热处理课程设计

1、1 前言本次课程设计主要是制定典型零件的生产工艺，是以金属热处理原理、金属热处理工艺学和金属材料学为基础的一门综合课程设计。从本次课程设计中，我们可以获得综合运用所学的基本理论、基本知识、基本技能，独立分析和解决实际问题的能力；培养严肃、认真、科学的工作作风和勇于进取开拓的创新精神。通过本次课程设计，可以使我们初步掌握典型零部件生产工艺过程；掌握典型零件的选材、热处理原则和工艺制定原理；理论联系实际，综合运用基础课及专业课程多方面的知识去认识和分析零部件热处理生产过程的实际问题，培养解决问题的能力。热处理工艺是整个机器零件和工模具制造的一部分，热处理是通过改变钢的内部组织结构，以改善钢的性能，

2、通过适当的热处理可以显著提高钢的机械性能，延长机器零件的使用寿命。合理的热处理工艺方案，不但可以满足设计及使用性能的要求，而且具有最高的劳动生产率，最少的工序周转和最佳的经济效果。通过课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才是真正的知识，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。2 零件图分析万能分度头是通用设备的必备设备，它可以辅助机床完成被加工零件在圆周任意度上的分度工作。如对零件分度钻孔，铣槽，铣削圆弧和零件划线工作。其主轴的回转现可在0-90之间任意调整。分度主轴可配备各种类型的卡盘及夹具。技术

3、要求：硬度45-50HRC A,B段硬度30HRC2.1受力分析及性能要求主轴是机床上传动力的零件，由于负荷不同，受力大小也不同，常承受弯曲、扭矩、冲击、同时受到在滑移和转动部位受摩擦作用。因此主轴的性能要求是高硬度、足够的韧性及疲劳强度、强度、形状畸变要求。上述万能分度头主轴，从工件整体来说作为机床传动件，必须具备一定的强韧性，同时后端直径48.2及A、B两部位受击段，由于承受一定的扭转、摩擦力，因此要求具备较高的强度、硬度。3 材料的选择依据主轴的工作条件，与滑动轴承相配合，主轴承受的载荷较小，主轴的转速也较小，工作表面精度要求不高的特点，可以选用调质钢或渗碳钢。渗碳钢表面有高的弯曲、接触

4、、疲劳强度及高的耐磨性，心部有良好的塑性和韧性，但是从所给的零件图要求来看，此空心主轴要求内表面也有一定的耐磨性和抗疲劳性，而且渗碳钢热处理变形较大，工艺性能较差，因此渗碳钢不适合做此类轴，因而选用调质钢。31 调质钢简介（1）组织特点：结构钢淬火得到的马氏体组织经高温回火后，得到在相基体上分布有极细小的颗粒状碳化物。它的显微组织根据含有不同合金元素而引起的回火稳定性的差别和回火温度，可得到回火屈氏体或索氏体组织。（2）成分特点：低碳：含碳量一般为0.3-0.5%，以保证心部有足够的塑性和韧性，含碳量低时淬硬性不够，含碳量高时心部韧性下降。合金元素：主加元素为Cr、Mn、Ni、Si等，它们的主

5、要作用是提高钢的淬透性，从而提高心部的强度和韧性；辅加元素为W、Mo、V、Ti等强碳化物形成元素，这些元素通过形成稳定的碳化物来细化奥氏体晶粒。(3)性能及应用:调质钢具有良好的综合力学性能，有较高的强度，良好的塑性和韧性。因而被广泛用于制造各种机械零件，如轴类、轴承和高强度结构。32 调质钢的选择常用做轴类的调质钢有：45钢，40Cr,40MnVB等，参数见表1。表1 机床主轴材料 钢号45钢40Cr40MnVB成分W(C)=0.45%W(C)=0.45%,W(Cr)1.5%W(C)=0.40%,W(Mn)1.5,W(V)1.5%, W(B)1.5%临界硬度（HRC）424144临界直径/m

6、m（20-48 ）水13-16.530-3860-67（1）45钢是普通的中碳结构钢，冷热加工性能都不错，机械性能较好，且价格低、来源广，所以应用广泛。它用做截面尺寸较小或不要求完全淬透的零件，经过调质处理后，硬度可达到220-250HBS，表面淬火之后硬度为48-52HRC。（2）40Cr一般用做淬透性较高的零件，合金元素Cr可阻碍碳化物在高温回火时聚集长大，保证钢的高强度，铬还阻碍相的再结晶，能保持细小的晶块结构，具有优良的机械性使相也能保持高的强度，40Cr经调质处理后，硬度可达到220-250HBS，表面淬火后的硬度为52-61HRC。（3）40MnVB为要求淬透性更高一级的钢种，常用

7、做大截面零件，合金元素Mn的加入对钢的冲击韧性有所改善，能使钢的韧-脆转化温度下降，V可以细化奥氏体晶粒，微量的B可以显著提高钢的淬透性，经调质处理后，硬度可达到220-250HBS，表面淬火后的硬度为52-61HRC。由上可以看出合金钢有较高的淬透性，适用于大截面零件，而且还有高的冲击韧性和低的韧-脆转化温度。但是合金钢经常遇到的一个特殊问题就是高温回火脆性，高温回火后的冷却速度是影响钢韧性的主要因素，冷却速度越慢，室温冲击韧性愈低，韧-脆转化温度愈高，因而合金调质钢的热处理过程不易把握。与合金调质钢相比，碳素结构钢的淬透性较低，尽管如此，由于碳素调质钢价格便宜，来源广，综合考虑：在满足零件

8、要求（调制硬度235HBS，表面淬火硬度为48HRC）的前提下，应该选择45钢。4 确定加工路线工艺路线：锻造机加工（粗车留精车量4mm）调质机加工（精车磨量0.5-0.6mm）直径48.2mm局部淬火、回火机加工（粗磨留精磨量0.15-0.25mm）A、B中间段淬火、回火机加工（精磨或精磨后超精加工）成品5 热处理工艺方法选择5.1 调质调质，即淬火加高温回火，以获得回火索氏体组织，主要用于中碳碳素结构钢或低合金结构钢以获得良好的综合机械性能。5.1.1 淬火方法的选择 常用的淬火方法有单液淬火法、中断淬火法（双淬火介质淬火法）、分级淬火法、等温淬火法。（1）单液淬火法，把已加热到淬火温度的

9、工件淬入一种淬火介质，使其完全冷却。它是最简单的淬火方法，常用于形状简单的碳钢和合金钢工件。（2）中断淬火法（双淬火介质淬火法），把加热到淬火温度的工件，先在冷却能力较强的淬火介质中冷却至接近Ms点，然后转入慢冷的淬火介质中冷却至室温，以达到在不同淬火冷却温度区间，有比较理想的淬火冷却速度。（3）分级淬火法，把工件由奥氏体化温度淬入高于该种钢马氏体开始转变温度的淬火介质中，在其中冷却直至工件各部分温度达到淬火介质的温度，然后缓慢冷至室温，发生马氏体转变。（4）等温淬火法，工件淬火加热后，若长期保持在下贝氏体转变区的温度，使之完成奥氏体的等温转变，获得下贝氏体组织，这种淬火方法称为等温淬火。因为

10、待加工的零件形状复杂，尺寸较大，为了防止淬火过程中发生变形，开裂，因而我选用中断淬火法。5.1.2 回火方法的选择钢件淬火后，再加热到A1 以下某一温度，保持一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺称为回火。回火的目的是稳定组织，消除淬火应力；调整硬度、强度、塑性、韧性。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（150250），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（3505

11、00），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 3550HRC，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（500650），组织为回火索氏体，硬度为220330HBS。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、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。因为该主轴需要进行调制处理，所以采用高温回火。5.2 表面淬火的选择表面淬火

12、是指被处理工件在表面有限深度范围内加热至相变点以上，然后迅速冷却，在工件表面一定深度范围内达到淬火目的的热处理工艺。利用表面淬火得到表面硬化后，零件的心部仍可保持原来的显微组织和性能不变，从而达到提高疲劳强度、提高耐磨性并保持心部韧性的优良综合性能。常用的表面加热淬火方法有感应加热表面淬火、火焰淬火、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、电子束加热表面淬火、等离子束加热表面淬火等。（1）感应加热表面淬火，即以电磁感应原理在工件表面产生电流密度很高的涡流来加热工件表面的淬火方法。根据所产生交流电流的频率不同，可分为高频淬火、中频淬火及高频脉冲淬火三类。（2）火焰淬火，即用温度

13、极高的可燃气体火焰直接加热工件表面的表面淬火方法。（3）电接触加热表面淬火，即以当低电压大电流的电极引入工件并与之接触，以电极与工件表面的接触电阻发热来加热工件表面的淬火方法。（4）电解液加热表面淬火，即工件作为一个电极（阴极）插入电解液中，利用阴极效应来加热工件表面的淬火方法。综合考虑了上述几种方法各自的特点和局限性后，我选用了感应淬火，因为它具有工艺简单、工件变形小、生产效率高、省能、环境污染少、工艺过程易于实现机械化和自动化等优点。6 制定热处理工艺制度 表2 45钢加热和冷却的临界点钢号Ac1Ac3Ar1Ms45钢725780682220-2506.1 正火工艺的制定为了消除毛胚锻造应

14、力，降低硬度以及改善切削加工性能，同时均匀组织，细化晶粒，为了后续加热处理做准备。（1） 正火温度，选用830-850。一般正火加热温度是将工件加热到Ac3或Accm以上30-50，45钢的临界点温度为780，正火时一般采用热炉装料，加热过程中工件内温差较大，为了缩短工件在高温时的停留时间，一般加热温度稍高。 （2）正火保温时间，保温时间与钢的化学成分、工件形状、尺寸、炉子类型、装炉量等多种因素有关，一般按每毫米厚度保温1.5-2.5min估算。主轴的直径为115.4mm，考虑加工余量5mm，因而其有效厚度为50mm，保温时间为4h左右。（3）正火的冷却方式一般采用空冷。空 冷4h850正 火

15、6.2 调制工艺的制定毛胚经镗孔、车出大台阶后进行调制处理，其目的是为了提高主轴整体的强韧性，满足性能要求。（1）加热温度，亚共析钢淬火加热温度为Ac3+30-50，一般在空气炉中加热比在盐浴中加热高10-30，综合考虑淬火加热温度应选用810-830。（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： =kD式中 加热时间，min；加热时间系数，min/mm；k装炉量修正系数；D工件有效厚度，mm。对于管型工件的有效厚度，当高度/壁厚1.5时，可按1.5壁厚计算5，图1中最大壁厚为15mm，考虑到圆

16、锥部位的壁厚稍大一些，因而取最大壁厚为20mm。工件的有效厚度D=50mm,加热系数和装炉修正系数k分别见表3和表4，对于45钢，=1.0，k=1.0，则=1.01.050=50min,考虑到透热之后，还需要5-15min的组织转变时间，因而我选择1h的保温时间。表3 常用钢的加热系数（min/mm）2工件材料直径/mm500.3-0.40.4-0.51.0-0.21.2-1.5低合金钢50500.45-0.50.5-0.551.2-1.51.5-1.8高合金钢高速钢0.35-0.400.3-0.350.3-0.350.65-0.850.17-0.20.16-0.18表4 工件装炉修正系数5

17、工件装炉方式修正系数K工件装炉方式修正系数K1.01.01.01.42.04.01.42.21.32.01.71.8（3） 冷却方法的选择，考虑到所给主轴的形状复杂，尺寸较大，淬火过程易发生形变或开裂，我选用中断淬火法。把加热到淬火温度的工件，先在冷却能力强的盐水中冷却至接近Ms点，然后取出转入油冷，以达到在不同淬火冷却温度区间，有比较理想的淬火冷却速度。这样既保证了获得较高的硬度层和淬硬层深度又可减少内应力及防止发生变形或开裂。在水中停留时间为每5-6mm有效厚度约1s。由于出水温度难以掌握，须凭经验操作，当水中的工件抖动停止，在水中30S取出可放入油中油冷。另外，工件入水宜动不宜静，应按照

18、工件的几何形状，作规则运动。静止的冷却介质加上静止的工件，导致硬度不均匀，应力不均匀而使工件变形大，甚至开裂。（4） 回火温度的确定：根据零件要求，调质后的硬度为235-265HBS,查表5，选择回火温度为600-640。表5 45钢调质硬度5钢号回火HBS45600-640200-230560-600220-250540-570250-280（5） 回火时间的确定：回火时间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估算，表6是单个工件的保温时间表，多个工件堆积可适当延长保温时间。由于工件的有效厚度是50mm，二十个工件同时加热，我选择保温时间为3h

19、。表6 中、高温回火保温时间参数表2有效厚度/mm0.45%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。（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

20、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）感应淬火易出现硬度不足，产生原因：单位表面功率低，加热时间短，加热表面与感应器间隙过大，这些因素都使感应加热温度降低，淬火组织中有较多的未溶铁素体。还可能是加热结束至冷却开始的时间间隙太长，喷液时间短，喷液供应量不足或喷液压力低，淬火介质冷却速度慢，使组织中出现非马氏体组织。消除方式：正确选择感应设备，严格按照工艺参数加工。结束语热处理工艺的制定，必须居于工件的服役条件情况，不但要分析其性能要求，还要根据零件的外形条件，对其他不同的不为采用不同的热处理方法，只有这样才能取得良好的效果。真是书到用时方恨少，通过这次课程设计我真是深有体会。做课程设计之前，我没有一个完整的设计思路，这足以显示我学得不够精不够深，所学的知识没有形成一个完整的体系。不能运用自如，这可以说明我们实践太少，所学的知识没有及时的整理和消化学习尚欠努力。不过通过这次课程设计让我对典型零件的热处理生产工艺过