热处理车间毕业设计.doc

辽宁科技大学本科生毕业设计 第77页摘 要本设计说明书包括综述、热处理车间设计和专题三部分。随着热处理工艺的发展，在提高热处理车间劳动生产率及降低产品热处理成本等方面提出了进一步的要求。所以，需要有计划的兴建一批技术先进、设备完善、生产组织合理的专业化热处理车间。在此设计中，主要介绍了典型产品20Gr、热处理炉的设计以及热处理过程中相关设备和参数的选择。对热处理炉的设计，选用适当的耐火材料和保温材料以及对各种使用参数的确定，可以减少热损失、节约能源和提高生产效率，从而获得最大的经济效益和环境效益。最后是专题研究。设计的精髓是创新、改进，并具有实用性。本文在鞍山钢铁集团机械修理总厂热处理车间的基础上做了进一步的改进，设计了一个综合热处理车间。关键词：热处理；热处理炉；车间AbstractThis design instruction includes there parts, the summarize、the design of the heat treatment workshop and the special subject. Along with the develop of the technology of heat treatment, advance require go a step further cope with raise working productivity of heat treat workshop and reduce heat treat costs for product. Therefore, require construct a number of specialized heat treat workshop have planned with advanced technology、installation flawless、reasonable manufacture organize. In this design, have introduced the typical establishment、the design of the stove of heat treatment and choices of coherent equipments, which were used in the process of heat treatment, and their parameters. For the design of the stove of heat treatment, selecting appropriate refractory and heat insulator and establishing various operation parameters will reduce heat loss, conserve energy and improve productivity. As a result, the maximum economic benefits and environmental performance will be acquired. At the end is the research of special subject. The most important fact of the design is to bring new ideas and improved, and has practicality. This paper makes further improvement on the mechanical to repair total factory of Anshan steel group workshop of heat treatment, has designed a comprehensive workshop of heat treatment.Keywords: heat treatment；heat-treatment furnace；workshop摘 要IAbstractII1 文献综述11.1热处理的发展历史11.2热处理工艺21.2.1退火31.2.2正火51.2.3淬火61.2.4回火91.2.5表面热处理91.3热处理的主要缺陷及其防止办法131.4 我国热处理现状及未来发展趋势141.4.1大力发展多参数热处理和复合热处理工艺141.4.2 采用新的淬火介质和改进淬火方式151.4.3 研制研发各种新型热处理设备162 车间产品方案的确定172.1 产品方案列表172.2 典型产品183 热处理设备选择193.1车间主要设备选择193.1.1选择设备应遵守的原则193.1.2设备的选择193.1.3车间辅助设备的选择214 典型产品的热处理工艺254.1典型产品材料254.1.1 20Cr钢的化学成分254.1.2 20Cr钢的力学性能及其用途254.1.3 20Cr齿轮生产工艺流程264.1.4 20Cr钢的渗碳工艺274.1.5 20Cr钢的主要技术要求295热处理电阻炉的设计305.1 炉型的选择305.2 炉膛尺寸的确定305.2.1 炉底面积的确定305.2.2炉底直径的确定315.2.3炉膛高度的确定315.2.4炉衬材料及厚度的确定315.2.5 砌体平均表面积计算325. 3加热炉功率的计算335.3.1加热工件所需的热量Q件345.3.2炉衬散失的热量Q散345.3.3开启炉门的辐射热损失Q辐395.3.4加热控制气体所需热量Q控405.3.5开启炉门溢气热损失Q吸405.3.6其它热损失Q它405.3.7热量总支出405.3.8炉子安装功率405.3.9炉子的热效率计算415.3.10炉子空载功率的计算415.4 功率的分配和接线415. 5 电热组件材料选择与计算415.5.1电热组件的性能要求425.5.2电热组件的选择及计算425. 6 等温淬火槽计算455.6.1淬火介质需要量465.6.2淬火槽形状与尺寸466 车间组织和经济技术指标496.1.1直接生产组496.1.2 辅助生产组506.1.3 技术组506.1.4 行政管理组506.1.5 其它人员506.1.6该车间总人数506.2 车间技术经济指标516.3热处理车间主要技术经济指标的计算：516.3.1车间年产量516.3.2车间总面积、生产面积516.3.3车间工人人数526.3.4主 要 加 热 设 备 数 量526.3.5总劳动量526.3.6车间电力安装容量526.3.7电力的计算526.3.8 生产用水量计算566.4车间的经济分析576.4.1基本建设投资计算576.4.2生产成本的分析587 专题部分20Cr齿轮钢亚温淬火的研究60致 谢68参考文献69附 录701 文献综述热处理是将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组织结构,来控制其性能的一种综合工艺过程。热处理是机械工业的一项重要基础技术，通常像轴、轴承、齿轮、连杆等重要的机械零件和工模具都是要经过热处理的，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而且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，只要选材合适，热处理得当，就能使机械零件和工模具的使用寿命成倍、甚至十几倍的提高，实现“搞好热处理，零件一顶几”的目标，收到事半功倍的效果。热处理对于充分发挥金属材料的性能潜力，提高产品的内在质量，节约材料，减少能耗，延长产品的使用寿命，提高经济效益都具有十分重要的意义。1.1热处理的发展历史在从石器时代进展到铜器时代和铁器时代的过程中，热处理的作用逐渐为人们所认识。早在公元前770至前222年，中国人在生产实践中就已发现，铜铁的性能会因温度和加压变形的影响而 变化。白口铸铁的柔化处理就是制造农具的重要工艺。 公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高钢的硬度，淬火工艺遂得到迅速发展。中国河北省易县燕下都出土的两把剑和一把戟，其显微组织中都有马氏体存在，说明是经过淬火的。 随着淬火技术的发展，人们逐渐发现淬冷剂对淬火质量的影响。三国蜀人蒲元曾在今陕西斜谷为诸葛亮打制3000把刀，相传是派人到成都取水淬火的。这说明中国在古代就注意到不同水质的冷却能力了，同时也注意了油和尿的冷却能力。中国出土的西汉(公元前206公元24)中山靖王墓中的宝剑,心部含碳量为0.150.4%，而表面含碳量却达0.6%以上，说明已应用了渗碳工艺。但当时作为个人“手艺”的秘密，不肯外传，因而发展很慢。 1863年，英国金相学家和地质学家展示了钢铁在显微镜下的六种不同的金相组织，证明了钢在加热和冷却时，内部会发生组织改变，钢中高温时的相在急冷时转变为一种较硬的相。法国人奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论，以及英国人奥斯汀最早制定的铁碳相图，为现代热处理工艺初步奠定了理论基础。与此同时，人们还研究了在金属热处理的加热过程中对金属的保护方法，以避免加热过程中金属的氧化和脱碳等。 18501880年，对于应用各种气体(诸如氢气、煤气、一氧化碳等)进行保护加热曾有一系列专利。18891890年英国人莱克获得多种金属光亮热处理的专利。二十世纪以来，金属物理的发展和其他新技术的移植应用，使金属热处理工艺得到更大发展。一个显著的进展是19011925年，在工业生产中应用转筒炉进行气体渗碳 ；30年代出现露点电位差计,使炉内气氛的碳势达到可控，以后又研究出用二氧化碳红外仪、氧探头等进一步控制炉内气氛碳势的方法；60年代，热处理技术运用了等离子场的作用，发展了离子渗氮、渗碳工艺 ；激光、电子束技术的应用，又使金属获得了新的表面热处理和化学热处理方法。1.2热处理工艺热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。这些过程互相衔接，不可间断。加热是热处理的重要工序之一。金属热处理的加热方法很多，最早是采用木炭和煤作为热源，进而应用液体和气体燃料。电的应用使加热易于控制，且无环境污染。利用这些热源可以直接加热，也可以通过熔融的盐或金属，以至浮动粒子进行间接加热。冷却也是热处理工艺过程中不可缺少的步骤，冷却方法因工艺不同而不同，主要是控制冷却速度。一般退火的冷却速度最慢，正火的冷却速度较快，淬火的冷却速度更快。但还因钢种不同而有不同的要求，例如空硬钢就可以用正火一样的冷却速度进行淬硬。金属热处理工艺大体可分为整体热处理、表面热处理和化学热处理三大类。根据加热介质、加热温度和冷却方法的不同，每一大类又可区分为若干不同的热处理工艺。同一种金属采用不同的热处理工艺，可获得不同的组织，从而具有不同的性能。钢铁是工业上应用最广的金属，而且钢铁显微组织也最为复杂，因此钢铁热处理工艺种类繁多。 整体热处理是对工件整体加热，然后以适当的速度冷却，以改变其整体力学性能的金属热处理工艺。钢铁整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。1.2.1退火将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度，保温到一定时间，然后缓慢冷却（随炉冷却），获得接近平衡状态组织的热处理工艺。钢的退火工艺种类很多,根据加热温度可分为两大类:一类是在临界温度(Ac1或Ac3)以上的退火,又称为相变重结晶退火,包括完全退火、不完全退火、球化退火和扩散退火等;另一类是在临界温度以下的退火,包括再结晶退火及去应力退火等。（1）完全退火完全退火又称重结晶退火，主要用于亚共析成分的各种碳钢、合金钢的铸、锻件及热轧型材，有时也用于焊接结构，常作为一些不重要零件的最终热处理，或作为某些重要件的预备热处理。完全退火的目的 细化晶粒，均匀组织，消除内应力，降低硬度和改善钢的切削加工性能。适用范围 完全退火主要适用于含碳量为0.25%0.77%的压共析成分的碳钢、合金钢和工程铸件、锻件和热轧型材。低碳钢和过共析钢不宜采用完全退火，因为低碳钢完全退火后硬度偏低，不利于切削加工。过共析钢加热至Accm以上缓慢冷却时，二次渗碳体会以网状沿奥氏体晶界析出，使钢的强度、塑性和冲击韧性显著下降。完全退火需要的时间很长，尤其是过冷奥氏体比较稳定的合金钢更是如此。如果将奥氏体后的钢较快的冷至稍低于Ar1温度等温，使奥氏体转变为珠光体后，再空冷至室温，则可大大缩短退火时间，这种热处理方式称为等温退火。等温退火的目的与完全退火相同，但是等温退火时的转变容易控制，能获得均匀的预期组织，对于大型制件及合金钢制件较适宜，可大大缩短退火周期。（2）不完全退火将钢件加热至Ac1和Ac3之间，经保温并缓慢冷却，以获得接近平衡的组织，这种热处理工艺称为不完全退火。在亚共析钢中，只有在退火前的组织状态以基本上达到要求，但由于珠光体的片间距较小，硬度偏高、内应力也较大，并希望对此能有所改善时才进行不完全退火。这种退火实际上只是使珠光体部分在进行一次重结晶，基本上不改变先共析铁素体原来的形态及分布。退火后珠光体的片间距有所增大，硬度有所降低，内应力也有所降低。由于不完全退火所采取的温度较完全退火低，过程时间也较短，因而是比较便宜的一种工艺。如果不必通过完全重结晶去改变铁素体与珠光体的分布及结晶度，则总是采用不完全退火来代替完全退火。（3）扩散退火扩散退火又称均匀化退火，主要用于合金钢铸锭和铸件，以消除枝晶偏析，使成分均匀化。铸件凝固时要发生偏析，造成成分和组织的不均匀性。如果是铸锭，这种不均匀性则在轧制成钢材时，将沿着轧制方向拉长而呈方向性，最常见的如带状组织。由于这种成分和结构的不均匀性，需要长程扩散才能消除，因而过程进行得很慢，消耗大量的能量，且生产效率低，只有在必要时才使用。因此扩散退火多用于优质合金钢及偏析现象较为严重的合金。扩散退火在铸锭开坯或锻造后进行比较有效，因此此时铸态组织以被破坏，元素扩散的障碍大为减少。钢件扩散退火加热温度通常选择在Ac3或Accm以上150300，视钢种和偏析程度而异。温度过高影响加热炉寿命，并使钢件烧损过多，碳钢一般为11001200，合金钢一般为12001300.加热速度常控制在100200/h。由于扩散退火在高温下进行，且过程时间很长，因而退火后将使奥氏体晶粒十分粗大。为了细化晶粒，应在扩散退火后，补充一次完全退火。对铸锭来说，尚需压力加工，而压力加工可以细碎晶粒，故此时可不必在扩散退火后再补充一次完全退火。（4）再结晶退火经过冷变形后的金属加热到再结晶温度以上，保持适当时间，使形变晶粒重新转变为均匀的等轴晶粒，以消除形变强化和残余应力的热处理工艺，称为再结晶退火。再结晶退火主要用于消除冷变形加工（如冷轧、冷拉、冷冲）产生的畸变组织，消除加工硬化而进行的低温退火。加热温度为再结晶温度以上150250。再结晶退火可使冷变形后被拉长的晶粒重新形核长大为均匀的等轴晶，使钢的组织和性能恢复到冷变形前的状态，消除加工硬化效果。再结晶退火的目的是消除加工硬化，降低硬度，提高塑性、韧性，改善切削加工性及压延成型性能。再结晶退火既可作为钢材或其它合金多道冷变形之间的中间退火，也可作为冷变形钢材或其它合金成品的最终热处理。再结晶退火温度与金属的化学成分和冷变形量有关。当钢处于临界冷变形度（6%10%）时，应采用正火或完全退火来代替再结晶退火。一般钢材再结晶退火温度为650700，保温时间为13h，通常在空气中冷却。（5）球化退火球化退火是将钢件或毛坯加热到略高于Ac1的温度，经长时间保温，使钢中二次渗碳体自发转变为颗粒状渗碳体，然后以缓慢的速度冷却到室温的工艺方法。球化退火的目的是降低硬度，均匀组织，改善切削加工性能；消除网状或粗大碳化物颗粒，为最终热处理（淬火）做好组织准备。球化退火主要用于制造刃具、量具、模具等用的过共析碳钢及合金工具钢。球化退火前，钢的原始组织中不允许有网状碳化物存在，如果有网状碳化物存在时，应该事先进行正火，消除网状碳化物，然后在进行球化退火。否则球化效果不好。（6）去应力退火去应力退火又称低温退火，主要用于消除铸件、锻件、焊接件、冲压件及机加零件的残余应力。 去应力退火是将零件缓慢加热到600650，保温一定时间，然后随炉缓慢冷却至200出炉。去应力退火组织不发生变化，残余应力主要是在500650保温后的缓冷过程中消除。低温退火残余应力的消除，是通过塑性变形或蠕变变形产生的应力松弛实现的。采用更高温度退火，当然应力更消除的彻底，但不仅氧化、脱碳严重，还会产生高温变形，故除了消除应力，一般是采用低温退火。对一般大型焊接结构件，无法装炉退火时，可用火焰及感应加热方法，对焊缝影响区进行局部去应力退火。1.2.2正火所谓正火，就是将钢件加热至Ac3或Accm以上进行奥氏体化，保温后从炉中取出在空气中冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺。一般低碳钢的加热温度为Ac3以上100150，中碳钢的加热温度为Ac3以上50100；过共析钢的加热温度为Accm以上3050。 正火和退火的不同之处，在于前者的冷却速度较快，过冷度较大，因而发生伪共析转变使组织中珠光体量增多，且珠光体的层片间距离减小，通常获得索氏体组织。正火主要用于：(1)改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性 一般认为硬度在HB160230范围内，金属的切削加工性好。硬度过高时，不但加工困难，刀具还易磨损；而硬度过低时切削容易“粘刀”，也使刀具发热和磨损，且加工零件表面光洁度差。低碳钢和低碳合金钢退火后的硬度一般都在HB160以下，故而切削加工性不良。正火可以提高其硬度，改善切削加工性。(2)作为普通结构零件或一些大型及形状复杂零件的最终热处理 因为正火可细化晶粒，机械性能较高，也能满足普通结构零件的性能要求，而大型或复杂零件淬火时可能有开裂危险。(3)作为中碳结构钢重要零件的预备热处理 这种钢正火后硬度在HB160230范围内，消除了热加工时带来的缺陷，故不仅有良好的切削加工性，而且还能减少零件的变形与开裂，提高淬火质量。同时也可代替调质处理，为以后高频表面淬火做准备。(4)消除铸钢件的魏氏组织 亚共析钢铁素体沿晶界分布并成针状插入珠光体内或过共析钢的二次渗碳体呈针状分布，称这种组织为魏氏组织，使材料的韧性和塑性大大下降。铸钢件和低碳钢焊缝中常存在这种组织。通过正火(也可退火)能够消除这种组织。(5)消除过共析钢中的网状二次渗碳体 正火时，由于冷却速度较快，二次渗碳体来不及沿奥氏体晶界呈网状析出。退火和正火除经常作为预备热处理工序外，对一些普通铸件、焊接件及不重要的热加工件，也可作为最终热处理工序。1.2.3淬火将钢加热到临界点以上，保温奥氏体化后再以大于临界冷却速度冷却的热处理工艺，称为淬火。钢淬火的目的一般都是为了获得马氏体，提高它的硬度和强度，例如各种工模具、滚动轴承的淬火，是为了获得马氏体以提高其硬度和耐磨性；飞机零件的淬火，通常是提高钢的强度。在有物态变化的淬火介质中淬火冷却时，钢件冷却过程分为三个阶段。1蒸气膜阶段 灼热工件投入淬火介质后，一瞬间就在工件表面产生大量过热蒸气，紧贴工件形成连续的蒸气膜，使工件与液体分开。由于蒸气是热的不良导体，这阶段的冷却主要靠辐射传热，因此，冷却速度比较缓慢。蒸气膜由液体汽化的未分解成分所组成，或由有机物体的蒸气和裂解成分所组成。2.沸腾阶段 进一步冷却时，工件表面温度降低，工件所放出热量越来越少，蒸气膜厚度减薄并在越来越多的地方破裂，以至液体就在这些地方与工件直接接触，形成大量气泡逸出液体。由于介质的不断汽化和更新，带走大量热量，所以这阶段的冷却速度较快。这阶段的冷却速度取决于淬火介质的汽化热，汽化热越大，则从工件带走的热量越多，冷却速度也越快。当工件的温度降至介质的沸点或分解温度时，沸腾停止。3.对流阶段 当工件表面的温度降至介质的沸点或分解温度以下时，工件的冷却主要靠介质的对流进行。随着工件和介质之间的温差减小，冷却速度也逐渐降低。此时影响对流传热的因素起主导作用，如介质的比热容、热导率和黏度等。对无物态变化的淬火介质，在淬火冷却中主要靠对流散热，相当于上述对流阶段。当然在工件温度较高时，辐射散热也占很大比例。此外，也存在传导散热，这要视介质的热导率及介质的流动性等因素而定。淬火工艺主要包括淬火加热温度、保温时间和冷却条件等几方面的问题。（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，而奥氏体晶粒又不至于粗大。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化物。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，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4。（2）淬火保温时间淬火保温时间是指工件装炉后，从炉温上升到淬火温度时算起，直到出炉为止所需要的时间，保温时间包括工件透热时间和组织转变所需的时间。保温时间的影响因素比较多，它与加热炉的类型、钢种、工件尺寸大小等有关，一般根据热处理手册中的经验公式确定。(3) 淬火冷却介质冷却是淬火的关键，冷却的好坏直接决定了钢淬火后的组织和性能。冷却介质的冷却能力越大，钢的冷却速度越快，越容易超过钢的临界淬火速度，则工件越容易淬硬，淬硬层的深度越深。但是，冷却过大将产生巨大的淬火应力，易于使工件产生变形或开裂。因此理想的冷却介质应保证工件得到马氏体，同时变形小、不开裂，理想的淬火曲线是650以上缓冷，以降低热应力。650400快速冷却，保证全部奥氏体不分解。400以下Ms点附近的温度区域缓冷，减少马氏体转变时的相变应力。目前工厂中常用的淬火冷却介质，主要是水、油。水：水在650550高温区冷却能力较强，在300200低温区冷却能力也强。淬火零件易变形开裂，因而适用于形状简单，截面较大的碳钢零件的淬火。此外，水温对水的冷却特性影响很大，水温升高，水在高温区的冷却能力显著下降，而低温区的冷却能力仍然很强。因此淬火时水温不应超过30，通过加强水循环和工件的搅动可以提高工件在高温区的冷却速度。在水中加入盐、碱，其冷却能力比清水更强。例如含量为10%NaCl或10%NaOH的水溶液可使高温区（650550）的冷却能力显著提高，10%NaCl水溶液较纯水的冷却能力提高10倍以上，而10%NaOH的水溶液的冷却能力更高。但这两种水基淬火介质在低温区（300200）的冷却速度亦很快。因此适用于低碳钢和中碳钢的淬火。油：油也是一种常用的淬火介质。目前工业上主要采用矿物油，如锭子油、机油、柴油等。油的主要优点是在300200低温区的冷却速度比水小得多，从而可大大降低淬火工件的相变应力，减小工件变形和开裂倾向。油在650550高温区间冷却能力低是其主要缺点。但是对于过冷奥氏体比较稳定的合金钢，油是合适的淬火介质。与水相反，提高油温可以降低黏度，增加流动性，故可提高高温区间的冷却能力。但是油温过高，容易着火，一般应控制在6080。油适用于形状复杂的合金钢工件的淬火以及小截面，形状复杂的碳钢工件的淬火。为减少工件的变形，熔融状态的盐也常用作淬火介质，称作盐浴。其特点是沸点高，冷却能力介于水、油之间，常用于等温淬火和分级淬火，处理形状复杂、尺寸小、变形要求严格的工件等。常用碱浴、盐浴的成分、熔点及使用温度。1.2.4回火将淬火钢加热到不超Ac1温度，保温后冷却到室温的热处理工艺称为回火。钢淬火后一般都要进行回火，对产品使用性能和寿命起决定性的影响。回火的主要目的是：（1）降低零件脆性，消除或降低内应力。淬火获得的马氏体组织脆而内应力大，如果在室温放置，由于内应力的重新分布，常使零件变形、开裂。因此零件淬火后一般都要进行回火消除应力，提高韧性。（2）获得所要求的机械性能。通过调整回火温度，可获得不同硬度、强度和韧性，以满足所要求的机械性能。（3）稳定尺寸。淬火马氏体和残余奥氏体都是不稳定的组织，会自发地向稳定的铁素体和渗碳体进行转变，从而引起尺寸变化。回火可使组织稳定，使零件在使用过程不再发生尺寸变化。（4）对退火难以软化的某些合金钢，在淬火或正火后采用高温回火，使钢中碳化物聚集，降低硬度，以提高切削加工性。1.2.5表面热处理是指对工件表面进行强化的金属热处理工艺。它不改变零件心部的组织和性能 。广泛用于既要求表层具有高的耐磨性、抗疲劳强度和较大的冲击载荷，又要求整体具有良好的塑性和韧性的零件，如曲轴、凸轮轴、传动齿轮等。表面热处理分为表面淬火和化学热处理两大类。（一）表面淬火在机器中，有许多零件（如齿轮、凸轮、曲轴、活塞销、主轴等）是在弯曲、扭转等循环载荷、冲击载荷以及摩擦条件下工作的。零件的表层承受着比心部高得多的应力，而且表面不断地受到磨损。因此，它们的表层或轴颈部分应具有高的强度、硬度、耐磨性和疲劳极限，而心部则应保持足够的塑性和韧性。根据加热方法不同，表面淬火可分为感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、电解液加热表面淬火、激光加热表面淬火、电子束表面淬火等。工业上应用最多的为感应加热和火焰加热表面淬火。1.感应加热表面淬火（1）感应加热的基本原理：把工件放入由空心铜管绕成的感应器中，感应器中通入一定频率的交流电以产生交变磁场，于是工件内就会产生频率相同、方向相反的感应电流。感应电流在工件内自成回路，故称为“涡流”。涡流在工件截面上的分布是不均匀的，表面密度大，中心密度小，通入感应器的电流频率越高，涡流集中的表面层越薄。由于钢本身具有电阻，因而集中于工件表面层的涡流，可使表层迅速被加热到淬火温度，而心部温度仍接近室温，所以，在随即喷水快速冷却后，就达到了表面淬火的目的。（2）感应加热表面淬火的分类及应用。感应加热透入工件表面层的深度主要取决于电流频率。生产中通过选择不同频率来达到不同要求的淬硬层深度，按电流频率的高低可作以下分类：1）高频感应加热表面淬火：其常用频率为200300kHz，淬硬层深度为0.52mm。它主要用于要求淬硬层较薄的中、小型零件，如小模数齿轮、中小型轴等。高频感应加热表面淬火是应用最广泛的表面淬火法。2)中频加热淬火：其工件频率为50010000Hz，常用频率为2500Hz和8000Hz，淬硬层深度一般为28mm。它主要用于大模数齿轮，较大尺寸的轴，钢轨轨端及轨面全长淬火。3)工频感应加热淬火：采用工频电流进行感应加热，淬硬层深度可达1015mm以上。它主要用于大直径钢材的穿透加热和要求淬硬层深的大直径零件的表面淬火。4）超音频感应加热表面淬火：电流频率一般为2040kHz，因高于音频（20kHz），故称超音频。它兼有高、中频加热的优点，淬硬层略高于高频，而且沿零件轮廓均匀分布。所以它对高、中频感应加热难以实现的沿轮廓表面淬火的零件有着重要的作用。感应加热淬火后一般只进行低温回火，主要是为了降低脆性，但应尽量保持高硬度和高的表面残余应力。回火的方式可在炉中回火，也可采用自回火和感应加热快速回火。感应加热表面淬火最适宜的钢种是中碳钢和中碳合金结构钢，在某些情况下，高碳工具钢和低合金工具钢零件及铸铁件也可采用感应加热表面淬火。2.火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火是以高温火焰为热源的一种表面淬火法。常用的火焰为乙炔氧（约1：1）、煤气氧（约1：0.6）、天然气氧（约1：1.2）、丙烷氧（约1：4）。乙炔氧火焰温度可达3200，煤气氧火焰温度可达2000.高温火焰通过喷嘴喷射到工件表面上，使其迅速加热到淬火温度，随即喷水快速冷却，获得所需的表面淬硬层。火焰加热表面淬火的淬硬层深度一般为26mm。这种淬火方法主要适用于中碳钢、中碳合金钢及铸铁大型工件的局部表面淬火，如大模数齿轮、大型轴类、机床床身的滑动槽、压模等。火焰加热表面淬火方法简单，操作方便，不需要特殊设备，可以处理大尺寸的零件，也适用于单件或小批生产。但由于其加热温度不易控制，零件表面易过热，淬火效果不稳定等原因，因而限制了它的应用。（二）化学热处理化学热处理是将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使介质中的一种或几种元素原子渗入工件表层，以改变钢件表层化学成分和组织，进而达到改变表面性能的热处理工艺。和表面淬火不同，化学热处理后的工件表面不仅有组织的变化，而且也有化学成分的变化。化学热处理后的钢件表面可以获得比表面淬火所具有的更高的硬度、耐磨性和疲劳强度；心部在具有良好的塑性和韧性的同时，还可获得较高的强度。通过适当的化学热处理还可使钢件具有减摩、耐腐蚀等特殊性能。因此，化学热处理工艺已获得越来越广泛的应用。化学热处理的种类很多，根据表面渗入的元素的不同，化学热处理可分为渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗金属等。化学热处理的一般过程通常由分解、吸收和扩散三个基本过程组成。化学介质的分解，通过加热使化学介质释放出待渗元素的活性原子；活性原子被钢件表面吸收和溶解，进入晶格内形成固溶体或化合物；原子由表面向内部扩散，形成一定的扩散层。目前，生产上应用最广的化学热处理是渗碳、渗氮和碳氮共渗。1.渗碳将钢放入渗碳的介质中加热并保温，使活性碳原子渗入钢的表层的工艺称为渗碳。其目的是通过渗碳及随后的淬火+低温回火，使工件表面具有高的硬度、耐磨性和良好的抗疲劳性能，而心部具有较高的强度和良好的韧性。渗碳并经淬火加低温回火与表面淬火不同，表面淬火不改变表层的化学成分，而是依靠表面加热淬火俩改变表层的组织，从而达表面强化的目的；而渗碳并经淬火加低温回火则能同时改变表层的化学成分和组织，因而能更有效的提高表层的性能。渗碳可使同一材料制作的机器零件兼有高碳钢和低碳钢的性能，从而使这些零件既能承受磨损和较高的表面接触应力，同时又能承受弯曲应力及冲击负荷的作用。2.渗氮渗氮俗称氮化，是指在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面，形成含氮硬化层的化学热处理工艺。其目的是提高零件表面硬度（可达10001200HV）、耐磨性、疲劳强度、热硬性和耐蚀性等。渗氮主要用于耐磨性要求高，耐蚀性和精度要求高的零件，有许多零件（如高速柴油机的曲轴、汽缸套、镗床的镗杆、螺杆。精密主轴、套筒、蜗杆、较大模数的精密齿轮、阀门以及量具、模具等），它们在表面受磨损、腐蚀和承受交变应力及动载荷等复杂条件下工作，表面要求具有高的硬度、耐磨性、强度、耐腐蚀、耐疲劳等，而心部要求具有较高的强度和韧性。更重要的是还要求热处理变形小，尺寸精确，热处理后最好不要再进行机加工。这些要求用渗碳是不能完全达到的，而渗氮却可以完全满足这些要求。3.碳氮共渗碳氮共渗是同时向钢件表面渗入碳和氮原子的化学热处理工艺。碳氮共渗零件的性能介于渗碳与渗氮零件之间。目前中温（780880）气体碳氮共渗和低温（500600）气体碳氮共渗的应用较为广泛。中温体碳氮共渗主要以渗碳为主，用于提高结构件（如齿轮、蜗轮、轴类件）的硬度、耐磨性和疲劳性；低温气体碳氮共渗以渗氮为主，主要是提高耐磨性和疲劳强度，而硬度提高不多，多用于提高工模具的表面耐磨性和抗咬合性。1.3热处理的主要缺陷及其防止办法在热处理生产中，由于操作控制不当，常给零件带来某些缺陷。特别是在淬火时，更应当注意避免或减少缺陷产生。这是因为淬火更容易产生缺陷，而且这时零件尺寸经切削加工已基本达到要求，致使缺陷在随后的加工中不易排除或校正。常见的热处理缺陷有以下几种：（1）淬火畸变与淬火裂纹 淬火畸变是不可避免的现象,只有超过规定公差或产生无法矫正时才构成废品,通过适当选择材料,改进结够设计,合理选择淬火,回火方法及规范等可有效的减小与控制淬火畸变,可采用冷热效直,热点校直和加热回火等加以休正。 裂纹是不可补救的淬火缺陷,只有采取积极的预防措施,如减小和控制淬火应力方向分布,同时控制原材料质量和正确的结构设计等。 （2）氧化 脱碳 过热 过烧 零件加热过程中,若不进行表面防护,将发生氧化脱碳等缺陷,其后果是表面淬硬性降低,达不到技术要求,或在零件表面形成网状裂纹,并严重降低零件外观质量,加大零件粗糙度,甚至超差,所以精加工零件淬火加热需要在保护气氛下或盐浴炉内进行,小批量可采用防氧化表面涂层加以防护。 过热导致淬火后形成粗大的马氏体组织将导致淬火裂纹形成或严重降低淬火件的冲击韧度,极易发生沿晶短裂,应当正确选择淬火加热温度,适当缩短保温时间,并严格控制炉温加以防止,出现的过热组织如有足够的加工余地余量可以重新退火,细化晶粒再次淬火返修。 过烧常发生在淬火高速钢中,其特点是产生了鱼骨状共晶莱氏体,过烧后使淬火钢严重脆性形成废品。 （3）硬度不足 淬火回火后硬度不足一般是由于淬火加热不足,表面脱碳,在高碳合金钢中淬火残余奥氏体过多,或回火不足造成的,在含CR轴承钢油淬时还经常发现表面淬火后硬度低于内层现象,这是逆淬现象,主要由于零件在淬火冷却时如果淬入了蒸汽膜期较长,特征温度低的油中,由于表面受蒸气膜的保护,孕化期比中心长,从而比心部更容易出现逆淬现象。 （4）软点 淬火零件出现的硬度不均匀叫软点,与硬度不足的主要区别是在零件表面上硬度有明显的忽高忽低现象,这种缺陷是由于原始组织过于粗大不均匀,(如有严重的组织偏析,存在大块状碳化物或大块自由铁素体)淬火介质被污染,零件表面有氧化皮或零件在淬火液中未能适当的运动,致使局部地区形成蒸气膜阻碍了冷却等因素,通过晶相分析并研解工艺执行情况,可以进一步判明究竟是什么原因造成废品。 （5）其他组织缺陷 对淬火工艺要求严格的零件,不仅要求淬火后满足硬度要求,还往往要求淬火组织符合规定等级,如淬火马氏体组织,.残余奥氏体数量,未溶铁素数量,碳化物的分布及形态,等所作的规定,当超过了这些规定时,尽管硬度检查通过,组织检查仍步合格,常见的组织缺陷如粗大淬火马氏体(过热)渗碳钢及工具钢淬火后的网状碳化物,及大块碳化物,调质钢中的大块自由铁素体,(有组织遗传性的粗大马氏体)及工具钢淬火后残余奥氏体过多等。1.4 我国热处理现状及未来发展趋势目前我国在热处理的基础理论研究和某些热处理新工艺、新技术研究方面，与工业发达国家的差距不大，但在热处理生产工艺水平和热处理设备方面却存在着较大的差距，还没有完全扭转热处理生产工艺和热处理设备落后、工件氧化脱碳严重、产品质量差、生产效率低、能耗大、成本高、污染严重的局面。为促进我国热处理技术的发展，我们应全面了解热处理技术的现状和水平，掌握其发展趋势，大力发展先进的热处理新技术、新工艺、新材料、新设备，用高新技术改造传统的热处理技术，实现“优质、高效、节能、降耗、无污染、低成本、专业化生产”1.4.1大力发展多参数热处理和复合热处理工艺传统的热处理，就主要控制的参数而言，多为常压下的温度时间两个参数的热处理；就工艺方式而言，多为单一的热处理。这样热处理的效果也只能是单一化1。（一）多参数热处理1真空热处理：这是一种附加压力的多参数热处理。它具有无氧化、无脱碳、工件表面光亮、变形小、无污染、节能、自动化程度高、适用范围广等优点，是近年来发展最快的热处理新技术之一，特别是在进行材料表面改性方面获得了很大的进展，许多新近开发的先进热处理技术，如真空高压气淬、真空化学热处理等，也需在真空下方能实施。与真空热处理极为相似的一种工艺是“包装热处理”，这是日美等国最近发展起来的一种新的无氧化加热工艺。操作要点是：把零件放在不锈钢箔制成的封套内，抽掉空气后封固加热，加热完毕后淬火，这样就可以避免与空气接触而氧化脱碳2。2化学热处理：这是一种附加成分的多参数热处理。普通化学热处理，如渗碳、碳氮共渗、碳氮硼共渗等，分别属于附加单成分、双成分和三成分的多参数热处理。近年来，又发展了许多利用新技术的新型化学热处理，如真空化学热处理，流态床化学热处理、离子渗金属、离子注入、激光表面合金化等，均可提高工件的耐磨损及耐腐蚀等使用性能。3形变热处理：这是一种附加应力的多参数热处理。采用压力加工和热处理相结合的工艺，把形变强化和相变强化结合起来，使材料达到成型与复合强化的双重目的。形变热处理能提高材料的综合力学性能，并可以简化工序，利用余热，节约能源及材料消耗，经济效益显著。（二）复合热处理复合热处理是将两种或两种以上的热处理工艺复合，或将热处理与其它加工工艺复合，这样就能得到参与组合的几种工艺的综合效果，使工件获得优良的性能，并节约能源，降低成本，提高生产效率3。1.4.2 采用新的淬火介质和改进淬火方式淬火介质是实施淬火工艺过程的主要保证，对热处理后工件的质量影响很大。准确选择和合理应用淬火介质，可以减小工件变形，防止开裂，保证达到所要求的组织和性能。为此，要对原有淬火介质的性能进行改进，并积极研发使用冷却速度介于水和油之间、并可根据需要调整冷却速度，同时又经济、安全、无污染的新型淬火介质。为了使工件实现理想的冷却，获得最佳的淬火效果，除根据工件所用的材料、科技要求、服役条件等，来合理选用淬火介质外，还需不断改进现有的淬火方式，并采用新的淬火方式4。1.4.3 研制研发各种新型热处理设备热处理设备是实现热处理工艺的基础和保证，直接关系到热处理科技水平的高低和工件质量的好坏。所以热处理设备的设计制造应与热处理工艺密切结合，热处理设备要能满意热处理工艺的要求，提高热处理的质量；同时，要根据热处理新工艺发展的需要，研制研发新型高效热处理设备，用热处理工艺来促进热处理设备的发展。要不断提高中国热处理设备的设计制造水平，增强自我研发和科技创新能力，这对提高热处理炉的性能、节约能源、提高生产效率、降低工艺成本，是十分主要的。并要提高国产元器件和检测仪表的精确度和可靠性，加强产品的质量检验，从而提高热处理行业的整体水平和经济效益。1.5 本车间设计的目的及意义通过查阅资料，作者对国内和国际热处理业的发展有了一个较为客观的了解，目前我国只是热处理大国，还不是热处理强国，在热处理生产工艺水平和热处理设备方面与国外一些强国存存在着较大的差距，还没有完全扭转热处理生产工艺和热处理设备落后、工件氧化脱碳严重、产品质量差、生产效率低、能耗大、成本高、污染严重的局面。本文希望通过本车间来解决一部分生产实际问题。2 车间产品方案的确定本车间设计的是综合热处理车间，主导产品的是20Cr齿轮，同时还生产弹簧、轴承、工具钢等。2.1 产品方案列表钢号淬火回火调制后硬度（HB）温度（）冷却介质温度（）冷却介质35840860水550660空气22025045820840水600640空气20023058062022025054057025028050820840水580620空气22025040Cr820860油640680空气20023060064022025056060025028020Cr870890空气700720空气17930SiMn850870油600650空气或油22025042 SiMn840860油640660空气或油20023061063022025060 Si2Mn840860油650700空气22025035CrMo850870油600660空气25028038CrMoAl930950油620690空气24030045MnB840860油630670空气或油20023060065022025055060025028040MnVB830850油600650空气或油20023058062022025055060025028050Mn2820840油550600油、水25028065Mn810830油630680空气220250T8A780800水630680空气200230T10A800820水油630680空气200230T12A800820水油630680空气200230GC15840860油650670炉冷空气2072559Mn2V800820油630650空气220250CrMn850870油680700炉冷空气197241CrWMn840860油650670炉冷空气197241W18Cr4V920950油700720炉冷空气270Cr12MoV10201050空气680720炉冷空气207241Cr