2022年热处理课程设计.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 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、基本学问、基本技能,独立分析和解 决实际问题的才能； 培育庄重、仔细、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, 可以使我们初步把握典型零部件生产工艺过程；把握典型零件 的选材、热处理原就和工艺制定原理；理论联系实际,综合运用基础课及专业课程 多方面的学问去熟悉和分析零部件热处理生产过程的实际问题,培育解决问题的能 力；热处理工艺是整个机器零件和工模

2、具制造的一部分,热处理是通过转变钢的内 部组织结构,以改善钢的性能,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, 不但可以满意设计及使用性能的 要求,而且具有最高的劳动生产率,最少的工序周转和正确的经济成效；通过课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的,只有理论学问是远远 不够的,只有把所学的理论学问与实践相结合起来,从理论中得出结论,才是真正 的学问,才能提高自己的实际动手才能和独立摸索的才能；2 零件图分析万能分度头是通用设备的必备设备,它可以帮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；

3、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；第 1 页 共 21 页名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 21 页精选学习资料 - - - - - - - - - 技术要求：硬度 45-50HRC A,B 段硬度 30HRC 2.1 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,常承担弯曲、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、足够的韧性及疲惫强度、强度、外形畸变要求；上述万能分度头主轴, 从工件整体来说作为机床传动件,必需具备肯定的强韧 性,同时后端直径 48.2 及

4、 A、B 两部位受击段,由于承担肯定的扭转、摩擦力,因 此要求具备较高的强度、硬度；3 材料的挑选依据主轴的工作条件,与滑动轴承相协作,主轴承担的载荷较小,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、疲惫强度及高的耐磨性,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肯定的耐磨性和抗疲惫性,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；名师归纳总结 31调质钢简介第 2 页共 21 页第 2 页,共 21 页- - - - - - -精选学习资料 - - - -

5、- - - - - （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；它的显微组织依据含有不同合金元素而引起的回火稳固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

6、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 调质钢的挑选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40Cr 40MnVB 成分WC=0.45% WC=0.45%,WCr1.5% WC=0.40%,WMn1.5,WV1.5%, WB1.5% 临界硬度（HRC）42 41 44 临界直径 /mm13-16.5 30-38 60-67 （20-48 ）水（1）45 钢是一般的中碳结构钢,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

7、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集合长大, 保证钢的高强度, 铬仍阻碍 相的再结晶,能保持细小的晶块结构,名师归纳总结 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,硬度可达到第 3 页共 21 页第 3 页,共 21 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 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,常用做大截面零件,合金元素

8、 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, 而且仍有高的冲击韧性和低的韧 - 脆转化温度；但是合金钢常常遇到的一个特别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廉价,来源广,综合考虑：在

9、满意零件要求（调制硬度235HBS,表面淬火硬度为48HRC）的前提下,应当挑选 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 热处理工艺方法挑选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 淬火方法的挑选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

10、,把已加热到淬火温度的工件淬入一种淬火介质,使其完全 冷却；它是最简洁的淬火方法,常用于外形简洁的碳钢和合金钢工件；名师归纳总结 第 4 页共 21 页第 4 页,共 21 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - （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,先在冷却才能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,有比较抱负的淬火冷却速度；（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头转变温 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

11、至室温,发生马氏体转变；（4）等温淬火法,工件淬火加热后,如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；由于待加工的零件外形复杂, 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 回火方法的挑选钢件淬火后,再加热到 A1 以下某一温度,保持肯定时间,然后冷却到室温的热 处理工艺称为回火；回火的目的是稳固组织,排除淬火应力；调整硬度、强度、塑性、韧性；依据回火温度的不同,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

12、、 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（350500）,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,此时碳化物开头集合,基体开头回复,淬火应力基本排除；硬度为 35 50HRC,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

13、或低合金结构钢,用来制作汽车、拖拉机、名师归纳总结 第 5 页共 21 页第 5 页,共 21 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 机床等承担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；由于该主轴需要进行调制处理,所以采纳高温回火；5.2 表面淬火的挑选表面淬火是指被处理工件在表面有限深度范畴内加热至相变点以上,然后快速 冷却,在工件表面肯定深度范畴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先的显微组织和性能不变,从而达到提高疲惫 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

14、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；依据所产生沟通电流的频率不同,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

15、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, 由于它具有工艺简洁、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钢加热和冷却的临界点第 6 页共 21 页表 2 45名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 21 页精选学习资料 - - - - - - - - - 钢号Ac1Ac3Ar 1Ms 45 钢725780682220-250 6.1 正火工艺的制定 为了排除毛胚锻造应力,降低硬度以及改善切削加工性能,同时匀称组织,细化晶 粒,为了后续加热处理做预备；（1）正火温度,

16、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,正火时一般采纳热炉装料,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、工件外形、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纳空冷；850正4h 火空冷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,性,满意性能要

17、求；（1）加热温度,亚共析钢淬火加热温度为其目的是为了提高主轴整体的强韧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；共 21 页第 7 页名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 21 页精选学习资料 - - - - - - - - - （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匀称化所需的时间；常用体会公式为： = k D 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

18、度,当高度 / 壁厚 1.5 时,可按 1.5 壁厚运算 5 ,图 1中最大壁厚为 15mm,考虑到圆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 ,就 =1.0 1.0 50=50min,考虑到透热之后, 仍需要 5-15min的组织转变时间,因而我挑选1h 的保温时间；1100- 1300盐 浴炉中加热0.17-0.2 0.16-0.18 修正系数 K 表 3 常用钢的加热系数（min/mm）2直径50 0.4-0.5 1.2-1.5 500.45-0.5 1.2-

19、1.5 低合金钢50 0.5-0.55 1.5-1.8 高合金钢0.3-0.35 高速钢0.35-0.40 0.3-0.35 0.65-0.85 表 4 工件装炉修正系数5工件装炉方式修正系数 K 工件装炉方式第 8 页共 21 页名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 21 页精选学习资料 - - - - - - - - - 1.0 1.0 1.0 1.4 2.0 4.0 0.5d1.4 0.5d2.2 2d1d1.3 2.0 2d1.7 1.8 （3）冷却方法的挑选,考虑到所给主轴的外形复杂,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

20、冷却才能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,有比较抱负的淬火冷却速度； 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；由于出水温度难以把握, 须凭体会操作, 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, 应依据工件的几何外形, 作规章运动；静止的冷却介质加上静止的工件,导致硬度不匀称,应力不匀称而使工件变形大,甚至开裂；（4）回火温度的确定：依据零件要求,调质后的硬度为 235-265HBS,查表 5,挑选回火温度为 600-640

21、；名师归纳总结 表 5 45钢调质硬度5第 9 页共 21 页第 9 页,共 21 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 钢号回火HBS 45 600-640 200-230 560-600 220-250 540-570 250-280 （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头运算,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,多个工件积累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,我挑选保温时间为 3h；2表 6 中、高温回火保温时间参数表有效厚度 /mm 0

22、.45%的中、高碳钢在正火过程中简洁显现硬度过高 现象；产生缘由：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,炉温不匀称；严格掌握工艺参数,可排除硬度过高缺陷；（2）淬火畸变,产生缘由：热处理前后组织比体积不同是引起体积变化的主 要缘由,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； 排除方式： 降低淬火加热温度对削减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,可削减加热过程中的热畸变,合理捆扎和吊挂 工件；依据工件的外形采纳合理的淬入方式；（3）淬火开裂,产生缘由：冷却不当,在Ms温度以下快冷,因组织应力大引起开裂,仍

23、可能是淬火后未准时回火, 工件内部的显微裂纹在淬火应力作用下扩展 成宏观裂纹；排除方式：正确进行预先热处理,防止正火、退火组织缺陷；合理选 择淬火介质和淬火方法；易开裂工件,淬火后要准时回火；（4）感应淬火易显现硬度不足,产生缘由：单位表面功率低,加热时间短,名师归纳总结 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,淬火组织中有较多第 19 页共 21 页第 19 页,共 21 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 的未溶铁素体；仍可能是加热终止至冷却开头的时间间隙太长,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

24、显现非马氏体组织；消 除方式：正确挑选感应设备,严格依据工艺参数加工；终止语热处理工艺的制定,必需居于工件的服役条件情形,不但要分析其性能要求,仍要依据零件的外形条件, 对其他不同的不为采纳不同的热处理方法,只有这样才 能取得良好的成效；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,所学的学问没有形 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,所学的学问没有及 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 产工艺过程设计的方法、步骤、思路等有了深刻的明白,基本上可以把所学的专业 课学问综合地运用于实践当中,这对我以后的学习工作起到肯定的作用；再次感谢杨玲老师的仔细辅导以及同学们的帮忙,无论是学习仍是生活, 他们让我有了一个更好的熟悉, 生活是实在的, 要踏实