冷于油槽中。 淬火加熱溫度 鋼的淬火加熱溫度與鋼的含碳量有關(guān)，共析鋼和過共析鋼的淬火溫度為Ac1+（30-50）；亞共析鋼的加熱溫度為Ac3+（30-50），且一般在空氣爐

15、中加熱比在鹽浴爐中加熱高10-30，綜合考慮淬火加熱溫度印在區(qū)間81010，在此選800。淬火介質(zhì)：通過對比，最終選用N1（10號）機械油。 依據(jù)：本著淬火烈度最低的原則，該冷卻介質(zhì)冷卻能力適中適合12CrNi3小件零件的淬火工藝處理。其低溫區(qū)冷卻能力遠小于水，可以減少工件應(yīng)力的產(chǎn)生，減少由于內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的變形和開裂?？晒┻x擇的幾種冷卻介質(zhì)的冷卻能力見于表3.4表3.4 幾種冷卻介質(zhì)的冷卻能力 注：油溫20冷卻能力普通淬火油N1機械油N3機械油特性溫度/633460490特性時間/s2.254.84.75800400冷卻/s3.155.055.25800300冷卻/s4.557.28.85 加熱

16、與保溫時間 爐中的工件應(yīng)在規(guī)定的加熱溫度范圍內(nèi)保持適當?shù)臅r間，以保證必要的組織轉(zhuǎn)變和擴散。加熱與保溫時間一共有三部分組成：由零件入爐到達指定工藝溫度所需升溫時間（1）、透熱時間（2）以及組織轉(zhuǎn)變所需時間（3）組成。1+2由設(shè)備功率、加熱介質(zhì)以及工件尺寸、裝爐數(shù)量等決定，3則與鋼材的成分、組織以及熱處理技術(shù)要求等有關(guān)。常用的經(jīng)驗公式為：=KD 式中：加熱時間，min；加熱時間系數(shù)，min/mm； K裝爐量修正系數(shù)； 工件有效厚度，mm。對于圓柱形工件的有效厚度，但高度大于直徑時，可按直徑為有效厚度進行計算，圖中的工件的毛坯直徑為40mm，即工件的有效厚度為40mm，加熱系數(shù)和裝爐修正系數(shù)見下表，

17、對于12CrNi3合金滲碳鋼，1.2，2.0，則121.324030min，考慮到透熱之后，因而我選擇0.5h的保溫時間4。 12CrNi3葉片泵軸的低溫回火 回火溫度 低溫回火溫度為180，保溫1h?；鼗鹬械闹饕M織為回火馬氏體?；鼗瘃R氏體既保持了鋼的高硬度，高強度和良耐磨性，又適當提高了韌性。經(jīng)淬火并低溫回火后得到隱晶回火馬氏體和均勻細小的粒狀碳化物組織，具有很高的硬度和耐磨性，同時降低了鋼的淬火應(yīng)力和脆性5。 回火時間從工件入爐后爐溫升至回火溫度時開始計算?；鼗饡r間一般為1-3h，本設(shè)計中的零件的有效厚度為40mm，選擇回火爐為井式電爐，與滲碳爐使用一種爐。回火保溫時間如圖表3.5表3.

18、5 回火保溫時間參考低溫回火（150-250）有效厚度/mm2525-5050-7575-100100-125125-150保溫時間/min30-6060-120120-180180-240240-270270-300回火工藝曲線如圖3.5：溫度/1801h時間/h圖3.5 回火工藝曲線3.2.4 熱處理后檢驗方法 外觀檢測和方法選擇工件表面不能有淬火裂紋,銹蝕和影響使用性能的缺陷。一般通過磁粉探傷或其他無損檢測設(shè)備。 金相組織檢驗淬火后一般得到馬氏體組織，由于奧氏體化溫度不同，馬氏體形態(tài)的大小不一樣，一般分為8級，1級屬于奧氏體化溫度偏低，淬火組織是是隱晶馬氏體+細針狀馬氏體和不大于5%的鐵

19、素體。而8級屬于過熱組織，是粗大的板條狀馬氏體+片狀馬氏體。正常淬火是2至4級，其組織委細小的板條馬氏體+片狀馬氏體。之后用金相顯微鏡觀察，確定所屬等級。表面淬火后的金相組織按馬氏體大小分為10級，4到6級是正常組織，為細小馬氏體，1到3級是粗大或中等大小的馬氏體，因淬火加熱溫度偏高引起，7到10級組織中有未溶鐵素體或網(wǎng)狀托氏體。之后用金相顯微鏡觀察，確定所屬等級。3.2.5 熱處理工藝曲線圖0.5h時間/hO溫度/9209308001802h4h1h油淬爐內(nèi)降溫空冷圖3.6 熱處理工藝曲線總圖4.分析與討論 4.1 材料的組織性能 12CrNi3鋼在860第一次淬火加熱時，碳化物的熔解少，基

20、體的含碳量在0.10%-0.17%左右，Cr在0.6%-0.9%，硫和磷的碳化物熔解更少，Ni為主要元素。 12CrNi3葉片泵軸由900920滲碳780800油 淬(-40)(-70)冰冷處理150200回火（低溫）后，滲碳層硬度HRC58。滲碳層碳化物擴散層較淺，約0.15mm。淬透性d50mm，心部組織較粗大。滲碳層碳化物擴散層較深，約0.30mm0.45mm，滲碳層硬度由表及里遞減平緩，心部組織較細小。明顯的變形量產(chǎn)生于熱處理工序，尤其是在滲碳淬火冷卻過程中，滲碳淬火處理時，稍有不慎會受到一些不良因素的影響，使工藝加工質(zhì)量出現(xiàn)異常波動，未及時發(fā)現(xiàn)就可能造成這一天加工的整批泵軸變形超差，

21、甚至全部報廢。需要著重控制的幾個主要因素是 ： 滲碳軸的表面碳濃度，滲層深度會對滲層組織的膨脹系數(shù)產(chǎn)生影 響，滲碳軸的表面碳濃度、滲層深度不同時，其公法線的變形就不 一樣 。如果滲碳時不對爐氣碳勢及工藝過程進行嚴格控制，每爐零件的表面碳濃 度 、 滲層深度都不一樣而且波動很大，就會造成軸變形沒有規(guī)律 。裝爐方式：工件各部位冷卻的不同步，決定了工件存在內(nèi)應(yīng)力，在一定條件下會產(chǎn)生變形 。 淬火溫度：共滲溫度與淬火溫度對變形有很大影響，共滲溫度與淬火溫度越高，花鍵孔的收縮量越大，且淬火溫度的影響更明顯。這是因為淬火溫度越高，產(chǎn)生的組織應(yīng)力越大、變形越大，但淬火溫度不宜過低 ，否則共滲層會出現(xiàn)非馬氏體

22、組織，對零件的性能不利 。 淬火介質(zhì)：淬火介質(zhì)的冷卻特性是影響泵軸縮孔的重要因素。如果能合理地選擇淬火介質(zhì)，可把淬火泵軸的縮孔控制在工藝，條件規(guī)定的范圍內(nèi)。通過長期摸索，得到合適的熱處理工藝，可以將變形量控制到最小。4.2 熱處理缺陷分析 硬度過高，其產(chǎn)生的可能原因：冷卻速度快，組織中珠光體片間距變細，可以通過調(diào)整冷卻方式或冷卻介質(zhì)來預(yù)防；保溫時間短，組織均勻化為完成，可以適當延長保溫時間；裝爐量大，爐溫不均勻，可以適當減小裝爐量。重新退火，嚴格控制工藝參數(shù)，可消除硬度過高缺陷 過熱及過燒，其產(chǎn)生的原因如下：加熱溫度過高，使晶界氧化或局部熔化。防止措施：（1）防止零件在加熱過程中產(chǎn)生過熱現(xiàn)象，

23、根據(jù)選用的設(shè)備制定正確合理的熱處理工藝參數(shù)；（2）在操作過程中嚴格控制加熱溫度、保溫時間，或采取預(yù)熱等降低加熱速度的措施，盡可能消除晶粒長大的因素。 氧化、脫碳，產(chǎn)生原因：加熱時爐溫較高，過剩空氣量大，爐內(nèi)氣氛呈氧化性。對策：避免加熱溫度過高，避免保溫時間過長控制爐氣為中性或還原性氣氛鑄件表面涂防氧化涂料或石灰采用防護罩或鐵屑、木炭，將鑄件與爐氣隔離 裂紋，產(chǎn)生原因：鑄件入退火爐前有較大內(nèi)應(yīng)力；鑄件入爐時爐溫過低，或低溫時加熱速度過快，產(chǎn)生的熱應(yīng)力較大。對策：嚴格控制入爐溫度，低溫階段加熱速度應(yīng)緩慢 變形，產(chǎn)生原因：支墊不良（支點少，未墊實）； 加熱溫度不均勻，冷速過快，熱應(yīng)力過大；擺放不正，

24、或工件與工件互相擠壓；對策：合理增加支點，仔細墊實；薄壁箱體類件上部避免壓工件；鑄件成垛裝爐，支墊面不得有飛邊、毛刺、凸起物；入爐前，先劃線檢查；裝爐時，針對變形情況支壓剛出爐件不得吊放在風(fēng)中冷卻。 回火缺陷的原因和控制 回火硬度偏高：由于回火不足，即回火溫度低、回火時間不夠?？梢蕴岣呋鼗饻囟?、延長回火時間來解決。 回火硬度低：由于溫度過高或淬火組織中有非馬氏體?？梢越档突鼗饻囟群痛慊鸸に噥斫鉀Q。 回火硬度不均勻：回火爐溫不均、裝爐量過多造成。 網(wǎng)狀裂紋：回火加熱速度過快，表層產(chǎn)生多項拉應(yīng)力?？梢圆捎幂^慢的回火加熱速度。 回火開裂：淬火后未及時回火形成顯微裂紋?？梢詼p少淬火應(yīng)力，并在淬火后及時

25、回火。 四.結(jié)束語 通過分析可知，12CrNi3鋼經(jīng)淬火低溫回火或高溫回火后都具有良好的綜合力學(xué)性能，鋼的低溫韌性好，缺口敏感性小，切削加工性能良好，當硬度為HB260320時，相對切削加工性為60%70另外，鋼退火后硬度低、塑性好，因此，既可以采用切削加工方法制造模具，也可以采用冷擠壓成型方法制造模具。為提高模具型腔的耐磨性，模具成型后需要進行滲碳處理，然后再進行淬火和低溫回火，從而保證模具表面具有高硬度、高耐磨性而心部具有很好的韌性，該鋼適宜制造大、中型塑料模具，但該鋼有回火脆性傾向和形成白點的傾向。目前導(dǎo)致模具損壞的因素很多，但主要的還是鍛造工藝或熱處理工藝不盡合理而造成的。12CrNi3是高級滲碳鋼，與15Cr、20Cr鋼相比，其強度、塑性、淬透性均高。主要用來制作重負荷條件下要求高強度，高硬度和高韌性的主軸及要