钢的热处理工艺课程设计.docx

钢的热处理工艺设计说明书学生姓名 设计题目 指导教师 系 主 任 完成日期目录一 目的 1二 设计任务 1三 设计内容和步骤 1 （一）零部件简图，钢种和技术要求 1 （二）工作条件，破坏方式，性能要求 2 （三）零部件用钢的分析 2 （四）热处理工艺及参数的论述 5（五）选择加热设备 8（六）工序质量检验项目、标准方法 8（七）缺陷及其分析 9四 参考文献 10钢的热处理工艺课程设计一、目的1. 深入了解热处理课程的基本理论2. 初步学会制定零部件的热处理工艺3. 了解与本设计有关的新技术,新工艺4. 设计尽量采用最新技术成就,并注意和具体实践相结合,是设计具有一定的先进性和实践性.二、设计任务1. 编写设计说明书2. 编制工序施工卡片3. 绘制必要的工装图三、设计内容和步骤（一）零部件简图、钢种和技术要求1.简图2.钢种 40Cr、YG6(D120、D120Z)3.技术要求 刀体部分 40Cr 40HRC50HRC（二）零部件的工作条件、破坏方式和性能要求的分析1.零部件的工作条件及性能要求锪刀是对孔的端面进行平面、柱面、锥面及其他型面进行加工，或在已加工出的孔上加工圆柱形沉头孔、锥形沉头孔和端面凸台的工具。锪刀工作时刃部深入金属内部进行切削，被金属包围散热困难，升温快，尤其是切削速度很高刃部温度很快达到600左右。因此要求刃部要有高的硬度、耐磨性和红硬性要高。由于锪刀在很大的轴向压力下钻削，受大的压应力和扭转应力。因此要求具有一定的韧性和高的强度，由于刃部不断磨损，为了使锪刀能长久的使用，要求刃部应淬透。对于柄部来说，它不承担切削工作过程中挤压扭转，要求具有一定的韧度、强度和一定的硬度来保证锪刀良好的钻削要求且应有良好的几何形状。2.零部件的主要破坏方式(1)刀具的磨粒磨损：磨粒磨损是因为工件材料磨擦划过刀具的主后刀面而造成的。(2)月牙洼磨损：月牙洼磨损是由钢制工件与铣刀之间的化学作用(即刀具前刀面渗出的碳溶入切屑中)引起的。不过，月牙洼磨损也有可能是由高速切削铸铁时切屑划过刀具前刀面的磨蚀作用所引起。(3)沟槽磨损：刀具产生沟槽磨损的原因通常是在全切深情况下被加工工件表面某处的切削条件与其余部分相比发生恶化造成的。导致工件表面切削条件出现差异的原因可能与工件表面剥落有关；也可能由冷作应力或加工硬化所引起；还有可能与某些似乎无关紧要的因素（例如油漆），工件表面的油漆有可能对切入工件不太深的切削刃起到一种淬火作用。(4)变形：刀具的变形是指刀片在切削热和切削压力的作用下发生软化和扭曲变形。(5)崩刃和碎裂：因为切削刃的脆性过大，难以承受切削冲击而发生碎片崩裂。(6)热裂纹与冷却液有关当倾注到切削刃上的冷却液不均匀时，切削刃的温度就会发生波动，引起刀片膨胀和收缩，从而导致切削刃出现裂纹。（三）零部件用钢的分析1.相关钢种化学成分的作用（1）40Cr表1. 40Cr的化学成分C Si Mn Cr S P Ni Cu 0.370.45 0.170.37 0.500.80 0.801.10 0.030 0.030 0.25 0.030 化学成分作用：A. 碳（C）的影响从铁碳平衡图中，我们能清楚的看到，钢随着含碳量的增加，钢的基本组织不同，而且在加热与冷却时，组织转变的温度也不相同。纯铁在加热与冷却过程中，仅发生晶格的变化（同素异形转变）。所以热处理时其机械性能几乎不发生影响。但是随着含碳量的增加，热处理将发生显著地作用。如亚共析钢随着含金量的增高，淬火后强度、硬度都有显著提高；同时含碳量的多少也确定了钢的热处理工艺。例如亚共析钢随着含碳量的增加，它的A3逐渐降低，因而退火、正火、淬火的加热温度都随之降低。而过共析钢的正火温度随着含碳量的增高而增高，但淬火温度都是在Ac1以上30-50摄氏度。而且随着钢中含碳量的增加，淬透性也有所提高，工件淬火后引起的变形也就越大，增加淬火时的困难；同时含碳量增加，使马氏体点下降残余奥氏体的数量增加。如低碳钢淬火后几乎不含残余奥氏体，而高碳钢则含大量残余奥氏体。B. 铬（Cr）的影响 铬为碳化物形成元素。它能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性；阻止晶粒长大，增加钢的淬透性，降低钢的临界冷却速度。因而，使钢在热处理时，退火、正火、淬火的加热温度与所提高。并使它在油中便能淬硬。但他降低了钢的马氏体点，因而增加了钢残余奥氏体量。使钢的奥氏体不稳定区域变为700-500和400-250。提高了钢的硬度和强度，增加了钢在高温回火时强度降低的抗力。C. 镍（Ni）的影响 Ni能强化铁素体，降低钢的Ac1和Ac3点，从而使热处理时的退火、正火、淬火的加热温度有所降低。增加了奥氏体的稳定性，降低了钢的临界冷却速度，对钢的淬透性略有增加；但它降低了钢的马氏体点，增加了钢的残余奥氏体量。对钢的强度和硬度有所提高，但阻止晶粒长大的作用不明显。D. 硅（Si）的影响 Si能升高Ac1和Ac3点，从而使热处理时的退火、正火、淬火的加热温度增高。能增加奥氏体的稳定性，降低临界冷却速度，增加钢的淬透性很多，故能使Si合金钢在油中淬硬。对钢的马氏体区域有什么影响，增加残余奥氏体数量不多。对钢的强度、硬度增加不多，但却增加了钢的回火脆性和过热与脱碳的敏感性。E. 锰（Mn）的影响 Mn为碳化物形成元素。他降低钢的Ac1和Ac3而使钢在热处理时的温度有所降低。增加奥氏体的稳定性，降低钢的临界冷却速度，同时增加钢的淬透性，但它使残余奥氏体量增加。可以减少钢在淬火时的变形和增加钢的强度和硬度。使钢的回火脆性与晶粒长大的作用增大。F. 硫（S）的影响硫在通常情况下也是有害元素。使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。所以通常要求硫含量小于0.055%，优质钢要求小于0.040%。在钢中加入0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。 G. 铜(Cu)和硼(B)的影响 铜在合金钢中，使钢的Ac3下降，即使热处理的加热度降低；铜还能增加钢的淬透性和增加钢的强度。硼为钢中的微量元素，一般仅在0.001-0.005%之间，它能增加钢的淬透性，提高钢的热处理温度，而且能提高钢的强度与硬度。（2）YG6硬质合金具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，特别是它的高硬度和耐磨性，即使在500的温度下也基本保持不变，在1000时仍有很高的硬度。无需进行热处理硬质合金广泛用作刀具材料，如车刀、铣刀、刨刀、钻头、镗刀等，用于切削铸铁、有色金属、塑料、化纤、石墨、玻璃、石材和普通钢材，也可以用来切削耐热钢、不锈钢、高锰钢、工具钢等难加工的材料。现在新型硬质合金刀具的切削速度等于碳素钢的数百倍。2.相关钢种的热处理工艺性能分析40Cr热处理基本参数临界温度Ac1Ac3Ar1Ar3Ms温度/743800693730355淬透性：淬透性随淬火温度的提高而增加，因为温度升高，奥氏体晶粒尺寸增大，淬透性提高。40Cr的淬透性较好，高于45号钢淬硬性：淬硬性表示钢淬火时的硬化能力，它取决于淬火后马氏体中的含碳量，马氏体中的含碳量越高钢的淬硬性越高。变形倾向：淬火后变形分两种：翘曲变形和体积变形，翘曲变形主要是加热时工件在炉内放置不当或搓火前后没有定型处理货冷却不均匀做造成的，另一方面淬火前后组织不一样引起体积变形，淬火前一般为珠光体组织，淬火后为马氏体组织，由于两种组织的比容不同，淬火前后讲引起体积变化，从而产生变形，但这种变形只按比例使工件胀缩而不改变形状。3.钢材的组织性能（硬度、强度、耐磨性、塑韧性等）与各种热处理工艺的关系从铁碳合金相图来看, 40Cr钢属于亚共析钢, 缓慢冷却到室温后的组织为铁素体+ 珠光体;从钢的分类来看, 40Cr 钢属于低淬透性调质钢, 具有很高的强度, 良好的塑性和韧性, 即具有良好的综合机械性能。40Cr 钢的原始组织为球状珠光体，由于球状的接触面积小，同时铬能阻碍碳的扩散，而铬本身扩散速度较慢，因此加热温度应选择上限，且保温时间加长，否则球状渗碳体很难完全溶解而保留下来，造成淬火后硬度及强度下降。加热温度越高，马氏体的百分比也会增加，如50%-99%，组织也会不断粗大，理论上说，40Cr加热到850-870后保温，合金元素就基本上能全部融入奥氏体中且晶粒也不是很粗大，所以在理论上850淬火后的硬度应该是最高的，以后随着温度的增加，钢的蓄热量增加，淬火冷却时的冷却速度就下降，因此理论上在850以上温度淬火硬度会下降。表2 40Cr的冲击韧性值(多试样平均at值)试样编号试样热处理工艺值140Cr850油淬+620回火148240Cr850空冷56表3 40Cr退火，正火的布氏硬度（平均值）试样编号试样热处理工艺硬度值HB140Cr850随炉冷却176240Cr850空冷198表4 40Cr淬火后回火热处理的布氏硬度（平均值）试样编号材料热处理工艺硬度值HRC回火温度硬度值HRC140Cr850油淬50.262024.4240Cr850油淬51.846041.3340Cr850油淬49.324050.3（四）热处理工艺方案及工艺参数的论述1.部件的加工工艺路线及其简单论证方案一：下料锻造退火淬火回火清洗检查校直焊接刀头检查喷砂表面处理方案二：下料锻造焊接刀头检查退火淬火回火清洗检查矫直喷砂表面处理论证：方案一采用常规方法，锻造后先对刀体部分进行热处理，然后在刀体上高频焊接刀头部分，方案二采用锻造后先焊接刀头，然后对整体进行热处理。若采用方案二中方法，淬火的加热和冷却过程中会使硬质合金刀头性能变坏，甚至在加热过程中焊口发生变化造成刀头脱落等。而方案一中的方法，虽然在焊接过程中，在焊口附近的40Cr刀体经淬火后的高强度、高硬度的马氏体组织在高频焊接过程中转变为强度和硬度较低的索氏体型珠光体和碎块状铁素体，在这个转变中，刀体的硬度和强度大大降低。但是高频焊接具有加热速度快，焊接速度快的特点，对刀体性能影响不大，切高频焊接效率较高，所以选择方案一进行加工。2预备热处理工艺方案、工艺参数及其论证方案：完全退火，加热温度：840摄氏度左右，保温时间：80min，随炉冷却至300摄氏度，然后出炉冷却。论证：40Cr钢经热加工后，必须经过预备热处理来降低硬度，消除热加工时造成的组织缺陷，细化晶粒，改善组织，为最终热处理做好准备。对于40Cr钢而言，完全退火可以细化组织，均匀组织，消除魏氏组织，消除内应力，通常对于亚共析钢正火的加热温度通常为Ac3以上3050，40Cr的含碳量为0.42%，Ac3为800摄氏度，所以将钢件的加热温度确定为840摄氏度。由于刀体最宽部分部分直径为28mm，所以保温时间确定为80mm，然后随炉冷却至300摄氏度，出炉空冷，得到铁素体与珠光体。 温度 840 保温80min 随炉降温 300出炉 时间3.最终热处理工艺方案，工艺参数及论证1）淬火 840摄氏度，保温时间：50min，冷却方式：油冷2）中温回火 回火温度为360摄氏度，保温时间：60min 空冷论证：1.淬火 淬火是将钢奥氏体化后以大于Vk的速度冷却，已获得高硬度的马氏体（或下贝氏体）组织的热处理工艺。淬火组织是由淬火马氏体、残余奥氏体和剩余碳化物组成。40Cr钢的淬火温度一般为830850，其加热温度从俩个方面来影响淬火组织和性能。加热温度越高，碳化物溶解越多，奥氏体中碳化物及合金元素含量越高，淬透性和淬火硬度上升，在适宜的加热温度和保温时间淬火，可获得良好的金相组织与硬度的最佳配合。淬火加热温度若果太低，会使奥氏体中合金元素固容量不足，油冷后会出现非马氏体组织，使硬度和强度下降，当淬火温度过高时，碳化物大量溶解，并均匀化，阻止奥氏体晶粒长大的碳化物逐步减少，甚至消失，晶粒开始粗话，淬火后，会出现细长针状或者粗大针状马氏体组织，形成的过热组织或者严重过热组织，残留奥氏体增多，强度和韧性都达不到要求。所以淬火加热温度确定为840度。根据公式t=a*k*H，此工件的有效厚度（H）为28mm，所以确定保温时间为40min。40Cr钢的淬透性较好，在油中冷却能淬硬，而且工件的变形、开裂倾向小，所以应采用油冷。图1 亚共析钢的C曲线图2 40Cr钢过冷奥氏体冷却曲线40Cr钢端淬曲线2.回火 回火是指将淬火钢重新加热至A1以下某预定温度并保温一定时间，然后冷却至室温的热处理工艺。回火的目的是消除或减小淬火应力，降低淬火钢的脆性，达到零件要求的使用性能，稳定钢件的组织和尺寸。由于工件要求的硬度为40HRC50HRC，根据40Cr热处理工艺性能参数，在300下回火后的硬度为51HRC，在400下回火后的硬度为43HRC，所以可采用中温回火，回火温度为360。虽然此温度下回火会产生第二类回火脆性，但中温回火后的组织为回火托氏体组织，回火后的零件具有适当的硬度，高的弹性极限和韧性。一般回火保温时间不小于1h，根据本工件尺寸，选择保温时间为60min。 温度 840 保温40min 360 保温80min 4.辅助工序方案 1)喷砂：运用喷砂机，将砂流冲到工件表面，利用高速砂流的冲击作用清理和粗化机体表面的过程，由于磨料对工件表面的冲击和切削作用，使工件表面的机械性能得到改善，提高工件的抗疲劳性，使工件显得更加美观，精细。 2)表面防锈处理：利用抛光，刷防锈漆等方法进行表面防锈处理。（五）选择加热设备1.退火：RX3309中温箱式电阻炉 其具体参数见下表型号功率KW电压V炉膛尺寸最高温度C 炉温850C时的指标空载损耗KW升温时间h最大装载量kgRX3-30-930380600*300*250 95072.52002.淬火：预热选用CY2-10-8外加热式电阻中温盐浴炉，最高温度工作为8503回火：回火选用GY84-92外热式电阻低温盐浴炉，最高工作温度为550。（六）工序质量检验项目、标准方法（1）工件表面检查检查工件表面有无腐蚀或氧化皮。不得有裂纹及碰伤，表面不得有锈蚀。（2）工件变形检查根据图样技术要求检查工件的挠曲变形、尺寸及几何形状的变化。（3）淬硬层深度检查感应加热淬火后应检查淬硬层深度，42CrMo淬硬层深度应在8mm左右。可采用硬度法测量。硬度压痕应当打在垂直于表面的一条或多条平行线上，而且宽度为1.5mm区域内，最靠近表面的压痕中心与表面的距离为0.15mm，从表面到各逐次压痕中心的距离应每次增加0.1mm。当表面硬化层深度大时，各压痕中心的距离可以大一些，但在接近极限硬度区域附近，仍应保持压痕中心之间的距离为0.1mm。用垂直表面横截面上的硬度变化曲线来确定有效硬化层深度。由绘制的硬度变化曲线，确定从零件表面到硬度值等于极限硬度的距离，这个距离就是感应淬火后的有效硬化层深度（有效硬化层深度(DS)：是指从零件表面到维氏硬度等于极限硬度那一层之间的距离。极限硬度(HVHL)：是指零件表面所要求的最低硬度(HVMS)乘以系数，通常HV1试验力系数可以选用0.8，也可以选用0.9或者更高。）。（4）硬度检查 在淬火后检查包括淬硬层表面及心部硬度，一般用洛氏硬度HRC标尺测量。42CrMo 钢在调质,感应淬火，低温回火后，表面硬度可达HRC50以上，心部硬度可达3545。（5）金相组织检查按技术要求及标准行检查淬硬层的显微组织：残留奥氏体数量，有无反常组织，心部组织是否粗大及铁素体是否超出技术要求等，一般在显微镜下放大400倍观察