配油盘可课程设计.doc

中北大学课程设计设计说明书 第 1 页，共 27 页 目录目录 1 前言.1 2 零件图分析.2 2.1 零件的总体分析 .2 2.2 零件的结构形状分析 .2 2.3 零件的尺寸及技术要求分析 .3 2.4 零件的服役条件及失效形式分析 .3 2.4.1 服役条件.3 2.4.2 失效形式.3 3 材料选择.3 3.1 配油盘的性能要求 .3 3.2 灰口铸铁及铸青铜的性能特点 .3 4 确定加工路线（冷、热加工）.5 5 热处理工艺方法选择.6 5.1 退火工艺的选择 .6 5.2 表面处理工艺的选择 .6 6 制订热处理工艺制度.6 6.1 灰铸铁的热处理基础 .7 6.2 退火工艺的制定 .8 6.2.1 退火方式的确定.8 6.2.2 去应力退火工艺规范的确定.8 6.3 氮碳共渗化学处理工艺的制定 10 6.3.1 表面处理工艺的选择.10 6.3.2 氮碳共渗工艺规范的确定.12 7 热处理组织与性能分析13 8 热处理设备选择14 8.1 去应力退火加热炉的选择 14 8.2 氮碳共渗用炉的选择 15 8.3 热处理冷却设备的选择 15 9 工装设计（夹具、辅具等）16 9.1 工装夹具的选择 16 9.1.1 热处理夹具的选择16 中北大学课程设计设计说明书 第 2 页，共 27 页 9.1.2 去应力退火处理的夹具选择.16 9.1.3 氮碳共渗处理的夹具选择.16 9.1.4 工件的放置情况.16 9.2 清洗设备的选择 18 10 检验设备及方法选择.18 10.1 硬度的检验设备及方法选择 .18 10.2 渗层厚度的检验设备及方法选择 .18 10.3 白色化合物层的检验 .19 10.4 外观检查 .19 10.5 化合物致密程度的测定 .19 10.6 金相组织检验 .19 11 热处理缺陷分析.20 11.1 退火过程中可能产生的缺陷 .20 11.2 氮碳共渗过程中可能产生的缺陷 .21 12 结束语.21 附：工艺卡片.23 参 考 文 献24 中北大学课程设计设计说明书 第 3 页，共 27 页 1 1 前言前言 金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理 一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织， 或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件 的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。为使金属工件具有所需要的力学 性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺 往往是必不可少的。钢铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂， 可以通过热处理予以控制，所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。另外， 铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能， 以获得不同的使用性能。热处理不仅对机械加工的顺利进行和保证加工效果起 着重要作用，而且在改善或消除加工后缺陷，提高工件的使用寿命等方面起着 重要作用。 热处理工艺课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们 迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程我们今天认真的进行课程设计， 学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的 基础。作为一名金属材料工程专业的学生，我觉得这次课程设计是十分有意义 的。大学的专业课程的学习已经基本上结束，我们在课堂上接触的仅仅是专业 基础课上的理论方面，如何去面对现实中的各种热处理工艺设计？如何把我们 学到的专业基础理论和用到实践中去呢？这次专业课程设计就为我们提供了这 样一个平台。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈 向社会，从事职业工作前一个必不少的过程我们今天认真的进行课程设计， 学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的 基础 完成这次课程设计，需要综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识 进行一次热处理设计工作的实际训练从而培养和提高学生独立工作能力，巩固 中北大学课程设计设计说明书 第 4 页，共 27 页 与扩充了专业课程所学的内容，掌握热处理工艺设计的方法和步骤，掌握怎样 根据零件的服役条件选择材料、分析零件的工艺性，确定工艺方案，分析工艺 的可行性。同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提 高。真正做到学以致用并从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以 弥补。 由于本人的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多 指教,我十分乐意接受你们的批评与指正，本人将万分感谢。 2 2 零件图分析零件图分析 图 1 配油盘零件图2 2.12.1 零件的总体分析零件的总体分析 叶片泵是由转子，定子，叶片和配油盘相互形成封闭容积的体积变化来实 现泵的吸油和压油。叶片泵的结构紧凑，零件加工精度要求高。叶片泵转子旋 转时，叶片在离心力和压力油的作用下，尖部紧贴在定子内表面上。这样两个 叶片与转子和定子内表面所构成的工作容积，先由小到大吸油后再由大到小排 油，叶片旋转一周时，完成两次吸油与排油。配油盘又称侧盘。配油盘和转子 端面、叶片端面相对滑动而产生磨损，严重时间隙封破坏，泄漏量加大，泵的 容积效率下降。因此，配油盘应具有良好的耐磨性，是比较重要的叶片泵零件。 液压技术的广泛应用，对液压元件的性能上要求高压、大流量、高转速、高容 中北大学课程设计设计说明书 第 5 页，共 27 页 积效率等方向发展，在结构上要求微型化，在质量上要求高的可靠性。液压元 件的零件特点是体积小而精度要求，在工作中承受复杂的服役条件。因此，在 选材上与热处理上应保证高的强度，良好的韧性，高的耐磨性和尺寸稳定性高。 2.22.2 零件的结构形状分析零件的结构形状分析 零件结构形状如图 1 所示 2.32.3 零件的尺寸及技术要求分析零件的尺寸及技术要求分析 尺寸要求：直径：120mm 厚：14mm 技术要求：碳氮共渗的化合物层深度 510m 2.42.4 零件的服役条件及失效形式分析零件的服役条件及失效形式分析 2.4.1 服役条件 叶片泵在运行过程中，配油盘与转子端面、叶片端面将发生相对滑动而产 生磨损，这时接触部位将产生大量摩擦热，使局部温度升高。 2.4.2 失效形式 叶片泵在运行过程中，配油盘与转子端面、叶片端面将发生相对滑动而易 产生磨损；同时由滑动摩擦产生大量摩擦热，易造成热疲劳现象。 3 3 材料选择材料选择 3.13.1 配油盘的性能要求配油盘的性能要求 根据配油盘的工作状况，可以初步得出其材料应满足的性能要求：一是具 有良好的热硬性和耐磨性，以保证配油盘满足液压元件在高压高速工作下具有 足够好的耐磨性；二是具有良好的疲劳性能，使配油盘零件能够在良好的服役 条件下长时间的工作。 因此，为满足配油盘使用性能的要求，其选择材料原则一般如下：低中压 泵一般采用青铜制造，而高压泵则采用 HT300 高强铸铁制造，并一般施以低温 的化学热处理以提高其耐磨性。为提高配油盘的耐磨性，在最后精加工前一般 进行氮碳共渗。由于液压元件一般要求尺寸精度高，所以配油盘加工精度要求 也较高，为此，热处理过程中要严格控制器畸变。其主要措施是铁丝捆扎、垂 直吊挂加热等。 中北大学课程设计设计说明书 第 6 页，共 27 页 铸件有优良的机械、物理性能，它可以有各种不同的强度、硬度、韧性配 合的综合性能，还可兼具一种或多种特殊性能，如耐磨、耐高温和低温、耐腐 蚀等。铸件的重量和尺寸范围都很宽，重量最轻的只有几克，最重的可达到 400 吨，壁厚最薄的只有 0.5 毫米，最厚可超过 1 米，长度可由几毫米到十几 米，可满足不同工业部门的使用要求。 3.23.2 灰口铸铁及铸青铜的性能特点灰口铸铁及铸青铜的性能特点 在铸铁中中，铸铁按在结晶过程中石墨化程度不同，可分为灰口铸铁、白 口铸铁和马口铸铁，其中灰口铸铁是第一阶段石墨化过程充分进行而得到的铸 铁，全部或大部分碳以片状石墨形态存在，断口呈灰暗色，因此得名，根据基 体组织的不同，灰口铸铁分为铁素体灰口铸铁、铁素体+珠光体灰口铸铁、珠光 体灰口铸铁及变质灰口铸铁，分别如图所示。 表 1 灰铸铁的化学成分范围（质量分数） （%）1 铸铁类型 CSiMnPS 灰铸铁2.54.01.03.00.21.00.0021.00.020.25 表 2 HT300 灰铸铁件的特点及应用范围19 牌号铸铁级别主要特点工作条件应用举例 HT300 高强度、高耐 磨性铸件 集体组织为 100%珠光体， 属于需要孕育 处理的铸件 强度高，耐磨 性好；白口倾 向大，铸造性 能差，需要人 工时效处理 1） 承受高弯曲 力 （50MPa） 及抗拉应力 2） 摩擦面间的 单位压力2 Mpa 3） 要求保持高 度气密性 1） 机械制造中重要的铸 件，如：车床、床身 导轨、压力机等； 2） 高压的液压缸、水缸、 泵体、阀体 3） 镦锻、热锻锻模、冷 冲模 4） 须经表面淬火的零件 铸铁按在结晶过程中石墨化程度不同，可分为灰口铸铁、白口铸铁和马口 铸铁，其中灰口铸铁是第一阶段石墨化过程充分进行而得到的铸铁，全部或大 部分碳以片状石墨形态存在，断口呈灰暗色，因此得名，根据基体组织的不同， 灰口铸铁分为铁素体灰口铸铁、铁素体+珠光体灰口铸铁、珠光体灰口铸铁及变 中北大学课程设计设计说明书 第 7 页，共 27 页 质灰口铸铁。分别如图所示。 铁素体+粗大石墨片 铁素体+珠光体+粗大石墨片 珠光体+粗大石墨片 均匀细小石墨片 图 2 灰铸铁组织图 变质灰口铸铁在灰铸铁基础上经变质处理后，灰色的条状石墨片变得细小 和均匀分布，铸铁性能得到很大的改善其强度、塑性和韧性均比一般灰铸铁好 得多，组织也较均匀。主要用于制造力学性能要求较高铸件 青铜它是红铜和锡、铅的合金，也是金属治铸史上最早的合金。青铜和锡 的比例变化范围很大（从残存人工制品中测得，铜含量为 6795%）青铜具有熔 点低、硬度大、可塑性强、耐磨、耐腐蚀、色泽光亮等特点，适用于铸造各种 器具、机械零件、轴承、齿轮等。因为锡青铜结晶温度范围较宽，流动性差， 不易形成集中缩孔，而易形成枝晶偏析和分散缩孔，铸造收缩率小，有利于得 尺寸极接近于铸型的铸件，所以适于铸造形状复杂，壁厚较大的条件，而不适 宜铸造要求致密度高和密封性好的铸件。 由于配油盘需要很好的耐磨性及工作在高温高压的条件下，而且要求密封 性良好，由以上分析可以看出经孕育处理后的 HT300 与青铜相比，能更好的满 中北大学课程设计设计说明书 第 8 页，共 27 页 足零件的性能要求，所以，高压泵的配油盘尺寸精度高，采用 HT300 高强铸铁 制造，并一般施以低温的化学热处理以提高其耐磨性。 4 4 确定加工路线（冷、热加工）确定加工路线（冷、热加工） 加工工艺主要包括机加工和热处理工艺。机加工是指通过加工机械精确去 除材料的加工工艺。它直接改变毛坯的形状、尺寸和表面质量等，使其成为零 件的过程称为机械加工工艺过程。热处理是将金属材料放在一定的介质内加热、 保温、冷却，通过改变材料表面或内部的金相组织结构,来控制其性能的一种金 属热加工工艺。 该零件结构简单，可以通过铸造铸出毛坯，通过机加工使其成型；之后进 行去应力退火，消除残余内应力。改善其切削性能然后经过机加工使其复合尺 寸要求；再经过化学热处理（氮碳共渗）使表面获得一层化合物渗层，提高零 件表面耐磨性和抗疲劳性能；最后经过研磨，以满足尺寸精度，即可得到所需 的零件。 可采用的工艺流程： 配油盘的整体加工工艺流程：铸出毛坯一次机加工（粗加工）去应力 退火二次机加工（精加工）氮碳共渗研磨。 5 5 热处理工艺方法选择热处理工艺方法选择 5.15.1 退火工艺的选择退火工艺的选择 铸铁经过铸造及粗加工后组织不均匀内应力较大，易变形开裂，所以在精 加工前需施以消除内应力稳定组织为目的的去应力退火。铸铁的内应力主要产 生在有塑性到弹性变形的过渡阶段，这也就是在 620400之间，因此在这个 温度区间内，冷却速度愈慢，内应力就愈小。消除内应力的退火应该是将粗加 工后铸件缓慢加热到高于铸铁塑性变形的温度范围内，然后保温，使铸件各部 分组织均匀，内应力减小。故一般在选用低温去应力退火。 5.25.2 表面处理工艺的选择表面处理工艺的选择 由于叶片泵工作时配油盘和转子端面、叶片端面发生相对滑动而产生磨损， 严重时间隙封破坏，泄漏量加大，泵的容积效率下降，将影响叶片泵进而整个 中北大学课程设计设计说明书 第 9 页，共 27 页 系统的正常工作，故配油盘零件表面要求要有良好的耐磨性，以保证它能长时 间的良好工作。HT300 表面硬度不够高，耐磨性较差，不能满足零件的性能要 求。故一般在最后精加工之前要对其进行表面处理，以达到其工作性能的要求。 灰铸铁中石墨片呈片状，是影响其机械性能的主要矛盾，用普通热处理改善它 的机械性能效果不太显著，故一般不采用表面淬火工艺，而采用表面化学处理， 这里选用氮碳共渗工艺。经过处理后，在表面形成氮碳共渗化合物层，该渗层 硬度高，耐磨性好，而且极大的改善了铸铁的疲劳性能。 6 6 制订热处理工艺制度制订热处理工艺制度 6.16.1 灰铸铁的热处理基础灰铸铁的热处理基础 铸铁是一种以铁、碳、硅为基础的复杂的多元合金，其含碳量（质量分数） 一般在 2.0%4.0%的范围。除碳、硅外，铸铁中还存在锰、磷、硫等元素。 图 3 普通铸铁的碳、硅成分范围1 中北大学课程设计设计说明书 第 10 页，共 27 页 图 4 Fe-C-Si 三元稳定系相图1 中北大学课程设计设计说明书 第 11 页，共 27 页 表 3 灰铸铁的临界温度范围1 化学成分（质量分数）（%）临界温度铸 铁 类 型 CSiMnPSCuMoMgCe Ac1 下 限 Ac1 上 限 Ar1 上 限 Ar1 下 限 3.152.20.670.240.11770830 灰 铸 铁 2.832.170.50.130.09775830765723 铸铁的热处理工艺方法和钢的热处理基本相似，但由于铸铁中石墨的存在 以及化学成分等方面的差异，其热处理又有其特殊性： 控制不同的加热温度和时间，可获得不同比例的 F 和 P 组织，在较大幅 度内调整其力学性能； 与钢相比，铸铁通过合适的热处理，可分别获得相当于高、中、低碳钢 的性能； 控制奥氏体温度和加热、保温、冷却条件，可使铸铁的性能在较大范围 内调整； 碳集中于石墨中，相变过程中碳长做远距离扩散，受到温度和化学成分 等因素很大影响； 热处理一般不能改变石墨的形状和分布特性，铸铁的各项性能指标与基 体中的石墨形态有很大关系，故热处理对铸铁有一定的局限性。 6.26.2 退火工艺的制定退火工艺的制定 6.2.1 退火方式的确定 铸铁的内应力主要产生在有塑性到弹性变形的过渡阶段，这也就是在 620400之间，为消除铸件的残余应力及稳定其几何尺寸，减小或消除切削 加工后产生的畸变，需对铸件进行去应力退火。消除内应力的退火应该是将粗 加工后铸件缓慢加热到高于铸铁塑性变形的温度范围内，为使铸件各部分温度 均匀而予以保温，使铸件各部分组织均匀，然后再缓慢冷却到弹性变形温度范 围内，出炉空冷，故对于本零件需要选用稍微高于塑性变形温度范围内的低温 去应力退火。 6.2.2 去应力退火工艺规范的确定 中北大学课程设计设计说明书 第 12 页，共 27 页 图 5 灰铸铁退火温度与内应力消除程度的关系1 1变形减小程度； 2残留内应力 表 4 灰铸铁去应力退火规范1 6.2.2.1 退火温度的确定 去应力退火温度的确定，必须考虑铸铁的化学成分。去应力退火温度一般 稍高于材料的再结晶温度。铸件的内应力主要产生在 620400之间由塑性变 形到弹性变形的温度范围内，要想消除内应力，必须加热到塑性变形温度以上， 使其从重新冷却，在 620400冷却速度要慢，已达到消除内应力的目的。提 高加热温度可缩短保温时间，但普通灰铸铁当温度超过 550（当含有合金元 素时，渗碳体开始分解的温度将提高到 600左右） ，即可发生部分渗碳体的石 墨化和粒化，使强度和硬度降低，并伴随有组织转变。 中北大学课程设计设计说明书 第 13 页，共 27 页 T再结晶 0.4Tm Tm 为金属的熔点14 6.2.2.2 退火时间的确定 HT300 的退火保温时间选择相当重要，虽不必像淬火加热时间那样精确计 算，但也应该适当选择。时间太长，既影响生产效率（如灰铸铁可经过 11.5 年的自然时效达到去应力退火的目的） ，而且会可能造成工件的严重的氧化脱碳， 使性能恶化；时间太短，则很难使铸件组织完成均匀化，达不到消除内应力和 降低硬度的目的，失去退火的意义。具体加热时间的确定应考虑装炉量和装炉 方式及工件大小，以保证工件透烧和组织转变。对于单个灰铸铁件，保温时间 的前 23 小时内消除内应力的效果最显著。保温时间取决于加热温度和铸件的 大小和复杂程度，必须保证铸件的各部分均匀加热到所需的温度，一般为 28 小时，对于 HT300 为 24 小时。加热速度一般为 100150/h，在塑性变形 与弹性变形的温度范围内，冷却速度要慢，根据零件的复杂程度选择 2050 /h，为了不致使去应力退火后冷却时再发生附加的残余应力，对于大截面工件 需要冷却至 300以下出炉空气中快冷 6.2.2.3 退火冷却方式的确定 冷却方式需要根据冷却速度选择，为了达到消除内应力的目的在塑性变形 与弹性变形的温度范围内（620400） ，在这个范围内，冷却速度越慢内应力 越小，所以冷却速度要慢，根据零件的复杂程度选择 2050/h，所以随炉冷 却是合适的。为了不致使去应力退火后冷却时再发生附加的残余应力，所以铸 件冷却至弹性变形温度范围内出炉空冷，对于大截面工件需要冷却至 300以 下出炉在空气中冷却至室温。 6.2.2.4 退火工艺参数的确定 据计算，工件的质量0.3 吨，壁厚为 14mm（1040mm） ，铸铁熔点 Tm1500，尺寸如图 1。故其工艺参数为去应力退火：加热到（59010）， 保温 3 小时，炉冷到 300以下出炉空冷 6.36.3 氮碳共渗化学处理工艺的制定氮碳共渗化学处理工艺的制定 6.3.1 表面处理工艺的选择 配油盘零件工作环境要求零件应具有的性能为：表面硬度高，耐磨性好， 疲劳性能优良。灰铸铁中石墨片呈片状，是影响其机械性能的主要矛盾，用普 中北大学课程设计设计说明书 第 14 页，共 27 页 通热处理改善它的机械性能效果不太显著，故一般不采用表面淬火工艺，而采 用表面化学处理。金属表面化学热处理是利用元素的扩散性能，使合金元素渗 入金属表层的一种热处理技术。基本工艺过程： 将工件置于含有渗入元素的活性介质中加热到一定温度，使活性介质通 过分解并释放出欲渗入元素的活性原子； 活性原子被工件吸附并溶入表面； 溶入表面的原子向金属表层扩散渗入形成一定厚度的扩散层，从而改变 工件表层的成分、组织和性能。 渗氮工艺特点：可以使金属表面硬度达到 9501200HV，使工件具有极高 的耐磨性；可以使表面产生很大的残余压应力，从而提高疲劳强度；此外还可 以提高工件的耐蚀性能。渗氮能形成优越性能的渗氮层，但由于工艺时间较长 （氮化物形成温度低，扩散较慢，工艺时间较长，如获得 0.5mm 的渗氮层，约 需要 4050h） ，使得生产率太低，成本高，应尽量少用。 渗碳工艺特点：渗碳也可以使工件表面获得高硬度、耐磨性、耐侵蚀磨损 性及接触疲劳强度等，但其也存在许多不足：工艺过程繁琐，渗碳后还要进 行淬火加回火处理，工件变形大，一般不用于高几何尺寸精度要求的零件的处 理；与高频淬火相比，生产成本高；渗碳层硬度和耐磨性不如渗氮层好。 碳氮共渗工艺特点：碳氮共渗是在渗碳和渗氮工艺基础上发展起来的，其 具有前者的优点，同时还具有自己的特点：与渗碳相比，处理温度低，晶粒 不易长大，变形开裂倾向小，能源消耗低；与渗氮相比，工艺周期大大缩短， 对材料适用范围广。但也有其不足，渗后需进行渗后处理，渗后直接淬火或渗 后淬火加回火，虽然变形小，但也要产生变形。 氮碳共渗的工艺特点：热处理温度低，一般在 500600，过程以渗氮为 主，渗碳为辅，渗碳量很小。其有很多优点，应用范围较广：氮碳共渗层有 优良的性能，渗层硬度高，脆性低，有优良的耐磨性、耐疲劳性能、抗咬合性、 热稳定性和抗腐蚀性；工艺温度低，且不淬火，工件变形小；处理时间短， 经济性好；设备简单，工艺易掌握。适用于渗层浅且不承受重载的零件。 通过比较以上四种工艺的特点，结合配油盘性能要求，经济性，我们选用 氮碳共渗工艺。 中北大学课程设计设计说明书 第 15 页，共 27 页 6.3.2 氮碳共渗工艺规范的确定 6.3.2.1 氮碳共渗方式的确定 因为这里需要在较低温度下进行共渗，所以我们需要在固体渗氮、液体渗 氮及气体渗氮中选择。盐浴氮碳共渗是最早采用的氮碳共渗方式，按盐浴中 CN-含量可将氮碳共渗分为低氰、中氰和高氰型。由于环保的原因，中、高氰盐 浴已经逐渐被淘汰。低氰盐浴与氧化配合，排放的废气、废水、废盐中 CN-量 应符合国家规定标准。根据工件的尺寸要求与性能要求，可选择盐浴氮碳共渗 方式进行处理。相比气体氮碳共渗与固体氮碳共渗，盐浴氮碳共渗具有提高耐 磨性、抗疲劳性和耐蚀性等优点，而且经过盐浴氮碳共渗后，工件尺寸及精度 变化极小，对工件的安装、使用等影响甚微。因此选择盐浴氮碳共渗方式处理。 由于尿素型原料无毒，液体流动性能很好，渗入速度快，低成本等优点，盐浴 类型可选尿素型。盐浴质量百分比为：尿素碳酸钠氯化钾322，使用 温度为 550580。但在共渗之前还需进行以下操作：（1）表面处理：清 理表面，彻底去除表面油污及铁锈；（2）预热：进行氮碳共渗前将工件在电炉 中预热至 400500，以防止工件放入坩埚中使盐浴温度降低过多。 6.3.2.2 氮碳共渗温度的确定 氮碳共渗温度的选择要考虑到渗层形成质量，同时考虑渗速，一般选在 Fe-N 共析温度附近，多数钢的共渗温度在 560580，同时温度应低于调质回 火温度以不降低基体的强度，碳钢、低合金钢和铸铁一般选择为（57010）， 在此温度下可获得足够厚的化合物层和较高的硬度。 6.3.2.3 氮碳共渗时间的确定 如图 6 所示化合物层厚度，渗层硬度在 04h 内增加很快，随后随时间延 长变化变得缓慢，在 23 小时之间达到最大值，过长时间则硬度下降。 6.3.2.4 氮碳共渗冷却方式的确定 共渗温度高于共析温度 565，共渗组织会有 、r 相共存，缓慢冷却时 发生转变，硬度下降，当快冷时 相析出 r，同时共析反应受阻生 成马氏体，使硬度提高，所以液体氮碳共渗后一般采用快冷，铸铁采用先空冷 以使组织均匀，后用水快冷以析出马氏体。 中北大学课程设计设计说明书 第 16 页，共 27 页 图 6 软氮化时间对硬度与深度的影响6 6.3.2.5 氮碳共渗工艺参数的确定 综上所述，氮碳共渗处理工艺可制定为：装炉前应先对工件表面进行清理， 去除油污及铁锈。装炉后先预热至 400500，再加热至 570并保温，在 尿素型盐浴中进行氮碳共渗。氮碳共渗过程应进行约 3h，共渗后先在空气中预 冷至 350附近，然后水冷。 7 7 热处理组织与性能分析热处理组织与性能分析 去应力退火一般在 A1 以下进行，组织并未发生变化，同铸铁的原始组织， 在缓慢冷却的过程中，工件各部分均匀冷却和收缩，消除了铸造和机加工的残 余内应力，并使其稳定化，避免在使用或随后的加工过程中产生变形或开裂， 为后续加工做好准备。 氮碳共渗，又称软氮化或低温碳氮共渗,即在铁-氮共析转变温度以下，在 工件表面同时渗入氮、碳元素，且使工件表面在主要渗入氮的同时也渗入碳。 碳渗入后形成的微细碳化物能促进氮的扩散，加快高氮化合物的形成，这些高 氮化合物反过来又能提高碳的溶解度，碳氮原子相互促进便加快了渗入速度。 中北大学课程设计设计说明书 第 17 页，共 27 页 表面氮浓度不断增加，形成白亮层及扩散层。碳在氮化物中还能降低脆性。氮 碳共渗后得到的化合物层韧性好，硬度高，耐磨，耐蚀，抗咬合。 8 8 热处理设备选择热处理设备选择 热处理常用的加热设备按能源分有燃料加热设备和电加热设备；按工作温 度可分为高温炉（1000） 、中温炉（6501000）和低温炉（650） 。 生产上常用的加热设备有电阻炉、浴炉、气体渗碳炉、高频感应加热设备等。 炉型的选择应依据不同的工艺要求及工件的类型来决定。热处理设备的选择要 从多方面来考虑，包括：经济性、可靠性、配套性、安全性、以及工厂的实际 情况等。 8.18.1 去应力退火加热炉的选择去应力退火加热炉的选择 表 5 热处理炉的分类3 分类原则炉膛形式工艺用途 炉型箱式炉 井式炉 罩式炉 贯通式炉 转底式炉 管式炉 退火炉 淬火炉 回火炉 渗碳炉 渗氮炉 实验炉 盐浴炉不能用于退火，感应热处理炉只用于表面热处理，可控气氛热处理 炉一般用于气体渗碳、渗氮、碳氮共渗等工艺，真空热处理设备一般用于处理 零件性能、精度要求非常高的零件，成本较高，应用范围受到限制。 故我们在这里选用电阻炉，箱式电阻炉该类热处理电阻炉是以电为能源的， 通过炉内电热元件将电能转化为热能而加热工件的炉子，是一种造价相对便宜 的炉子，以降低成本。 鉴于所需要的加热温度，选择中温箱式电阻炉进行加热。中温箱式电阻炉 可用于退火、正火、回火或固体渗碳等。表为中温热处理电阻炉的型号。配油 盘尺寸为 120mm,厚度为 14mm，为小批量生产，考虑经济性和实用性，故选用 RX3-60-9 型的热处理电阻炉。 中北大学课程设计设计说明书 第 18 页，共 27 页 表 6 中温箱式电阻炉产品规格及技术参数3 炉温 850时的指标型号功率 /KW 电压 /V 相数 最高工作 温度 炉膛尺寸（长 宽高） /（mmmmmm ） 空载耗能 /KW 空炉升温 时间/h 最大装载 量/kg RX3-15-915380195060030025052.580 RX3-30-930380395095045035072.5200 RX3-45-9453803950120060040092.5400 RX3-60-96038039501500750450123700 RX3-75-97538039501800900550163.51200 8.28.2 氮碳共渗用炉的选择氮碳共渗用炉的选择 由于氮碳共渗处理采用盐浴式，因此处理设备可选择盐浴炉。盐浴炉按温 度划分为低、中、高温浴炉。盐浴炉的品种和代号见下表。 表 7 盐浴炉的品种和代号3 品种代号结构形式最高工作温度/ RYN3300 RYN4 矩形浴槽，内部管状加热元件加热 400 RYW5 矩形浴槽，外部电加热 550 RYW8 圆形浴槽，外部电加热 850 RYD6650 RYD8850 RYD9950 RYD13 矩形或圆形浴槽，内部电极加热 1300 根据上表和工件生产的实际情况，可选择 RYD6 式盐浴炉。 8.38.3 热处理冷却设备的选择热处理冷却设备的选择 热处理冷却设备应能保证工件在冷却时具有相应的冷却速度和冷却温度。 由于氮碳共渗中当快冷时 相析出 r，同时共析反应受阻生成马氏体，使硬度 提高，所以液体氮碳共渗后一般采用快冷，出于经济的考虑，我们选择水冷， 中北大学课程设计设计说明书 第 19 页，共 27 页 一般的淬火槽的尺寸都能够满足淬火要求，我们选用普通淬火槽。 图 7 普通间隙淬火作用淬火槽3 1-溢流槽 2-排出管 3-供入管 4-事故排出管 5-淬火槽 6-工件 9 9 工装设计（夹具、辅具等）工装设计（夹具、辅具等） 9.19.1 工装夹具的选择工装夹具的选择 9.1.1 热处理夹具的选择 热处理夹具的选择原则为： 符合热处理技术条件：保证零件热处理加热，冷却，炉气成分均匀度， 不致使零件在热处理过程中变形。 符合经济要求：在保证零件热处理质量复合热处理技术要求时，确保设 备具有高的生产能力。夹具应具有质量轻，吸热量少，热强度高及使用寿命长 的特点。 符合使用要求：保证装卸零件方便和操作安全。 9.1.2 去应力退火处理的夹具选择 零件进行去应力退火处理时，加热方式采用中温箱式电阻炉，根据工件的 尺寸可采用如图 8 所示的夹具。 9.1.3 氮碳共渗处理的夹具选择 由于采用盐浴氮碳共渗，可使用如图 9 夹具将工件夹住，再用将夹具吊挂 在挂轴上，使工件浸入盐浴炉进行盐浴处理。 9.1.4 工件的放置情况 中北大学课程设计设计说明书 第 20 页，共 27 页 去应力退火我们根据零件的几何形状，考虑经济性，我们选择最后一个安 排方式。 图 8 箱式炉装料盘3 图 9 盘形零件渗氮夹具3 中北大学课程设计设计说明书 第 21 页，共 27 页 图 10 工件放置情况与装炉系数3 对于氮碳共渗，同理，为了达到更好的氮碳共渗效果，我们选择右侧倒数 第二个安排方式。 9.29.2 清洗设备的选择清洗设备的选择 零件在热处理前需清除锈斑、油演、污垢、切削冷却液和研磨剂等，以保 证不阻碍加热和冷却，不影响介质和气氛的纯度。以防零件出现软点、渗层不 均匀、组织不均匀等影响热处理质量的现象。热处理后也常需清洗，以去除零 件表面残油、残渣和炭黑等附着物，以保障热处理零件清洁度、防锈和不影响 下道工序加工等要求。根据零件对清洁度要求、生产方式、生产批量及工件外 形尺寸选用相应的清洗设备。 一般清洗机常用于清除残油和残盐，可分为间歇式和连续式两种。前者有 清洗槽、室式清洗机，强力加压喷射式清洗剂等；后者有传送带式清洗机及各 类生产线、自动线配置的悬挂输送链式、链板式、推杆式和往复式等各类专用 清洗设备。室式清洗机它主要用于批量不大的中小零件。输送带式清洗机，适 用于批量较大的小型零件。根据生产特点，小批量的中小型零件，可以选用室 内清洗机。 1010 检验设备及方法选择检验设备及方法选择 10.110.1 硬度的检验设备及方法选择硬度的检验设备及方法选择 由于氮碳共渗后渗层较薄，用表面洛氏硬度计和维氏硬度计都不能正确测 量渗层的硬度，所以氮碳共渗的表面硬度及硬度梯度只能用显微硬度计测量 （常用载荷 100g） ，表示为 HV 表检查数量为每批抽检 1%3%。检测维氏硬度， 用一个对面间夹角为 136C 的金刚石四方棱锥体压头，在规定的 F 下，保持一 段时间（1015S）后，卸除，再测量 d 值，算出面积 S 求出 HV。 （F/S）HV=F/S=1.8544F/d27 式中，F 的单位为 kgf；d 的单位是 mm。 （1kgf=9.80665N） 。 试验时根据氮碳共渗化合物层的深度选择载荷，一般在试样厚度允许的情 况下尽可能选择较大载荷，以获得较大压痕，提高精度。新的国家标准为 GB/T4340.1-1999金属维氏硬度实验 第 1 部分：试验方法 。 中北大学课程设计设计说明书 第 22 页，共 27 页 10.210.2 渗层厚度的检验设备及方法选择渗层厚度的检验设备及方法选择 总氮碳共渗层深度为 510m 在共渗层测定前，试样需进行时效处理，温度为 300，时间为 1h，然后 制样，测定各种表面强化层深度的常用方法是金相检验。经过时效处理的共渗 试样的化合物在显微镜下观察为一白色带，这样既可测出化合物层厚度。根据 硬化层深度可以分为大于 0.3mm 及小于等于 0.3mm 的两种情况。国际标准和国 家标准中都规定将深度小于等于 0.3mm 的硬化层作为薄表面硬化层。 测定方法有硬度法和金相法，且两种方法同等有效。对于薄层的情况，用 硬度法测量时试验力较小，规行为 1.962.94N。在技术要求中若提出以硬度 法作为仲裁结果，或硬化层对侵蚀剂不敏感时可采用显微硬度法；当检验批量 较大时则采用金相法为宜。由于渗层深度较浅，可采用斜截面试样，使测量精 度明显提高。一般把试样表面到扩散区与基体金属交界处作为氮碳共渗渗层的 总深度。 10.310.3 白色化合物层的检验白色化合物层的检验 经抛光后的氮碳共渗金相试样，未经浸蚀，在金相显微镜下就可以观察到 表面有一层结构致密的白亮化合物层。化合物层组织的致密程度按化合物层中 存在微孔（疏松）的多少、大小及分布情况分为 5 级（JB2849-80， 钢铁零件 渗氮层金相检验 ） ，通常以 13 级的渗层具有较好的韧性，是合格的；4、5 级渗层是不合格的，它们具有较大脆性，易起皮剥落。 10.410.4 外观检查外观检查 氮碳共渗一般为工件的最终热处理，希望工件能有良好的外观质量，所以 工件表面不应有锈蚀斑、腐蚀等缺陷。 10.510.5 化合物致密程度的测定化合物致密程度的测定 化合物致密程度对共渗层的硬度、耐磨性、耐疲劳性和耐蚀性都有很大影 响，可根据样品中化合物层的微孔数量、大小及分布按下图来评级，A、B 两级 为较好，C、D、E 为不良。 10.610.6 金相组织检验金相组织检验 金相组织检查包括渗氮层组织和心部组织两部分。合格的渗氮组织应是索 氏体加氮化物，不应有白色的针状、脉状、网状及鱼骨状氮化物，否则会使渗 中北大学课程设计设计说明书 第 23 页，共 27 页 层变脆、剥落。最外层出现的 脆性相应磨去，合格的心部组织应为回火索氏 体组织，不允许出现大量游离铁素体存在。 图 13 氮碳共渗层致密度等级图6 1111 热处理缺陷分析热处理缺陷分析 对于 HT300 而言，在完整的热处理工艺过程中，难免会出现各种不同的缺 陷。这就需要通过不同方法来对所有可能出现的热处理缺陷进行改善。 11.111.1 退火过程中可能产生的缺陷退火过程中可能产生的缺陷 1硬度过高，其产生的可能原因：冷却速度快，组织中珠光体片间距变 细，可以通过调整冷却方式或冷却介质来预防；保温时间短，组织均匀化为 完成，可以适当延长保温时间；装炉量大，炉温不均匀，可以适当减小装炉 量。重新退火，严格控制工艺参数，可消除硬度过高缺陷 2过热及过烧，其产生的原因如下：加热温度过高，使晶界氧化或局部熔 化。防止措施：（1）防止零件在加热过程中产生过热现象，根据选用的设备制 定正确合理的热处理工艺参数；（2）在操作过程中严格控制加热温度、保温时 间，或采取预热等降低加热速度的措施，尽可能消除晶粒长大的因素。 3.氧化、脱碳，产生原因：加热时炉温较高，过剩空气量大，炉内气氛呈 氧化性。对策：避免加热温度过高，避免保温时间过长控制炉气为中性或 还原性气氛铸件表面涂防氧化涂料或石灰采用防护罩或铁屑、木炭，将铸 件与炉气隔离 中北大学课程设计设计说明书 第 24 页，共 27 页 4.灰铸铁件退火后，硬度过低，产生原因：退火加热温度过高，使渗碳体 分解。对策：再进行一次正火，然后按正常工艺低温退火 5裂纹，产生原因：铸件入退火炉前有较大内应力；铸件入炉时炉温 过低，或低温时加热速度过快，产生的热应力较大。对策：严格控制入炉温度， 低温阶段加热速度应缓慢 6变形，产生原因：支垫不良（支点少，未垫实） ； 加热温度不均匀， 冷速过快，热应力过大；摆放不正，或工件与工件互相挤压；对策：合理 增加支点，仔细垫实；薄壁箱体类件上部避免压工件；铸件成垛装炉，支垫 面不得有飞边、毛刺、凸起物；入炉前，先划线检查；装炉时，针对变形情 况支压刚出炉件不得吊放在风中冷却 11.211.2 氮碳共渗过程中可能产生的缺陷氮碳共渗过程中可能产生的缺陷 表 8 氮碳共渗件的常见缺陷及防治方法6 缺陷种类主要原因防治措施 渗层深度 不够 1. 盐浴中盐含量过低 2. 共渗温度低，时间短 1. 保证盐浴成分； 2. 保证足够的温度和时间 3. 按正常工艺重新处理时间稍短 表面疏松 起皮 1. 盐浴含盐量过高； 2. 共渗温度过高，时间稍长； 3. 盐活性太强 严格按照工艺参数操作，重新盐浴到温后 停置一段时间后再处理工件 表面花斑1. 共渗前工件表面不洁； 2. 盐浴不洁；共渗温度低 3. 工件重叠，靠近炉壁 4. 冷却速度太慢 1. 共渗前认真清洗工件； 2. 保证盐浴清洁 3. 避免工件重