毕业设计2cr13活塞杆的热处理工艺设计课程设计论文Word格式文档下载.docx
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2Cr13活塞杆的热处理工艺设计
课程设计（论文）要求与任务
一、课设要求
熟悉设计题目，查阅相关文献资料，概述相关零件的热处理工艺，进行零件的服役条件与失效形式分析，提出硬度、耐磨性、强度等要求。
完成工艺设计。
阐述2Cr13高频淬火、回火热处理工艺理论基础，选择设备、仪表和工夹具，阐述活塞杆热处理质量检验项目、内容及要求；
阐明活塞杆热处理常见缺陷的预防及补救方法；
给出所用参考文献。
二、课设任务
1.活塞杆材料的选择（要求在满足工件使用性能的前提下，兼顾经济性和工艺性，合理选择材料）；
2.给出2Cr13的C曲线；
3.给出2Cr13活塞杆热加工工艺流程图；
4.制定2Cr13活塞杆高频淬火-回火热处理工艺。
三、设计说明书要求
设计说明书包括三部分：
1）概述；
2）工艺设计；
3）参考文献。
设计说明书结构见《工艺设计模板》。
工作计划
集中学习0.5天，资料查阅与学习，讨论1.5天，设计7天：
1）概述0.5天，2）服役条件与性能要求0.5天，3）失效形式、材料的选择0.5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2天，8）工艺的理论基础、原则0.5天，9）设计工夹具0.5天，10）可能出现的问题分析及防止措施0.5天，11）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：
年月日
目录
1.活塞杆热处理概述1
2.2Cr13活塞杆热处理工艺设计2
2.1活塞杆的服役条件、失效形式及性能要求2
2.1.1服役条件、失效形式2
2.1.2性能要求2
2.2活塞杆材料的选择2
2.32Cr13钢的C曲线3
2.42Cr13活塞杆的热处理工艺设计4
2.4.12Cr13的工艺流程5
2.4.22Cr13的热处理工艺设计6
2.52Cr13活塞杆的热处理工艺理论基础、原则7
2.5.12Cr13退火工艺理论基础、原则8
2.5.22Cr13高频淬火工艺原理11
2.5.32Cr13回火工艺理论基础、原则12
2.6选择设备、仪表和工夹具13
2.6.1设备13
2.6.2仪表15
2.6.3设计工夹具15
2.72Cr13活塞杆热处理质量检验项目、内容及要求16
2.82Cr13活塞杆热处理常见缺陷的预防及补救方法17
2.8.1加热时常见的缺陷的预防及补救方法17
2.8.2高频淬火、回火缺陷与预防、补救19
2.9热处理工艺卡20
2.9.12Cr13退火工艺卡21
2.9.22Cr13高频淬火工艺卡21
2.9.32Cr13回火工艺卡21
3.参考文献22
1活塞杆热处理概述
活塞杆是压缩机的重要零件之一,它在高温、高速、干摩擦和易被腐蚀的环境下工作。
活塞杆是支持活塞杆做功的连接部件，是一个运动频繁、技术要求高的运动部件，对同轴度、耐磨性要求严格。
因此，活塞杆必须具有足够的强度和表面硬度及抗腐蚀、抗摩擦、抗疲劳、抗咬合的能力。
其质量好坏直接影响气缸的精度和使用寿命。
为了满足这些性能的要求，选用2Crl3经锻压成型、退火、调质、稳定化、中频或高频淬火及低温回火的热处理工艺。
2Cr13钢机械加工性能好，经热处理后具有优良的耐腐蚀性能，较好的强韧性，适宜制造承受高负荷并在腐蚀介质作用下的模具。
它的含碳质量分数比较低，一次预备热处理是退火，主要目的是降低硬度，以利于切削加工。
提高塑性韧性，以利于冷变形加工，改善钢的性能或为以后热处理做好组织准备。
消除2Cr13钢中的残余内应力，防止变形和开裂。
高频淬火的目的是在工件表面一定深度范围内获得马氏体组织，而其心部仍保持着表面淬火前的组织状态（调质或正火状态），以获得表面层硬而耐磨，心部又有足够塑性、韧性的工件。
通过对经典2Cr13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2Cr13不锈钢；
在设计退火-调质-高频淬火加低温回火热处理工艺中，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2Cr13活塞杆表面除具有高硬度，高耐磨性外，高的耐点蚀性能，高的疲劳强度，还具有高的的强度和韧性，从而满足活塞杆的质量要求。
22Cr13活塞杆热处理工艺设计
2.1活塞杆的服役条件、失效形式及性能要求
2.1.1服役条件、失效形式
活塞杆在工作过程中活塞杆裸露在外直接和环境相接触，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，加速密封件和活塞杆等的划伤和磨损，从而引起泄漏。
颗粒污染为活塞杆损坏最快的因素之一。
活塞杆在上述不同条件作用下导致不同的失效形式，主要有活塞杆或密封导向套的损坏，液压油的污染，压力过高或过低，化学物质的侵蚀等。
2.1.2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。
2.2活塞杆材料的选择
活塞杆常用材料为35、45、40Cr等钢材，粗加工后要调质处理，硬度可达230~285HBS,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。
经处理后的2Cr13材料，能够达到：
1、提高表面硬度和耐磨性，降低产生淬火裂纹的品质。
表面硬度值达到HRC50以上，表面层深达1.5毫米以上。
传统高频淬火表面硬度值仅在HRC45左右，表面形成的是淬火马氏体组织，经过低温回火使用;
若采用空冷淬火，硬化层金相组织存在15%左右的铁素体，所以硬度低;
若加热到1000℃一1020℃采用喷液冷却，加热温度高存在隐形淬火裂纹危险或是直接产生裂纹;
而压缩空气进行表面淬火，可以避免隐形淬火裂纹或是直接裂纹的产生，并且可以把硬度提高到HRC50以上;
由于提高了表面的硬化层硬度，因此也提高了耐磨性15%以上。
2、采用580℃一590℃保温3一5小时空冷或炉冷的稳定化工艺，2Cr13钢并没有明显的韧性下降趋势,稳定化工艺采用空冷或炉冷，一个重要的原因在于调质序时，本次采用960℃一980℃保温2~5小时淬火工艺，这一温度在2Cr13钢的亚温淬火区内,亚温淬火的一个明显特点即是提高各种钢的低温冲击韧性。
亚温淬火后得到了少量游离铁素体+马氏体+弥散分布的极细小的残余奥氏体组织,P、Sn、Sb、As等有害杂质集中在铁素体晶内，而不能在原奥氏体晶界上析出，极细小的奥氏体使裂纹扩展变得困难，从而使2Cr13钢的冲击韧性没有明显降低,采用580℃一590℃保温3一5小时空冷或炉冷的稳定化工艺，充分消除了加工应力等各种应力，因此在高频或中频淬火时能保证工件的畸变量。
3、对2Cr13活塞杆采用亚温热处理技术后，工件韧性指标冲击功提高10%以上;
由于采用了亚温淬火，产生了少量细小针状铁素体，分布于残余奥氏体晶粒内，这样，P、Sn、Sb、As等有害杂质集中在铁素体晶内，在奥氏体晶粒内部的细小针状铁素体和针状奥氏体相间分布形成“晶粒边界效应”，减弱了有害的促进脆性的杂质元素在原奥氏体晶界的分布，从而减低了脆性倾向,亚温淬火的温度较常规淬火温度低很多，这样就抑制了晶粒的长大，淬火后不能形成粗大的残余奥氏体晶粒，增加了晶界的表面积，界面能也就有了很大的提高，并且单位面积内的杂质含量也就自然降低;
在脆断时，就需要很高的能量，脆性表现也就不明显。
2.32Cr13钢的C曲线
图1.2Cr13钢C曲线
通过查找《热处理手册》获得2Cr13钢的C曲线如上图1所示，成分如表1。
表12Cr13钢的成分一览表
材料
化学成分（质量分数）%
Ac1
Ac3
Ar1
2Cr13
C:
0.16~0.24
Si:
≦0.60
Mn:
≦0.80
P:
≦0.35
S:
≦0.30
Cr:
≦0.40
820℃
950℃
780℃
2.42Cr13活塞杆的热处理工艺设计
2.4.12Cr13的工艺流程
1.加工路线
锻压退火→粗加工→调质→半精加工→消应力→粗磨→高频淬火→回火→精加工
2.锻造工艺设计
锻造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。
该工艺采用自由锻和型锻联合成型来加工活塞杆，不仅成型出了活塞杆的头部形状，且实现了活塞杆的头杆为一整体，同时这种工艺实现1套模具生产几个不同规模的产品。
查阅《热处理工艺规范数据手册》可以找出2Cr13钢的锻造工艺的加热温度、始锻温度冷却方式，本设计具体的锻造工艺参数如表2所示。
表22Cr13钢的热加锻造工艺规范
项目
Ac1（Ar1）
Ac3（Ar3）
加热温度
始锻温度
终锻温度
钢坯
715℃（625℃）
830℃（755℃）
1200～1240℃
1160～1200℃
＞800℃
经锻造将获得最大外径是120mm，高35mm的零件。
图3是2Cr13活塞杆零件图：
图32Cr13活塞杆零件图
2.4.22Cr13的热处理工艺设计
1．预备热处理工序
退火:
是降低硬度，以利于切削加工。
提高塑性韧性，以利于冷变形加工，改善钢的性能或为以后热处理做好组织准备，消除2Cr13钢中的残余内应力，防止变形和开裂。
时间t／分
图42Cr13钢热处理工艺曲线
2．调质处理
淬火加高温回火的双重热处理，其目的是使工件具有良好的综合机械性能。
为了获得较高的韧性和足够的强度及优良的力学性能，一般对2Cr13进行调质处理。
3．消应力处理
去除应力，退火铸、锻、焊件在冷却时由于各部位冷却速度不同而产生内应力，金属及合金在冷变形加工中以及工件在切削加工过程中也产生内应力。
若内应力较大而未及时予以去除，常导致工件变形甚至形成裂纹。
半精加工后进行580℃一590℃保温3一5小时的去应力处理，炉冷或空冷至室温，粗磨留量0.60一0.90毫米。
4．最终热处理工序—高频淬火、低温回火
零件经最终热处理后硬度较高，除磨削外不宜再进行其他切削加工，因此工序位置一般安排在半精加工后，磨削加工前。
经淬火后表面获得高硬度、高的耐磨性，而心部仍维持良好的综合力学性能。
为降低表面淬火的淬火应力，保持高硬度、耐磨性，淬火后应低温回火。
粗磨加工后进行中频或高频淬火处理，感应加热到1000℃-1020℃，采用0.05一0.6MPa压缩空气喷射进行冷却，淬硬层深1.5~2.5毫米，淬火后进行校直处理;
然后，在200℃~220℃回火，保温时间1~2小时，出炉空冷至室温，硬度HRC5O以上。
所述压缩空气为空气经压缩机压缩后的高压气体，也可采用高压氮气喷射冷却;
压缩空气的压力为0.05~0.6MPa。
2.52Cr13活塞杆的热处理工艺理论基础、原则
2.5.1
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