热处理原理及工艺设计课程设计报告.docx

* *大学热处理原理与工艺课程设计题目：50SiMn弹簧钢的热处理工艺设计2院（系）：机械工程学院专业班级： * * : 学*生* :指导*教师：*起止时间：2022-12-15 至 2022-12-19零件有效厚度(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 成份有关。装炉量修正系数*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， 普通由实验确定；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2/3 长度处直径，球体取球径的0. 6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 小的片状或者粒状渗碳体组成，其形态仍为淬火马氏体的片状或者板条状。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 o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存应力而进行的退 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、切削或者切割、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、热作或者表面硬化的条件下，对钢材或者机器零部件进行较低温度的加 热，以去除（全部或者部份的）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）或者局部的弛豫过程（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，工件普通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，以防止产生新的残存应力。去应力退火并不能彻底消除工件内部的残存应力，而只是大部份消除。要使残存应 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）50SiMn弹簧钢的热处理工艺曲线是：2加热温度：钢：小于A1碳钢及低合金钢：550 650高合金钢：600 750铸铁：500 550加热速度：100150/h保温时间：3 5min/mm冷却速度：50 100/h550 656°1图一：50SiMn弹簧钢热处理工艺曲线图 25、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, 铁素体能彻底溶解于奥氏体中，奥氏体成份比较均匀，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AclAc3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(挛晶马氐体)，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，淬火后残存奥氏体量增多，钢的硬度和 耐磨性降低。高于Acl点30-50C的目的和亚共析钢类似，是为了保证工件内各部份温度 均高于Aclo(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 极细小的片状或者粒状渗碳体组成，其形态仍为淬火马氏体的片状或者板条状。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，多浮现于钢锭的上部，在化学成份上疏松点的碳、硫、磷 含量比集体偏高。根据疏松在横断面上的分布位置，将疏松分为普通疏松和中心疏松。(1)普通疏松。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，腐蚀后有会萃的小孔隙、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者空洞，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，缩孔的位置往往造成偏心。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，但若缩孔较深或者产生二次缩孔，以及钢锭切头量过少使缩孔未能切净, 钢中仍会存在部份缩孔，或者因此引起的二次裂纹，称为缩孔残存。(3)偏析偏析是指钢中化学成份分布不均匀的现象。在化学成份上，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、“X”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浮现。 (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 时可见到白色或者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者暗色的、弯曲且不规则的细 长带，缺陷内部及周围往往有非金属夹杂温和孔。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、弯曲的或者锯齿形的细长裂纹，位置多在1/31/2 半径(或者壁厚)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者椭圆形的银白 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。发纹是钢中夹杂温和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400-500C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，普通在油中可以不运动，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 o(2)清洗设备：废水池。(3)烘干设备：烘箱。8、测温仪器和温度控制方式一次仪表(热电耦，辐射高温计)自动控制装置第三部份课程设计的收获与体味通过这次课程设计，让我更加深刻了解课本知识，和以往对知识的疏忽得以补充，使 我更加扎实的掌握了有关热处理方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过 一次又一次的思量、检查并查阅资料终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的 知识欠缺和经验不足。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不 断获取，最终完成为了这次课程设计。同时，课程设计让我感触很深。使我对抽象的理论 有了具体的认识。让我对学过的知识更加的融会贯通。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。“千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体味到这句千 古名言的真正含义。我今天认真的进行课程设计，学会脚塌实地迈开这一步，就是为明 天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。课程设计诚然是一门专业课，给我不少专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲 道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我不少思，给了我莫大的空间。在今后社会的发 展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的 发现问题所在，然后一一进行解决，惟独这样，才干成功的做成想做的事，才干在今后的 道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获欢跃，也永远不可能 得到社会及他人对你的认可！第四部份参考文献1机械设计手册成大先第三版 化学工业20224热处理手册薄鑫涛郭海洋袁凤松第一版* *科学技术2022.1. 3热处理技术数据手册樊东黎徐跃明佟晓辉第二版机械工业20224 4热处理手册孙大勇第三版 机械工业2001.6.5钢的热处理谢希文西北工业大学金属材料检测技术赵峰中南大学材料的力学性能*修麟西北工业大学8机械零件失效分析*瑞堂*工业大学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*专业班级*课程设计题目50SiMn弹簧钢的热处理工艺设计 2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50SiMn弹簧钢的热处理工艺，制 2定出热处理工艺路线，完成工艺设计；分析50SiMn弹簧钢的成份特性；阐述250SiMn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 2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份：1）概述；2）设计内容；3）参考文献。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。5天,工作计划2）服役条件与性能要求0.5天，3）失效形式、材料的选择。.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L5天，8）工艺的理论基础、原则0.5天，09）可能浮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 月曰目录一、概述11.课程设计的目的1 2.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、收获和体味11四、参考文献11第一部份概述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普通方法，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*。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。如何灵便使用资料、手册，怎样高效查找所需信息，以及手 册的查找规*和标准等，均不是一蹴而就的事情，需要我们在实践中体味并不断地总结， 才干不断进步。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50SiMn弹簧钢的热处理工艺2第二部份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%的镒，再也不添加其它合金元素，使用成本相对较低。碳素弹簧钢丝经适当的加工 或者热处理，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300X 10-6/C）,合用于 制造截面较小，工作温度较低（120>）的弹簧。合金弹簧钢普通含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，合用于创造较大截面，较高温度下使用的弹簧。2、50SiMn弹簧钢的化学特点和性能要求2由于弹簧是在弹簧*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（特殊是弹性极限、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（高的清纯度和均匀性）、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。表一：50SiMn弹簧钢的成份2、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，含碳量低会使部份合金钢号 C Si Mn Cr Ni P S< < <50Si2M 0.56-0.6 1.50-2.0 0.60-0.9 0.70-1.0 0.3 0.04 0.04n 40005 0 0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者其他稳定性差的 碳化物，从而降低钢的可加工性及韧性。、W：鸨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，鸨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550 600c时仍能保持高的硬度。鸨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560C回火时，碳化物析出并作均匀弥散分布；钢中 残存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：铝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：机也是提高高速钢回火稳定性和耐热性的元素。钗的碳化物硬度高，晶粒 细，有较强的抗集聚能力，随着钮含量增加，钢的耐磨性大幅度提高，但可磨削性显著降 低，增加了刃磨艰难。为此钢的含量普通不超过3%。、Si：有助于提高钢的耐热性和热 硬性，但韧性较差。、A1:铝的作用和钻相似，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一淬火（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、工艺参数碳钢及低合金钢：550650铸铁：500550保温时间：35min/mm加热温度：钢：小于A1高合金钢：600750c加热速度：100150/h冷却速度：50-100/h（1 ）正火正火是将钢加热到Ac或者AC以上3050C并保温一定时间，然后出炉在空气中冷却的热处 3 cm理工艺。与彻底退火相比，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、油或者其它无机盐、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710C的*一适当温度进行长期的保温，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普通是最终热处理工序。因此，应采用保护气氛加热或者盐炉加热。惟独一些毛 坯或者棒料的调质处理(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，于是也要求无氧化，脱碳加热。淬火加热普通是热炉装料。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，或者分区(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，普通选用淬火加热温度为Ac3+( 3050),过共析钢则为Ac 1+(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30-50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，铁素体能彻底溶解于奥氏体中，奥氏 体成份比较均匀，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AclAc3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(李晶马氐 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，淬火后残存奥氏体量增多，钢的硬度和耐磨性降低。高于Acl点3050的目 的和亚共析钢类似，是为了保证工件内各部份温度均高于Aclo2：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者淬硬层减薄。加热速度快，工件温差大，也 容易浮现加热不足。止匕外，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Ac+（5080）,对细晶粒钢有时取Ac+100。对于形状较复杂，容 33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，或者珠光体片间距较大，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Acl点为820840,淬火加热温度 高达1280o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份均匀化所需的时间。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，惟独大型工件或者装炉量不少情况下，才把升温时间和保温时间 分别进行考虑。普通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份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ta*K*D式中加热时间，（min）；加热系数，（min / mm）；库炉修正系数；