热处理原理与工艺课程设计.doc

* * 大 学热处理原理与工艺课程设计 题目： 50Si2Mn弹簧钢的热处理工艺设计 院（系）：机械工程学院专业班级：*学号：*学生姓名：*指导教师：*起止时间：2014-12-15至2014-12-19课程设计任务及评语院（系）：机械工程学院 教研室：材料教研室学 号*学生姓名*专业班级*课程设计题 目50Si2Mn弹簧钢的热处理工艺设计课程设计要求与任务一、课设要求熟悉设计题目，查阅相关文献资料，概述50Si2Mn弹簧钢的热处理工艺，制定出热处理工艺路线，完成工艺设计；分析50Si2Mn弹簧钢的成分特性；阐述50Si2Mn弹簧钢淬火、回火热处理工艺理论基础；阐述各热处理工序中材料的组织和性能；阐明弹簧钢的热处理处理常见缺陷的预防及补救方法；选择设备；给出所用参考文献。二、课设任务1.选定相应的热处理方法；2.制定热处理工艺参数；3.画出热处理工艺曲线图；4分析各热处理工序中材料的组织和性能；5.选择热处理设备三、设计说明书要求设计说明书包括三部分：1）概述；2）设计内容；3）参考文献。工作计划集中学习0.5天，资料查阅与学习，讨论0.5天，设计6天：1）概述0.5天，2）服役条件与性能要求0.5天，3）失效形式、材料的选择0.5天，4）结构形状与热处理工艺性0.5天，5）冷热加工工序安排0.5天，6）工艺流程图0.5天，7）热处理工艺设计1.5天，8）工艺的理论基础、原则0.5天， 09）可能出现的问题分析及防止措施0.5天，10）热处理质量分析0.5天，设计验收1天。指导教师评语及成绩成绩： 学生签字： 指导教师签字： 年 月 日* 大 学 课 程 设 计 说 明 书 目 录一、概述-11. 课程设计的目的-12. 课程设计的任务-13. 课程设计的题目-14. 课程设计的内容及步骤-1二、热处理工艺课程设计的内容及要求-11、零件的技术要求及选材-12、化学特点和性能-23、制定热处理工艺路线-34、工艺参数-35、热处理工艺曲线-76、分析各热处理工序中材料的组织和性能-77、缺陷分析-88、选择热处理设备-109、测温仪器和温度控制方式-10三、收获和体会-11四、参考文献-11第一部分 概述1、课程设计的目的 热处理工艺课程设计是高等学校金属材料工程专业一次专业课设计练习，是热处理原理与工艺课程的最后一个教学环节。其目的是： （1）培养学生综合运用所学热处理课程的知识去解决工程问题的能力，并使其所学知识得到巩固和发展。 （2)学习热处理工艺设计的一般方法，热处理设备的选用等。 （3）进行热处理设计的基本技能训练，如计算、工艺图绘制和学习使用设计资料、手册、标准和规范。因此，本课程设计要求我们综合运用所学知识来解决生产实践中的热处理工艺制定问题，包括工艺设计中的细节问题，如设备的选用，夹具的设计等。要求我们设计工艺流程，这需要查阅大量的文献典籍。如何灵活使用资料、手册，怎样高效查找所需信息，以及手册的查找规范和标准等，均不是一蹴而就的事情，需要我们在实践中体会并不断地总结，才能不断进步。2、课程设计的任务根据技术要求，选定相应的热处理方法，制定热处理工艺参数，画出热处理工艺曲线图，分析各热处理工序中材料的组织和性能，选择热处理设备。3、课程设计的题目 50Si2Mn 弹簧钢的热处理工艺第二部分 热处理工艺课程设计的内容及要求1、零件的技术要求及选材 热处理态及硬度: HRC42-45 变形要求： 1% 组织： 马氏体+回火托氏体 其它：能承受极限载荷10000N，单圈刚度=1500N/mm，工作极限载荷下 的单圈变形量=6mm，许用应力740MPa.弹簧选材的原则是：首先满足功能要求，其次是强度要求，最后才考虑经济性。 碳素弹簧钢是弹簧钢中用途广泛，用量最大的钢类。钢中含0.60%0.90%的碳和0.3%1.20%的锰，不再添加其它合金元素，使用成本相对较低。碳素弹簧钢丝经适当的加工或热处理，可以获得很高的抗拉强度，足够的韧性和良好的疲劳寿命。但碳素钢丝的淬透性低，抗松弛性能和耐蚀性能差，弹性模量的温度系数较大(高达30010-6/)，适用于制造截面较小，工作温度较低(120)的弹簧。 合金弹簧钢一般含0.45%0.70%的碳和一定量的Si，Mn，Cr，V，W及B等合金元素。合金元素的加入改善弹簧钢的抗松弛性能，提高钢的韧性，同时显著提高钢的淬透性和使用温度，适用于制造较大截面，较高温度下使用的弹簧。2、50Si2Mn 弹簧钢的化学特点和性能要求由于弹簧是在弹簧范围内工作，不允许产生永久变形。弹簧钢应具有优良的综合性能，如力学性能 (特别是弹性极限、弹性极限、屈强比)、抗弹减性能(即抗弹性减退性能，又称抗松弛性能)、疲劳性能、淬透性、物理化学性能(耐热、耐低温、抗氧化、耐腐蚀等)。为了满足上述性能要求，弹簧钢具有优良的冶金质量(高的纯洁度和均匀性)、良好的表面质量(严格控制表面缺陷和脱碳)、精确的外形和尺寸。表一：50Si2Mn 弹簧钢的成分钢号CSiMnCrNiPS50Si2Mn0.560.641.502.000.600.900.701.000.350.0400.040 、C:每种合金元素形成碳化物时都要有一定数量的碳与之化合，含碳量低会使部分合金元素失去析出硬化的机会；含碳量过高，多余的碳会和铁形成化合物或其他稳定性差的碳化物，从而降低钢的可加工性及韧性。 、W：钨是提高高速钢回火稳定性和耐热性的主要元素。在马氏体中，钨原子和碳原子的结合力很大，提高了马氏体在受热时的分解稳定性，使钢在高达550600时仍能保持高的硬度。钨的碳化物在高温加热时有力的起到阻止晶粒长大的作用。高速钢淬火后在560回火时，碳化物析出并作均匀弥散分布；钢中残余奥氏体在回火后冷却时转为马氏体，将产生二次硬化作用。这些都能进一步提高钢的耐磨性和切削性能。 、Cr：铬可提高钢的淬透性和回火稳定性，促进W、V等碳化物的析出硬化。V：钒也是提高高速钢回火稳定性和耐热性的元素。钒的碳化物硬度高，晶粒细，有较强的抗集聚能力，随着钒含量增加，钢的耐磨性大幅度提高，但可磨削性显著降低，增加了刃磨困难。为此钒的含量一般不超过3%。 、Si：有助于提高钢的耐热性和热硬性，但韧性较差。 、Al: 铝的作用和钴相似，并有容易形成致密氧化膜而起着防止沾刀的作用。 、S、N：加入少量的硫，可以得到易切削的高速钢；加入少量的氮，可以增加钢的红硬性，提高刀具的切削性能。3、制定热处理工艺路线 原材料检查前期预处理下料（剪断）料头锻扁加热卷绕成型 淬火（淬火介质为油）中温回火（带芯棒）初步检验整形去应力退火（带芯棒）检验喷砂立定处理断面加工检验表面防腐处理4、工艺参数加热温度：钢：小于A1 碳钢及低合金钢：550650高合金钢：600750 铸铁：500550加热速度：100150/h 保温时间：35min/mm 冷却速度：50100/h（1）正火 正火是将钢加热到Ac3或ACcm以上3050并保温一定时间，然后出炉在空气中冷却的热处理工艺。与完全退火相比，二者的加热温度及保温时间相同，但正火冷却速度较快，转变温度较低，发生伪共析转变。正火工艺参数示意图如下（2）淬火加中温回火 将工件加热保温后，在水、油或其它无机盐、有机水溶液等淬冷介质中快速冷却。淬火后钢件变硬，但同时变脆。为了降低钢件的脆性，将淬火后的钢件在高于室温而低于710的某一适当温度进行长时间的保温，再进行冷却，这种工艺称为回火。（3）淬火加热方式及加热温度的确定原则淬火一般是最终热处理工序。因此，应采用保护气氛加热或盐炉加热。只有一些毛坯或棒料的调质处理(淬火、高温回火)可以在普通空气介质中加热。因为调质处理后尚须机械切削加工，可以除去表面氧化、脱碳等加热缺陷。但是随着少、无切削加工的发展、调质处理后仅是一些切削加工量很小的精加工，因而也要求无氧化，脱碳加热。 淬火加热一般是热炉装料。但对工件尺寸较大，几何形状复杂的高合金钢制工件，应该根据生产批量的大小，采用预热炉(周期作业)预热，或分区(连续炉)加热等方式进行加热。 1：淬火加热温度： 淬火加热温度，主要根据钢的相变点来确定。对亚共析钢，一般选用淬火加热温度为Ac3+（3050)，过共析钢则为Ac1+(3050)。之所以这样确定，因为对亚共析钢来说，若加热温度低于Ac3，则加热状态为奥氏体与铁素体二相组成，淬火冷却后铁素体保存下来，使得零件淬火后硬度不均匀，强度和硬度降低。比Ac3点高3050的目的是为了使工件心部在规定加热时间内保证达到Ac3点以上的温度，铁素体能完全溶解于奥氏体中，奥氏体成分比较均匀，而奥氏体晶粒又不致于粗大。对过共析钢来说，淬火加热温度在Ac1Ac3之间时，加热状态为细小奥氏体晶粒和未溶解碳化物，淬火后得到隐晶马氏体和均匀分布的球状碳物。这种组织不仅有高的强度和硬度、高的耐磨性，而且也有较好的韧性。如果淬火加热温度过高，碳化物溶解，奥氏体晶粒长大，淬火后得到片状马氏体(孪晶马氐体)，其显微裂纹增加，脆性增大，淬火开裂倾向也增大。由于碳化物的溶解，奥氏体中含碳量增加，淬火后残余奥氏体量增多，钢的硬度和耐磨性降低。高于Ac1点3050的目的和亚共析钢类似，是为了保证工件内各部分温度均高于Ac1。 2：注意：确定淬火加热温度时，尚应考虑工件的形状、尺寸、原始组织、加热速度、冷却介质和冷却方式等因素。 在工件尺寸大、加热速度快的情况下，淬火温度可选得高一些。因为工件大，传热慢，容易加热不足，使淬火后得不到全部马氏体或淬硬层减薄。加热速度快，工件温差大，也容易出现加热不足。另外，加热速度快，起始晶粒细，也允许采用较高加热温度。在这种情况下，淬火温度可取Ac3+(5080)，对细晶粒钢有时取Ac3+100。对于形状较复杂，容易变形开裂的工件，加热速度较慢，淬火温度取下限。 考虑原始组织时，如先共析铁素体比较大，或珠光体片间距较大，为了加速奥氏体均匀化过程，淬火温度取得高一些。对过共析钢为了加速合金碳化物的溶解，以及合金元素的均匀化，也应采取较高的淬火温度。例如高速钢的Ac1点为820840，淬火加热温度高达1280。 考虑选用淬火介质和冷却方式时，在选用冷却速度较低的淬火介质和淬火方法的情况下，为了增加过冷奥氏体的稳定性，防止由于冷却速度较低而使工件在淬火时发生珠光体型转变，常取稍高的淬火加热温度。 二、淬火加热时间的确定原则 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。因此，淬火加热时间包括升温和保温两段时间。在实际生产中，只有大型工件或装炉量很多情况下，才把升温时间和保温时间分别进行考虑。一般情况下把升温和保温两段时间通称为淬火加热时间。当把升温时间和保温时间分别考虑时，由于淬火温度高于相变温度，所以升温时间包括相变重结晶时间。保温时间实际上只要考虑碳化物溶解和奥氏体成分均匀化所需时间即可。在具体生产条件下，淬火加热时间常用经验公式计算，通过试验最终确定。常用经验公式是 式中 t加热时间，(min)； a加热系数，(minmm)； K装炉修正系数； D零件有效厚度(mm)。 加热系数口表示工件单位厚度需要的加热时间，其大小与工件尺寸、加热介质和钢的化学成分有关。装炉量修正系数X是考虑装炉的多少而确定的。装炉量大时，K值也应取得较大，一般由实验确定；工件有效厚度D的计算，可按下述原则确定：圆柱体取直径，正方形截面取边长，长方形截面取短边长，板件取板厚，套筒类工件取壁厚，圆锥体取离小头23长度处直径，球体取球径的06倍作为有效厚度D。 三、淬火介质及冷却方式的选择与确定 淬火介质的选择，首先应按工件所采用的材料及其淬透层深度的要求，根据该种材料的端淬曲线，通过一定的图表来进行选择。其选择方法已在本章淬透性一节讲述。若仅从淬透层深度角度考虑，凡是淬火烈度大于按淬透层深度所要求的淬火烈度的淬火介质都可采用。但是从淬火应力变形开裂的角度考虑，淬火介质的淬火烈度愈低愈好。综合这两方面的要求，选择淬火介质的第一个原则应是在满足工件淬透层深度要求的前提下，选择淬火烈度最低的淬火介质。（4）中温回火（350500） 中温回火后的组织为回火托氏体，它是由尚未发生再结晶的针状铁素体和弥散分布的极细小的片状或粒状渗碳体组成，其形态仍为淬火马氏体的片状或板条状。中温回火的主要目的是为了获得高的屈强比，高的弹性极限，高的韧性，回火托氏体的硬度为3545HRC。中温回火主要用于处理各种弹簧、锻模。所以我们在工艺中选择中温回火。（5）去应力退火 定义：为了去除由于塑性形变加工、焊接等造成的以及铸件内存在的残余应力而进行的退火。 冷形变后的金属在低于再结晶温度加热，以去除内应力，但仍保留冷作硬化效果的热处理，称为去应力退火。 在实际生产中， 去应力退火工艺的应用要比上述定义广泛得多。热锻轧、铸造、各种冷变形加工、切削或切割、 焊接、热处理，甚至机器零部件装配后，在不改变组织状态、保留冷作、热作或表面硬化的条件 下，对钢材或机器零部件进行较低温度的加热，以去除（全部或部分的）内应力，减小变形、开裂。进行去应力退火时，金属在一定温度作用下通过内部局部塑性变形(当应力超过该温度下材料的屈服强度时)或局部的弛豫过程(当应力小于该温度下材料的屈服强度时)使残余应力松弛而达到消除的目的。在去应力退火时，工件一般缓慢加热至较低温度(灰口铸铁为500550，钢为500650，有色金属合金冲压件为再结晶开始温度以下)，保持一段时间后，缓慢冷却，以防止产生新的残余应力。去应力退火并不能完全消除工件内部的残余应力，而只是大部分消除。要使残余应力彻底消除，需将工件加热至更高温度。在这种条件下，可能会带来其他组织变化，危及材料的使用性能。（6）50Si2Mn弹簧钢的热处理工艺曲线是：加热温度：钢：小于A1碳钢及低合金钢：550650高合金钢：600750铸铁：500550加热速度：100150/h保温时间：35min/mm冷却速度：50100/h550650空冷温度时间A1 图一：50Si2Mn弹簧钢热处理工艺曲线图5、分析各热处理工序中材料的组织和性能（1）淬火 对亚共析钢来说，若加热温度低于Ac3，则加热状态为奥氏体与铁素体二相组成，淬火冷却后铁素体保存下来，使得零件淬火后硬度不均匀，强度和硬度降低。比Ac3点高3050的目的是为了使工件心部在规定加热时间内保证达到Ac3点以上的温度，铁素体能完全溶解于奥氏体中，奥氏体成分比较均匀，而奥氏体晶粒又不致于粗大。对过共析钢来说，淬火加热温度在Ac1Ac3之间时，加热状态为细小奥氏体晶粒和未溶解碳化物，淬火后得到隐晶马氏体和均匀分布的球状碳物。这种组织不仅有高的强度和硬度、高的耐磨性，而且也有较好的韧性。如果淬火加热温度过高，碳化物溶解，奥氏体晶粒长大，淬火后得到片状马氏体(孪晶马氐体)，其显微裂纹增加，脆性增大，淬火开裂倾向也增大。由于碳化物的溶解，奥氏体中含碳量增加，淬火后残余奥氏体量增多，钢的硬度和耐磨性降低。高于Ac1点3050的目的和亚共析钢类似，是为了保证工件内各部分温度均高于Ac1。 （2）中温回火中温回火后的组织为回火托氏体，它是由尚未发生再结晶的针状铁素体和弥散分布的极细小的片状或粒状渗碳体组成，其形态仍为淬火马氏体的片状或板条状。中温回火的主要目的是为了获得高的屈强比，高的弹性极限，高的韧性6、缺陷分析 （1）疏松疏松是钢不致密的表现，多出现于钢锭的上部，在化学成分上疏松点的碳、硫、磷含量比集体偏高。根据疏松在横断面上的分布位置，将疏松分为一般疏松和中心疏松。（1）一般疏松。钢材横截面上组织不致密，腐蚀后整个截面上呈分散的小孔隙和暗黑色小圆点。 （2）中心疏松。钢材横截面上轴心区域组织不致密，腐蚀后有聚集的小孔隙、凹陷的暗黑点和中心变黑的现象。（2）缩孔 在钢材横截面的轴心区域，浸蚀后显现出不规则的皱折缝隙或空洞，周围集聚严重的疏松、偏析和非金属夹杂物。由于热加工的影响，缩孔的位置常常造成偏心。在钢材的纵向截面上，缩孔表现为非结晶构造的条带和疏松，有时存在杂质。正常情况下，钢锭在切除冒口时即可将冒口切去，但若缩孔较深或产生二次缩孔，以及钢锭切头量过少使缩孔未能切净，钢中仍会存在部分缩孔，或因此引起的二次裂纹，称为缩孔残余。（3）偏析 偏析是指钢中化学成分分布不均匀的现象。在化学成分上，偏析带上的碳、硫、磷以及其它杂质的含量较基体较高，其中以碳的增高为最显著。经浸蚀后可能见到的偏析主要有方框形偏析、中心偏析和点状偏析。（1）方框形偏析。在钢材的横截面上，腐蚀后显现出由致密的暗黑色小点组成的颜色较深的方框形，方框以内的组织较外部不致密。由于热加工变形的影响，方框有时变成不规则的“”形、“”形乃至任意形状。（2）中心偏析。在钢材横截面的中心部位，腐蚀后显现出形状不规则的深暗色斑点。 （3）点状偏析。在钢材的横截面上，腐蚀后显现出分散的、不同形状、不同大小、略有低陷的暗黑色斑点，在钢材的纵断面上呈暗色条带，严重时往往伴有气泡出现。（4）夹杂钢中的夹杂分为三类：金属夹杂、非金属夹杂和翻皮。（1）金属夹杂。在钢材的横截面上，浸蚀后显现出边界清晰、与基体金属颜色明显不同的异形金属块。（2）非金属夹杂。在钢材的横截面上，浸蚀后表现为有一定深度又不规则的小空洞，有时可见到白色或其它颜色的夹杂颗粒，分布无一定规律。（3）翻皮。在钢材横截面上，浸蚀后可见到亮白色或暗色的、弯曲且不规则的细长带，缺陷内部及周围常常有非金属夹杂和气孔。在纵向截面上，显示为不同颜色的非结晶构造的条纹。，严重时呈层状。（5）白点在钢材的横截面上，浸蚀后可见到直的、弯曲的或锯齿形的细长裂纹，位置多在1/31/2半径（或壁厚）处，也有的处于中心位置。白点的位置与钢材及锻件的冷却条件有关，冷却越快白点越接近表面，冷却缓慢则白点趋向中心。冷却快形成的白点数量多长度短，冷却慢形成的白点数量少长度较长。在纵向断口上，白点多显示为圆形或椭圆形的银白色斑点，直径从零点几毫米至十几毫米乃至几十毫米。（6）裂纹（1）轴心晶间裂纹。轴心晶间裂纹是钢锭凝固结晶时产生的热裂纹，在热轧和锻压时未能焊合而遗留在成材中，在钢材横截面的中心区域，浸蚀后显示为蜘蛛网状裂纹。（2）发纹。发纹是钢中夹杂和气孔等缺陷在加工时延伸而形成的，它表现为沿钢材的加工方向的类似头发丝粗细的裂纹。（7）去应力退火常见缺陷 温度高了，烧化了，组织不正常了是缺陷，吊装中磕碰，温度低了，内应力没有消除。 7、热处理设备的选择 （1）前期预处理和热处理都是用的是真空炉 50Si2Mn弹簧淬火前应上硼砂，以防脱碳（操作方法：将弹簧加热到400-500时出炉淬入100-150硼砂饱和水溶液中，停留片刻，待表面涂上一层硼砂后，再入炉加热），调质后应喷砂上油。 弹簧淬火时，应水平方向淬入冷却液，一般在油中可以不运动，但对较大弹簧在油中应运动一段时间，然后静止冷却。 淬火油使用温度要求为20-60。 （2） 清洗设备：废水池。 （3）