配油盘的热处理工艺课程设计

中北大学课程 设计说明书 1 1 引 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，恳请老师们多多指中北大学课程 设计说明书 2 教 ,我十分乐意接受你们的批评与指正，本人将万分感谢。 2 零件图分析 图 1 配油盘零件图 2.1 零件的总体分析 柱塞泵是依靠柱塞在缸体柱塞孔中作往复运动而产生的容积变化来实现吸油和压油过程 【 1】 。柱塞泵有压力高、排量大、效率高，其结构较齿轮泵和叶片泵要复杂，零件加工要求高。柱塞泵的主要零件有配油盘、缸套、柱塞、回程盘、斜盘及传动轴等 【 2】 。柱塞泵的主要零件在工作时都承受压应力作用 并处在腐蚀油介质中 ， 柱塞泵主要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。 因此材料的选用和热处理工艺要着重 从提高耐磨性，以保证高的强度，良好的韧性，高的耐磨性和尺寸稳定性高。 2.2 零件的结构形状 零件结构形状如图 1 所示 2.3 零件的尺寸及技术要求 中北大学课程 设计说明书 3 尺寸要求：直径： 110mm 厚： 10mm 技术要求：渗氮层深度 0.3-0.5mm;表面硬度 800-1000HV;心部硬度 250-280BS 2.4 零件的服役条件及失效形式分析 2.4.1 服役条件 柱塞泵在运行过程中，配油盘与缸体发生高速运动，使油膜破坏而引起金属的直接接触，这时接触部位产生大量的摩擦热，局部温度升高，使缸体和配油盘之间由于过热而金属啮合和产生裂纹 【 3】 。 2.4.2 失效形式 (1)高速运动摩擦 由于配油盘和缸体的高速运动，使油膜破坏而引起 金属直接接触，产生大量的热。使缸体和配油盘之间由于过热而金属咬台和产生裂纹。 (2)缸体和配油盘之间压力不平衡 在 缸体和配油盘之问存在着半周的高压区和半周的低压区，产生压力不平衡，同时由于缸体和柱塞之间产生压力作用使缸体压向配油盘，而缸体和配油盘之间的油膜反推，力图把 缸体推开，当反推力大于缸体的压紧力时，则 出现推盘现象，使缸体和配油盘之问的运动精度破坏而引起烧盘。 (3)轴承疲劳点蚀破坏 承受柱塞轴向 推力的滚动轴承，由于受到重载偏心负荷的影响，使轴承产生了疲劳点蚀、破坏，因而也加剧了配油盘与缸体的磨 损烧伤。 (4)对于配油盘的加工，要求平面度不大于 0.003mm。虽采取了较严密的加工工艺，仍避免不了超差的问题。各部件的装配，虽然采用了分组装配等一系列措施，由于零件误差很小，零件的互换性较差，仍存在装配不良的问题，造成缸体和配油盘之闻出现楔形间隙，使配油盘和缸体加速磨损。 3 材料选择 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：一是具有良好的热稳定性和耐磨性，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和精度；二是具有良好的抗过热性能或者较高的疲劳极限，使配油盘零件能够 在良好的服役条件下长时间的工作。 根据配油盘的工作条件以及技术要求，承受较大的压应力，工件表面精度要求较高的特点，有较高的氮化层表面硬度和较深的氮化层深度要求，为了在材料中北大学课程 设计说明书 4 表面获得高硬度和耐磨的氮化层，一般采用含有某些合金元素的合金钢进行渗氮工艺， 这是因为氮与合金元素生成的氮化物要比氮化铁稳定，并在渗氮层中呈弥散分布，使氮化层具有很高的表面硬度。同时因为零件形状较为复杂，渗氮层心部硬度要求较高，所以要求选材必须具有良好的淬透性。 3.1 氮化钢的特性 机械零件经表面氮化处理后，可显著提高其表面硬度、疲 劳强度和耐磨性，还有抗水、油等介质的腐蚀能力。氮化层在较高温度下仍能保持其硬度。零件在氮化前世中碳钢经调质热处理，得到稳定的回火索氏体组织， 保证在使用过程中几何尺寸和表面精度的稳定性。 3.2 氮化钢的选择 常用的氮化钢有： 40Cr、 35CrMo、 38CrMoAlA 等 (1)40Cr 与碳钢相比，强度及淬透性均高，但对于形状尺寸较为复杂的零件，水淬时已经出现开裂变形， 具有较高的综合力学性能，良好的低温冲击韧性，低的缺口敏感性。 在 450 680回火时有第二类回火脆性，对白点敏感性较大，冷畸变塑性中等， 切削加工性能好，但焊接性能差。 经 840 860油淬 640 660回火后，其硬度为 250 280HBS； 510 540渗氮后，其表面硬度 450HV。常用于制造重要的齿轮、轴、曲轴、套筒、连杆等。 (2) 35CrMo 强度、韧性、疲劳强度及淬透性均比 40Cr 高，属于细晶粒钢。热处理时无过热倾向，淬火畸变小，具有高的身室温力学性能和高温强度，良好的低温冲击韧性。冷畸变塑性中等，焊机性能差， 经 850 870油淬 +600 660回火后，其硬度为 250 280HBS， 500 560渗氮后，其表面硬度 550HV。常用作制造截面不大而要求力学性能高的重要零件，如曲轴、主轴、锤杆等。 (3)38CrMoAlA 强度较高，渗氮后具有非常高的表面硬度、耐磨性和疲劳极限，并具有良好的耐热性能（可达 500 ） 及耐油腐蚀性能，热处理形变小不易开裂变形，同时由于 Mo 的加入，抑制了第二类回火脆性，淬透性良好。经 930 950油淬 +620 640回火后，其硬度可以达到 255 269HBS， 500 560渗氮后，其表面硬度为 900 1200HV.因此，要求表面硬度高，耐磨性好，有要求高的心部强度的渗氮零件，普遍采用 38CrMoAlA。但是这种钢具有以下缺点：在 冶炼上易出现柱状断口，易沾污非金属夹杂物，在轧钢中易形成裂缝和发纹，有过热中北大学课程 设计说明书 5 敏感性，热处理时，对化学成分波动也极为敏感。这种钢易于脱碳，当铝含量偏高时，渗氮层表面容易出现脆性。 由上可以看出 38CrMoAlA 钢表面表面可以获得最高的表面硬度，可以达到900 1200HV， 38CrMoAlA 钢在 510氮化 20h 后可以达到 0.35mm 以上的氮化层深度，且 具有非常高的表面硬度、耐磨性和疲劳极限，并具有良好的耐热性能（可达 500 ）及耐油腐蚀性能。而 35CrMo、 40Cr 氮 化层的表面硬度 控制在HV500 800，达不到配油盘要求的表面硬度，所以选用 38CrMoAlA。 表 1 40Cr、 35CrMo、 38CrMoAlA 的化学成分、热处理和力学性能 【 4】 牌号 化学成分（质量分数，） 热处理 力学性能 C Si Mn Cr 其他 淬火 温度/ 回火 温度/ b /Mpa s /Mpa Ak /J 40Cr 0.37 0.44 0.17 0.37 0.50 0.80 0.80 1.10 850 油 520 水、油 980 785 47 35CrMo 0.32 0.40 0.17 0.37 0.40 0.70 0.80 1.10 Mo：0.15 0.25 850 油 550 水、油 980 835 63 38CrMoAlA 0.35 0.42 0.20 0.45 0.30 0.60 1.35 1.65 Mo：0.15 0.25 Al：0.70 1.10 940 水、油 640 水、油 980 835 71 3.3 38CrMoAlA 中各元素的作用 (1) 38CrMoAlA 钢中碳含量保持 在 0.38左右，便以获得良好的力学性能，也便中北大学课程 设计说明书 6 于调质处理后获得适量的铁素体组织，利于渗氮。刚在加入 Cr 元素主要是提高淬透性，提高回火稳定性，提高耐蚀性，细化晶粒，改善氮化物的均匀性 ； Mo元素主要有细化晶粒，消除回火脆性，同时提高回火稳定性，提高对飞氧化性酸的稳定性。 (2)38CrMoAlA 钢中加入 Al 元素。主要起两方面的作用，一是与钢中的氮元素形成氮化物，起细化晶粒作用；二是提高表面的疲劳强度、表面硬度以及抗啮合性。 (3)提高氮化工艺性能 铝、钛、铌、钼、钨等元素师形成氮化物元素，他们在 相中形成超显微 的氮化物颗粒，对 相起弥散强化作用。 (4)使钢在渗氮过程中不软化 Mo、 Cr 等元素是使钢在 500 590长时间保温保持强度的有效元素。往氮化钢中加入 Mo 可以防止 或者减弱钢的第二类回火脆性。 4 确定加工路线 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。 该零件形状尺寸复杂，精度要求高，可以通过锻轧锻出毛坯，进行 退火 处理，通过机加工使其成型；然后进行调质处理，改善零件的心部硬度，在进行精加工，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（渗氮工艺）使表 面获得一层氮化物渗层，提高零件表面耐磨性和抗疲劳性能；最后经过精磨，以满足尺寸精度，即可得到所需的零件 可采用的加工路线： 备料 锻轧 退火 粗加工 调质 精加工 去应力退火 粗磨 渗氮 精磨（研磨） 成品。 5 热处理工艺方法选择 5.1 预备热处理的选择 中北大学课程 设计说明书 7 钢的正火是将钢加热到临界温度 Ac3 或者 Acm 以上保温一定时间，然后出炉空冷。退火是将组织偏离平衡状态的金属或者合金加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却获得接近平衡组织的热处理工艺。 对于正火与退火的选择，根据具体情况，一般从以下三个方面考虑： 1)改善切削加工性能。低碳钢宜采用正火；碳质量分数在 0.25 0.45之间的中碳钢即可以采用退火，也可以采用正火；碳质量分数在 0.45 0.77之间的高碳钢必须采用完全退火；过共析钢则宜采用球化退火。低、中碳结构钢采用正火；中高碳结构钢采用完全退火；合金工具钢采用球化退火。 2)热处理工艺性。形状复杂、尺寸大或者重要零件采用退火 。退火冷却速度慢，内应力小，工件不易变形开裂。一般零件，可采用正火。 3)从经济性方面考虑。由于正火比退火生产周期短，操作方便，工艺成本低。因此，在满足钢的使用性能和工艺性 能的前提下，应尽可能用正火代替退火。 由于 38CrMoAlA 钢中碳含量保持在 0.38左右，属于中碳合金结构钢，且配油盘属于重要零件，形状尺寸复杂。所以选定预备热处理为 完全退火。 5.2 调质 调质，即淬火加高温回火。调质钢热处理时在临界点以上一定温度加热后淬火成马氏体，并在 500 650回火。热处理后的金相组织是回火索氏体，这种组织具有强度、塑性和韧性的良好配合。 淬火后得到马氏体使结构钢具有高的强度、硬度和耐磨性等性能；回火主要主要是消除零件淬火时所产生的残余内应力，提高材料的塑性韧性，获得良好的综合 性能，稳定工件尺寸，使零件在后续工艺中保持稳定的尺寸和精度。 主要用于中碳结构钢或者低合金结构钢以获得良好的综合机械性能。钢中合金元素的作用主要是提高钢的淬透性和保证零件在高温回火后获得预期的 综合性能。 5.2.1 淬火 方法 的选择 常用的淬火方法有单介质淬火、双介质淬火、分级淬火和等温淬火等。 (1) 单介质淬火法，把加热到淬火温度的工件放入一种淬火介质中，使其完全冷却。此法操作简单，易实现机械化和自动化。通常形状简单尺寸较大的碳钢在水中淬火，合金钢在油中淬火。 (2) 双介质淬火，采用两种冷却介质。 先在一种冷却介质中冷却至 Ms 点时立即中北大学课程 设计说明书 8 转入下一种冷却能力较弱的介质中的操作方法。适用于中等尺寸、形状复杂的高碳钢和尺寸较大的合金钢。 (3) 分级淬火， 将加热到奥氏体化的钢件，先放入温度稍高或者稍低于 Ms 点的液态介质中，等温保持适当时间，然后空冷至室温。 (4) 等温淬火，工件淬火加热后，若长期保持在下贝氏体全变温度区间内，使之完成奥氏体等温转变，获得下贝氏体组织。 待 加工工件属于中碳合金钢尺寸较小， 为了操作简单，淬火时间易于掌握， 我选择单介质淬火。 为了保证工件淬火后得到马氏体，又要减小变形 和防止开裂，必须 选用正确的冷却介质。常用的淬火介质有水、油和熔岩、熔碱等。该零件要求淬火变形量小， 且 38CrMoAlA 是中碳合金钢。 所以我选择淬火油介质。 5.2.2 回火方法的选择 回火是将钢件在淬硬后，在加热到 Ac1 以下某一温度，保温后冷却到室温的热处理工艺。回火的主要目的是 : 1) 减小和消除淬火时产生的内应力和脆性 ，防止和减小工件变形和开裂。 2) 获得稳定的组织，保证工件在使用过程中形状和尺寸不发生变化。 3) 获得工件所需要的使用性能。 根据回火温度的不同，分为 低温回火 、 中温回火 、 高温回火 三种。 （ 1）低温回火（ 150 250 ），组织是回火马氏体，和淬火马氏体相比，回火马氏体既保持了钢的高硬度、高强度和良好耐磨性，又适当提高了韧性。硬度为 6165HRC，主要用于高碳钢，合金工具钢制造的刃具、量具、模具及滚动轴承，渗碳、碳氮共渗和表面淬火件等。 （ 2）中温回火（ 350 500 ），组织为回火屈氏体，对于一般碳钢和低合金钢，中温回火相当于回火的第三 温度区 ，此时碳化物开始聚集，基体开始回复，淬火应力基本消除。硬度为 35 50HRC，具有高的弹性极限，有良好的塑性和韧性，主用于弹性件及模具处理。 （ 3）高温回火（ 500 650 ），组织为回火索氏体，硬度为 220 330HBS。淬火和随后的高温回火称为调质处理，经调质处理后，钢具有优良的综合机械性能。因此，高温回火主要适用于中碳结构钢或低合金结构钢，用来制作汽车、拖拉机、中北大学课程 设计说明书 9 机床等承受较大载荷的结构零件，如曲轴、连杆、螺栓、机床主轴及齿轮等重要的机器零件。 因为配油盘需要进行调质处理，所以选择高温回火。 5.3 去应力退火 将工件缓慢加热到 Ac1 以下一定温度，保温 1 3h 后随炉空冷的工艺称为去应力退火。目的是消除铸件、锻件、焊接件、冷冲压件以及机械加工工件中的残余内应力，以稳定钢件 的尺寸，减小变形，防止开裂。为了使渗氮弯曲变形减少到最小程度，须在渗氮前进行去应力退火。 5.4 渗氮 渗氮是在一定温度下一定介质中使氮原子渗入工件表面的化学热处理，常见的渗氮方法有液体渗氮、气体渗氮和离子渗氮。传统的气体渗氮是把工件放在密封的容器中，通过流动的氨气并加热，保温较长时间后，氨气热分解产生活性氮原子，不断吸附到工件表面，并扩散渗入工件表层内，从而改变表层的化学成分和组织，获得良好的表面性能。 离子渗氮是在低于 1x105Pa 的渗氮气氛中利用辉光放电这一物理现象对金属表面进行的渗氮法。 与传统的气体渗氮 相比， 离子渗氮的特点是处理周期短，仅为气体渗氮的1/3 1/4（例如 38CrMoAlA 钢，渗氮层深度若达到 0.35 0.7mm、气体渗氮需要70h，而离子渗氮仅需要 15 20h），零件表面不易形成连续的白色脆性层。所以我选择离子渗氮。 6 制定热处理工艺制度 表 2 38CrMoAlA 钢加热和冷却的临界点 钢号 Ac1 Ac3 Ar1 Ar3 Ms 38CrMoAlA 760 885 675 740 360 6.1 退火工艺的制定 退火是将组织偏离平衡状态的金属或者合金加热到适当温度，保温一 定时间，然后缓慢冷却获得接近平衡组织的热处理工艺。 完全退火主要应用于亚共析成分的碳钢和合金钢的铸件、锻件、焊接件及热轧型材，不适用于过共析钢。完全退火的目的是细化晶粒，均匀组织，改善切削加工性能并消除内应力。 （ 1） 退火 加热温度 一般选择在 Ac3+20 30使之完全奥氏体化，室温时得到中北大学课程 设计说明书 10 P+F 一般认为是平衡组织。 38CrMoAlA 的 Ac3=885，所以加热温度选择为 910 10 （ 2） 退火加热速度 在实际生产过程中，形状较为复杂，一般采用预热加热，一般以 30 70 /h 速度升温到 600 700，再 以 80 100 /h 迅速升温。 （ 3） 退火保温时间 对亚共析钢锻轧钢材，通过完全退火，主要是消除锻后组织及硬度的不均匀性，改善切削加工性能和为后续的热处理做准备，其保温时间一般可按下式计算 =（ 3 4） +（ 0.4 0.5） Q 所以我取 4h。 （ 4） 退火冷却速度 退火后的冷却速度应缓慢，以保证在过冷度不大的情况下进行珠光体转变，以免硬度过高。一般碳钢的冷却速度应小于 200 /h；低合金钢冷却速度应该降至 100 /h；高合金钢的冷却速度一般为 50 /h。出炉温度为600以下。 38CrMoAlA 是中碳合金 钢，所以冷却速度选择为 75 /h. 表 3 完全退火热处理工艺 加热速度 加热温度 保温时间 冷却速度 30 70 /h 80 100 /h 910 10 4h 75 /h. 6.2 淬火工艺的制定 （ 1） 加热温度，钢的淬火加热温度与钢的含碳量有关，亚共析钢的加热温度为Ac3+（ 30 50）；共析钢和过共析钢的淬火加热温度为 Ac1+（ 30 50），因为 38CrMoAlA 中碳的质量分数为 0.35 0.42，属于中碳合金钢，加热温度一般比碳素钢稍高，所以淬火加热温度取 940 10 （ 2） 淬火加热时间， 应 包括工件整个截面加热到预定淬火温度，并使之在该温度下完成组织转变、碳化物溶解和奥氏体成分均匀化所需的时间。 常用经验公式为： = k D【 5】 式中 加热时间， min； 加热时间系数， min/mm； 中北大学课程 设计说明书 11 k 装炉量修正系数； D 工件有效厚度， mm。 零件图中的最大直径为 110mm，厚度为 10mm，工件的有效厚度为 110mm，加热系数 和装炉修正系数 k 分别见表 4 和表 5， 38CrMoAlA 为中碳合金结构钢，故取 =1.5， k=1.4,则 = k D=1.5x1.4x110=231min，考虑到透热都因素，故加热时间取 =4h 表 4 常用钢的 加热 系数（ min/mm） 【 6】 工件材料 直径 /mm 50 0.3-0.4 0.4-0.5 1.0-0.2 1.2-1.5 低合金钢 50 50 0.45-0.5 0.5-0.55 1.2-1.5 1.5-1.8 1.5-1.8 高合金钢 高速钢 0.35-0.40 0.3-0.35 0.3-0.35 0.65-0.85 0.17-0.2 0.16-0.18 工件装炉方式 修正系数K 工件装炉方式 修正系数 K 1.0 1.0 1.0 1.4 2.0 4.0 0 . 5 d1.4 0 . 5 d2.2 表 5 工件装炉修正系数 【 6】 中北大学课程 设计说明书 12 2 d1.3 1 d2.0 1.7 2 d1.8 （ 3） 加热速度，由于淬火温度为 940 10，且零件的直径为 110mm， 可以以80 100 /h 迅速升温。 （ 4） 冷却方法 一般选用单介质淬火方法冷却。 （ 5） 淬火介质的选择， 38CrMoAlA 是中淬透性钢，这类钢的最大淬火直径为40 60mm，采用油淬介质。 表 6 淬火工艺的制定 加热温度 保温时间 加热速度 冷却方法 冷却介质 940 10 4h 80 100 /h 单液淬火介质 油 6.3 回火工艺的制定 （ 1） 回火温度 的确定 ， 为了获得良好的综合力学性能，合金结构钢一般在三个不同的温度范围内回火：超高强度钢在 200 300回火；弹簧 钢在 460左右回火；调质钢在 500 650回火 .根据零件要求，调质后硬度为 250 280HBS，由表 7 选择回火温度为 630 10 . 表 7 38CrMoAlA 钢回火温度对渗氮层深度及硬度的影响 回火温度 / 回火后硬度 /HRC 渗氮层深度 /mm 渗氮层硬度 /HRC 720 21 22 0.51 0.58 80 81.5 700 22 23 0.50 0.55 80 82 680 24 26 0.46 0.49 80 82 650 29 31 0.40 0.43 81 83 620 32 33 0.38 0.40 81 83 590 34 35 0.37 0.38 82 83 中北大学课程 设计说明书 13 570 36 37 0.37 0.38 82 83 （ 2） 回火时间的确定 ，回火温度一般从工件入炉后炉温升至回火温度时开始计算，一般为 1-3h。在实践中常用工件的有效厚度计算，表 8 是单个工件的保温时间表，多个工件叠加可适当延长时间。由于工件的有效厚度为 110mm，多工件同时加热，所以保温时间选择 3.5h。 表 8 中、高温回火保温时间参数表 【 7】 有效厚度 /mm 25 25-50 50-75 75-100 100-125 125-150 保温时间/min 盐浴 20-30 30-45 45-60 75-90 90-120 120-150 空气炉 40-60 70-90 70-90 150-180 180-210 210-240 （ 3） 回火加热速度，由于回火温度为 630 10，所以选择 30 70 /h。 （ 4） 回火后的冷却，在空气中冷却。 表 9 回火工艺的制定 回火温度 回火时间 加热速度 冷却方法 630 10 3.5h 30 70 /h 空冷 6.4 去应力退火工艺的制定 （ 1） 去应力退火温度的确定， 将 工件缓慢加热到 Ac1 以下一定温度，保温 13h后随炉空冷的工艺称为去应力退火。去应力退火温度一般为 Ac1-（ 100-200） 。一般钢件在 500 650；铸铁件在 500 550；焊接件在 500 600 .所以去应力退火温度取为 590 10 . （ 2） 去应力退火时间的确定，一般保温时间为 3 4min/mm（一般需要 3h 以上），所以去应力退火时间取 6h。 6.5 离子 渗氮工艺的制定 （ 1）温度的确定， 38CrMoAlA 为了获得 0.30 0.45mm 的渗氮层，工件温度需加热到 530 10 . （ 2）保温时间的确定 ，对于 38CrMoAlA 钢，在 530 10时保温 8-15 小时可得到 888 1164HV 的硬度。 取 12h。 （ 3）炉内压力的确定，炉内压力为 266 532Pa。 中北大学课程 设计说明书 14 7 热处理组织、性能分析 （ 1） 完全退火：完全退火后室温得到 片状珠光体和铁素体，一般可以认为是平衡组织。铁素体具有强度低、塑性韧性好的特点，片状珠光体具有较高的强度和较好的塑性韧性。完全退火可以细化晶粒，均匀组织，改善切削加工性能并消除内应力。 （ 2） 调质处理：钢件加热到 Ac3 以上 30 50度，使珠光体完全奥氏体化，获得细小的奥氏体晶粒，淬火后 得到细小的马氏体组织，无铁素体，强度硬度较高。经过高温回火得到回火索氏体，使零件获得良好的综合机械性能。 （ 3）渗氮处理： 渗氮后工件表面是渗入氮化物的回火索氏体，心部为回火索氏体。 工件渗氮后疲劳强度显著提高，这是因为渗氮层内析出比容较大的氮化物相，产生教的的残余压应力。渗氮层深度越大，疲劳强度越大。同时渗氮层 具有很高的硬度和耐磨性，即使在缺乏润滑时，仍能保持较高的硬度，有较好的抗咬合性能。渗氮层中的 相致密度高，化学稳定性强，因而具有很好的耐腐蚀性，可以抵抗水、过热蒸汽、及碱性溶液的腐蚀。 8 热处理设备 的选择 常用的热处理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（ 650 -1000 ）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设备经济性、可靠性、配套性、安全性、安全性以及工厂的实际情况等来选择 【 8】 8.1 箱式电阻炉的选择 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。 完全退火、去应力退火以及高温回火温度均不超过 950，可以选中温箱式电阻炉。 因为工件 淬火 温度过高， 箱式炉炉温不均， 中温箱式电阻炉无法满足温度需求，故选用高温电阻炉。高温箱式电阻炉最高工作温度有 1200和 1350两种，这类炉子的特点是在此温度下主要依靠辐射传热 表 ，因此电热元件直接布置在工作室内，要求炉内有足中北大学课程 设计说明书 15 够的辐射面积。 表 10 是中温箱式电阻炉的各种技术参数， 表 11 为 1200 箱式电阻炉各种 技术 参数， 配油盘的尺寸是 110mmx10mm， 并且为 小批量 生产 。 表 10 中温箱式电阻炉产品规格及技术参数 【 9】 型号 功率/KW 电压 /V 相数 最高工作温度 炉膛 尺寸 （长宽高） /（ mm mm mm） 炉温 850 时的指标 空载耗能/KW 空炉升温时间 /h 最大装载量 /kg RX-3-15-9 15 380 1 950 600300250 5 2.5 80 RX-3-30-9 30 380 3 950 950450350 7 2.5 200 RX-3-45-9 45 380 3 950 1200600400 9 2.5 400 RX-3-60-9 60 380 3 950 1500750450 12 3 700 RX-3-75-9 75 380 3 950 1800900550 16 3.5 1200 表 11 1200 箱式电阻炉产品规格及技术参数 【 9】 型号 功率/KW 电压 /V 相数 最高工作温度 炉膛 尺寸 （长宽高） /（ mm mm mm） 炉温 850 时的指标 空载耗能/KW 空炉升温时间 /h 最大装载量 /kg RX-3-20-12 20 380 1 1200 650300250 7 3 50 RX-3-45-12 45 380 3 1200 950450350 13 3 100 RX-3-65-12 65 380 3 1200 1200600400 17 3 200 RX-3-90-12 90 380 3 1200 1500750450 20 4 400 RX-3-115-12 115 380 3 1200 1800900550 22 4 600 （ 1） 根据零件的尺寸和加热温度条件，并综合考虑经济效益 及生产方式 ， 完全退火、去应力退火以及高温回火选择 RX-3-15-9 型号的箱式电阻 炉。 （ 2）根据零件尺寸和淬火温度，并综合考虑经济效益及生产方式，淬火工艺选择 RX-3-20-12 型号的箱式电阻炉。 8.2 离子渗氮设备的选择 表 12 井式渗氮炉产品规格及技术参数 中北大学课程 设计说明书 16 型号 额定功 率/KW 额定电 压/V 相数 最高工作 温度/ 炉膛尺寸 （长 x 宽 x 高） /（ mmxmmxmm） 外形尺寸 /（ mmxmm） 电炉重量/kg 备注 LD-2-25 25 380 3 650 810x810x800 1240x1240x2000 1600 堆放普通型 LD-2-25B 35 380 3 650 810x810x800 1240x1240x2000 1600 对方半自动 LD-2-50 60 380 3 650 1060x1060x110 1557x1557x2350 2730 堆放普通型 LD-2-50B 75 380 3 950 1060x1060x110 1557x1557x2350 2730 对方半自动 由表可知，渗氮处理可以选用 LD2-25 型离子炉。 8.3 热处理冷却设备的选择 中北大学课程 设计说明书 17 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。 由出于经济的考虑，我们选择油冷 ，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 2 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 工装设计（夹具、辅具等） 工装设计主要指的是热处理过程中所用到的辅具和夹具以及其他设备所进行的选择 。 9.1 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。 中北大学课程 设计说明书 18 图 3 箱式炉装料盘 图 4 盘形零件渗氮夹具 9.2 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、中北大学课程 设计说明书 19 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。10 质量检验 【 10】 表 12 渗氮件的质量检查 检查项目 检查内容及方法 备注 外观检查 氮化表面呈银灰色，无光泽 有光点表示该处清理不佳导致未渗氮 中北大学课程 设计说明书 20 渗氮层 深度检查 端口法：用带刻度的放大镜直接观察其深度 金相法：在金相显微镜下测量氮化层与基体的明显交界处 渗氮层 硬度检查 用维氏硬度计或者表面洛氏硬度计测量表面硬度 渗氮后检验 渗氮层 脆性检查 用维氏硬度计压痕作为评断依据，根据压痕的外形，将脆性分为五级 一级压痕边角完整侵袭；五级压痕四边破裂，轮廓不清 脉状氮化物的检验 渗氮层组织中不应该存在网状的氮化物，连续的波纹状氮化物以及鱼骨状氮化物。渗氮后不再进行磨削加工的零件 相层厚度不超过 0.03mm 渗氮层疏松及原始组织的测定 渗氮层中不应该有严重的微孔，来不判定渗氮层是否疏松。对于渗氮层原始组织的要求为渗氮前原始组织应该为回火索氏体。 零件尺寸 渗氮后不需要再精磨的零件，尺寸变化不得超过图纸标注范围。需要精磨的零件最大变形处的磨削量不超过 0.15mm。 11 热处理缺陷分析 【 11】 在实际的热处理过程中，由于原材料 的 缺陷、工艺设计不当、工序不当、操作不当等原因，易造成各种热处理缺陷的产生。 轴类在加工过程中可能出现 的热处理缺陷如下： （ 1）硬度过高， W（ C） 0.45%的中、高碳钢在正火过程中容易出现硬度过高现象。 产生原因： 冷却速度快，组织中珠光体片间距变细，碳化物弥散度增大；装炉量大，炉温不均匀。严格控制工艺参数，可消除硬度过高缺陷。 中北大学课程 设计说明书 21 （ 2）淬火畸变， 产生原因： 热处理前后组织比体积不同是引起体积变化的主要原因，加热温度不均，淬火冷却时的不同时性形成的热应力和组织应力使工件局部发生塑性变形。消除方式：降低淬火加热温度对减少热应力和组织应力畸变都有作用，缓慢加热或对工件进行预热，可减少加热过程中的热畸变，合理捆扎和吊挂工件。根据工件的形状采用合理的淬入方式。 （ 3） 淬火开裂， 产生原因： 冷却不当，在 Ms 温度以下快冷，因组织应力大引起开裂，还可能是淬火后未及时回火，工件内部的显微裂纹在淬火应力作用下扩展成宏观裂纹。消除方式：正确进行预先热处理，避免正火、退火组织缺陷。合理选择淬火介质和淬火方法。易开裂工件，淬火后要及时回火。 （ 4）脉状氮化物，渗氮（特别是离子渗氮）易出现脉状氮化物，即扩散层与表面平行呈白色波纹状的氮化物。一般认为与合金元素在晶界偏聚及氮原子的扩散有关，因此，控制合金元素的偏聚的措施均有利于减轻脉状氮化物的形成。工艺参数方面，渗氮温度越高，保温时间越长，越 易形成脉状组织。如工件棱角处，因渗氮温度相对较高，脉状组织比其他部位严重。 （ 5）渗氮层硬度偏低或者硬度不均匀，形成原因：渗氮时温度偏高，使用了新的渗氮炉。零件表面有锈斑或者油污等，零件在调质后硬度太低。装炉不当，使气流循环不良或者密封性不好 ，有漏气现象。所以在进行渗氮前需要对零件表面的锈斑和油污进行处理 【 10】 。 （ 6）渗氮层深度较浅，主要是因为装炉不当，是的零件间的相互距离太近；保温时间不高。为了弥补缺陷，需要进行补渗的操作处理。 （ 7） 零件出现变形，形成原因：机加工时留下的残余应力，以及零件尺 寸较大，形状较复杂。渗氮面不对称或者局部渗氮，同时还有零件自重的影响。由于渗氮层体积增大而产生的应力 【 10】 。 12 结束语 通过这次课程计，我在多方面都有所提高。在完成设计的过程中，你需要考虑许多课堂上不需要考虑的东西比如说经济性、实用性等。不仅需要我们学到的专业知识，还需要我们通过图书馆及网络等资源来收集资料。通过分析零件图，制定合适的工艺路线，分析工艺路线的可行性、经济性和环保性，分析可能产生中北大学课程 设计说明书 22 的缺陷并提供消除办法，分析工艺过