热处理工艺课程设计学位论文.doc

《热处理工艺课程设计学位论文.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《热处理工艺课程设计学位论文.doc（22页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。

1、钢的热处理工艺设计说明书学生姓名 设计题目 活塞杆 指导教师 系 主 任 完成日期 年 月 日目录一 目的 3二 设计任务 3三 设计内容和步骤 3 （1）零部件简图，钢种和技术要求 3 （2）工作条件，破坏方式，性能要求 4 （3）零部件用钢的分析4四 热处理工艺及参数的论述9五 选择加热设备18六 工装图 19七 工序质量检验项目、标准方法 20八 缺陷及其分析20九 参考文献 222一、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、

2、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3.1零部件简图、钢种和技术要求1.简图2.钢种: 35CrMo3.技术要求：（1）调质处理HB217269；（2）直径80外表面镀铬；（3）直径42表面高频处理，硬度HRC5557；3.2零部件的工作条件、破坏方式和性能要求的分析（1）零部件的工作条件 活塞杆是支持活塞做功的连接部件，大部分应用在油缸、气缸运动执行部件中，是一个运动频繁、技术要求高的运动部件。（2）零部件的主要破坏方式1）断裂 活塞杆断裂部位在活塞杆与十字头锁紧螺母旋合处的最末2 3 道螺纹的根部。该处螺纹系锻造成形后采用滚压加工, 螺

3、纹直径为M95。活塞杆运行时间为2. 5 年。活塞杆在工作过程中主要承受交变的拉压载荷作用。2）磨损 颗粒污染为活塞杆损坏最快的因素之一，虽然在导向套上装有防尘圈及密封件等，但也难免将尘埃、污物带入液压系统，引发活塞杆的磨损。3）腐蚀 活塞杆在工作过程中活塞杆裸露在外直接和环境相接触，很易引发氧化，从而降低其使用寿命。 ( 3 )零部件性能要求1.具有高的接触疲劳极限； 2.具有高的抗弯强度； 3.具有高的耐磨性； 4.具有足够的冲击韧性； 5.具有高的传递精度和最小的工作响音.3.3零部件用钢的分析1.相关钢种化学成分的作用（1）35CrMo表1. 35CrMo的化学成分C Si Mn Cr

4、 Mo P,SNi Cu 0.320.40 0.170.37 0.400.70 0.801.10 0.150.25 0.035 0.30 0.30 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。B. 铬（Cr）的影响 铬为碳化物形成元素。它能显著提高强度、

5、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. 钼（Mo）的影响 提高钢的淬透性，热强性，有二次硬化的作用，能降低回火脆性。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

6、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

7、%。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)和镍(Ni)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。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。2. 相关钢种的热处理工艺性能分析（1）35CrMo 热处理基本参数临界温度Ac1Ac3Ar1Ar3Ms温度/755800695750370A.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。但是如果温度过高，奥氏体晶粒过于粗大淬火后会产生开裂或变形。B.淬硬性

8、：淬硬性表示钢淬火时的硬化能力。它主要与钢的含碳量有关，更确切的是说是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。C.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淬火前后没有定形处理或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 35CrMo钢的强度高，韧性好，具有高的持久强度和蠕变强度，低温

9、冲性中等，焊接性不好（焊接前需预热至150400度，焊接后需热处理以消除应力），淬透性良好，无过热倾向，淬火变形小，有第一类回火脆性，一般在调质处理后使用，也可在高 中频感应淬火或淬火及低中温回火后使用。 35CrMo钢可用于制造各种机器中承受冲击，弯扭，高载荷的重要零件，如轧钢机人字齿轮、曲轴、锤杆、连杆、紧固件，汽轮发动机主轴、车轴，发动机传动零件，大型电动机轴，石油机械中的穿孔器，工作温度低于400度的锅炉用螺栓，工作温度低于510度的螺母，化工机械中高压无缝的厚壁导管（工作温度450500度，无腐蚀介质）等，还可代替40CrNi钢制造承受高载荷的传动轴、汽轮发动机转子、大载面齿轮、支承

10、轴（直径小于500mm)等。表1 35CrMo的等温转变曲线表2 35CrMo的连续冷却转变图表3 35CrMo的淬透性曲线。 表4 35CrMo的临界温度及常规热处理工艺参数 牌 号 临界温度/退火正 火Ac1Ac3Ms温度/冷却/硬度HBW温度/冷却/硬度HBWAr1Ar3Mf35CrMo755800371820840炉冷229 830880空冷241286695750-续表4淬 火回 火温度/淬火介质硬度HRC不同温度回火后的硬度值HRC150200300400500550600650850油555553514334322824（四）热处理工艺方案及工艺参数的论述4.1 零件的加工工艺路

11、线及其简单论证下料锻造正火机械加工调质（淬火回火）高频处理镀铬检验成品论证：首先正火目的在于均匀化学成分，达到改善机械性能及工艺性能，消除或减少内应力，并为零件最终热处理准备合适的内部组织。接着发挥结构钢优越的机械性能，常将结构钢调质，这样就能得到需要的耐热性和高温强度。但耐磨性差，需进行高频处理，还需表面镀鉻.4.2 锻造工艺曲线活塞杆的毛坯经过锻造后获得基本的形状。锻造是利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形，已获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸的锻件的加工方法。活塞杆是一个运动频繁、技术要求高的运动部件。其加工质量的好坏直接影响整个产品的寿命和可靠性。查阅热处理工艺规范数据手

12、册可以找出35CrMo钢的锻造工的加热温度、始锻温度冷却方式，如下表2所示。表5 35CrMo 钢的锻造工艺图表项目Ac1(Ar1)Ac3(Ar3)加热温度/始锻温度终锻温度钢坯755(695)800(750)92094011809004.3预备热处理工艺方案、工艺参数及其论证35CrMo正火 84010 3h 空冷淬火 85010 0.5h 油冷回火 57510 1.5h 油冷高频处理 2.5KHZ 1S镀铬 0.2mm 去氢后镀3h论证：活塞杆是支持活塞做功的连接部件，大部分应用在油缸、气缸运动执行部件中，是一个运动频繁、技术要求高的运动部件。由于柱塞跳动过大、长时间的柱塞运动与填料之间的

13、频繁摩擦、往复运动的交变应力等导致活塞杆的失效形式有断裂、磨损和疲劳。活塞杆常用材料为35、45、38Cr等钢材，粗加工后要调质处理，硬度可达230285HBS,但耐磨性差，需进行高频淬火，必要时还需表面镀鉻，并对镀鉻层进行抛光，存在裂纹多、硬化硬度低、冲击韧性差等问题。通过对经典35CrMo钢热处理工艺的分析，更加明确在执行热处理工艺过程中所需要注意的问题。能够正确确定加热温度、时间，保温时间，冷却方式，其目的就是通过正确的热处理工艺，使金属材料的潜在能力得到充分的发挥。根据活塞杆的工作条件，失效形式及性能要求，本设计选择的活塞杆材料为35CrMo钢；在设计正火-调质-回火加高温回火热处理工

14、艺中，本设计借鉴了热处理工程师手册，钢的热处理等。根据工艺设计的理论基础设定了完整的热处理工艺流程，使热处理的35CrMo钢满足热作模具钢的质量要求。通过对经典35CrMo钢热处理工艺的分析，更加明确在执行热处理工艺过程中所需要注意的问题。能够正确确定加热温度、时间，保温时间，冷却方式，其目的就是通过正确的热处理工艺，使金属材料的潜在能力得到充分的发挥。4.4.最终热处理工艺方案，工艺参数及论证1.正火 一般均安排在毛坯生产之后，切削加工之前，或粗加工之后，半精加工之前。正火的目的是均匀化学成分，达到改善机械性能及工艺性能，消除或减少内应力。因为35CrMo是亚共析钢，钢中含有碳化物形成元素。

15、为使合金中难溶的特殊碳化物溶入奥氏体中，使奥氏体合金化程度增高，正火的加热温度为Ac3以上3050，35CrMo的含碳量为0.35%，Ac3为800摄氏度，所以将钢件的加热温度确定为840摄氏度。保温时间=保温时间系数装炉修正系数工件厚度。工件加热保温时间与加热介质，材料成分，炉温，工件的形状和大小，装炉量和装炉量等因素有关。一般用经验公式来计算保温时间：保温时间=保温时间系数装炉系数工件的有效厚度。合金结构钢选择750900箱式电阻炉加热的保温时间系数选为1.5，装炉系数K一般选择1.4。工件的有效厚度为D=(80+42)2=61mm。所以=KD=1.51.461=128.1min，取3h。

16、 时间/h温度/3h84010空冷图6 正火工艺曲线2 调质工艺调质是指钢件淬火及高温回火的热处理工艺。活塞杆受力复杂，在活塞力、惯性力等动载荷条件下工作，要求其基体为索氏体才适应，而调质处理所获金相正是索氏体组织。一个成功的活塞杆，具有高的力学性能基体支撑其硬而耐磨的表面，是优等质量的最重要条件之一。因此，调质处理对活塞杆是必要的热处理工序。调质的目的有：获得索氏体组织满足工件表面硬化的准备；得到高的机械性能指标等。（1）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。35CrMo钢的淬火温度一

17、般为820880，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。淬火加热温度如果太低，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，晶粒开始粗化，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860度。根据公式t=a*k*H，此工件的

18、有效厚度（H）为61mm，所以确定保温时间为30min。35CrMo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。（2）回火的目的是降低或消除淬火引起的残余应力，这对于稳定钢制品的尺寸特别重要。一般来说，淬火零件不经回火就投入使用时危险地，也是不允许的。回火可以在A1下很宽的温度范围内进行，钢的性能也可以在很宽的范围内变化，因此，回火是调整钢制零件的性能以满足使用要求的有效手段。回火时间从工件入炉后炉温升至回火温度时间开始计算回火时间一般为13h，可参考经验公式加以确定：tn=Kn+AnD式中tn-回火时间（min）；Kn-回火时间基数；An-回火系数；D-工件

19、有效厚度（mm）时间/min温度/30min90min575850油冷油冷图7 调质工艺曲线图8 常用调质钢淬火，回火温度和冷却方式图9几种调质钢的回火温度与硬度的关系图10 不同直径退火+调质后的力学性能3镀铬工艺 镀硬铬一般采用比较多的是常在高温条件下使用的机械，如：模具等。一般硬铬镀层硬度是随厚度提高而提高的，硬度的最高值在0.2左右。以后，即使在提高厚度，硬度也不会再增加。在正常的镀铬工艺规范中。铬酐与硫酸的比值应该保持在100：1。在其它浓度不变时，提高硫酸含量，铬层的硬度也相应增高。但在二者比值为100：1.4，再提高硫酸含量硬度值又会下降。GBll37989金属覆盖层工程用铬电镀

20、层及GB/T12611-90金属零件镀覆前质量控制技术要求标准规定凡钢件的抗拉强度大于1050MPa的都要镀前消除加工应力并在镀后去氢.关于镀前小消应及镀后不去氢的坏处，有些专家分析认为。镀铬时20%的电流用在镀铬上，20%的电流用在还原六价铬上，而60%的电流用于析氢。电镀时必然会折出镀液中的氢，析出的氢一部分进入人气，也有一部分进入母材中，如果未及时地将进入到母材中的氢驱除掉就会在以后的加工过程中或安装中或使用中产生氢脆裂纹，这些裂纹将破坏镀层的结合力造成镀层剥落。因此，去氢应在镀后3h，内及时进行。电镀前，机械加工会对像35CrMo这样的对应力敏感的材质产生加工应力，故也要进行消应处理，

21、有应力存在就可能随时释放出来影响镀铬质量。蓝点法检验只是一种直观的检验方法，没有检验标准。只要将试剂涂上之后，如表面钝化膜不完善或有铁离子污染，就呈现蓝色。此时，说明钝化膜不合格，应重新钝化。反之，无蓝点为合格。但试剂必须按一定的比例进行配置。 钢件镀铬工艺流程： 除蜡 热浸除油 阴极 阳极 电解除油 弱酸浸蚀 预镀碱铜 酸性光亮铜（选择） 光亮镍 镀铬或其它4.高频处理根据下表，对直径42mm的圆柱外表面的高频处理，选择f=2.5KHZ,加热时间为1s，比功率为2.6KW/2 项 目 淬 硬 层 要 求 加 热 时 间 s 比 功 率（2） 淬 硬 层 深 度 加 热 时 间 s 比 功 率

22、（2） 直径 f=2.5kHz 圆柱外表面加热 20 2 0.8 2.65 3 1.5 1.5 30 2 1 2.62 3 2 1.35 40 2 1 2.6 3 2.3 1.28 50 2 1 2.6 3 2.7 1.24 60 2 1 2.6 3 3.0 1.21 70 2 1 2.6 3 3.2 1.2 80 2 1 2.6 3 3.1 1.2 90 2 1 2.6 3 3.1 1.2 100 2 1 2.6 3 3.1 1.2 110 2 1 2.6 3 3.1 1.2表11 根据淬硬性深度选择加热时间与比功率 表12 ,感应加热方法的分类 加热方法 频率/kHz 功率密度/(W/2)

23、 工频 50Hz 10100 中频 10 500 高频、超高频 201000 200500 超高频脉冲 27120 1000030000表13 几种典型服役条件下的工件表面硬化层深度要求 失效原因 工作条件 硬化层深度及硬度值要求 磨损 滑动磨损且载荷较小 以尺寸公差为限，一般为12，硬度为5563HRC，可取上限。 负荷较大或承受冲击载荷 一般在2.06.5，硬度为5563HRC，可取下限。 疲劳 一般为2.012，中小型轴类可取半径的1020，直径小于40取下限；过渡层为硬化层的25304.6总的热处理工艺图850100.5h温度/油冷57510840101.5h空冷3h油冷淬火回火正火时

24、间/t4.7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. 正火，淬火，回火：RX3459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kgRX3-45-9453801200*600*400 95072.5400 图14 箱式电阻炉2高频感应设备 高频感应加热淬火设备组成

25、如图14所示，由图可知，发电机式高频感应加热淬火设备就是由高频发电机供电的由淬火变压器与补偿电容并联组成的L-C振荡器。由于淬火变压器的一次绕组、二次绕组、感应器及被加工的工件都是既有电感L，又有电阻R，所以变压器支路又相当于L-R串联电路。图15 发电机式中频感应加热淬火设备组成示意图1.感应器及淬火零件 2.高频淬火变压器 3.补偿电容器 4.电流互感器 5.输电线路 6.高频淬火变压器 7.电压互感器 8.激磁电流表 9高频发电机 10.高频电表（六）工装图尺寸为1190*550*370，分三层，每层高110mm，层板厚10mm，有效尺寸为60mm，所以零件加热时间隔30mm，所以一层可

26、以放10个，每次加热可以放30个。（七）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，35CrMo淬硬层深度应在6mm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

27、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。35CrMo 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

28、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。（八）缺陷及其分析1) 过烧 由于加热温度过高，出现晶界氧化，甚至晶界局部熔化，造成工件报废。2) 粗大魏氏组织 退火或正火钢中出现粗大魏氏组织的主要原因是由于加热温度过高所造成的。为了消除魏氏组织，可以采用稍高于Ac3的加热温度，即使先共析相完全溶解，又不使奥氏体晶粒粗大，而根据钢的化学成分采用较快或较慢的冷却速度冷却。3) 裂纹 淬火温度过高，回火不足可造成工件残余应力大，即使在合理的磨削条件下也可能产生磨削裂纹，这种裂纹相对于纯粹的磨削裂纹来说一般较

29、稀疏，也较宽而深。较严重的网状碳化物和材料导热性差都能促进磨削裂纹的产生。钢中残余奥氏体在磨削时可能转变成淬火马氏休，较脆。所以残余奥氏体量多的工件在磨削时容易发生磨削裂纹。4) 工件硬度与磨削裂纹的形成有关，硬度小于55 HRC 的工件虽可能发生烧伤但产生磨削裂纹的情况极少，60HRC以上的工件，都会使磨削裂纹发生的可能性大为增加。磨削裂纹多在表面发生变色后才出现，烧伤前很少开裂。5) 变形（翘曲）：各道冷、热加工工序都应尽量减少引入的应力，在磨削之间插入人工时效。另外，应特别强调磨削过程中应经常翻面，注意使零件正反两面的磨削量基本一致，使两面引入的磨削应力尽量达到平衡。九 参考文献1热处理工程师手册，樊东黎主编，机械工业出版社；2热处理手册（共4卷），中国机械工程学会热处理学会，机械工业出版社；3金属热处理工艺学，夏立芳，哈尔滨工业大学出版社；4热处理常见缺陷分析与对策，王忠诚主编，化学工业出版社；5金属材料金相图谱，李炯辉主编，机械工业出版社；6钢及其热处理曲线手册，胡志忠主编，国防工业出。7典型零件热处理技术，王忠诚、齐宝森、李杨主编，化学工业出版社；8金属材料学，凤仪主编，国防工业出版社；22