油泵柱塞套的热处理工艺制定详解Word文档下载推荐.docx
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3.1主要性能3.2化学成分以及影响3.3主要用途
第四章20CrMnTi油泵柱塞套热处理选择
4.1油泵柱塞套的工艺流程制定4.2油泵柱塞套的热处理的工艺方法
4.3热处理的工艺方法与性能的关系4.4热处理的缺陷分析
第五章热处理设备的选择
第六章工装（夹具、辅助工具）的选择
第七章质量检验
第八章结论
热处理工艺卡
毕业设计小结
参考文献
指导教师意见：
签字：
年月日
院（系）审批意见：
签章：
题目来源
企业
班级
课题需要完成的任务
任务序号
任务内容
论文成果（论文附件）
1
查阅资料
资料清单（参考文献）
2
企业调研
3
编制热处理工艺卡
热处理工艺卡一份
4
撰写论文（说明书）
论文（说明书）一份
5
课
题
计划安排
序号
内容
时间安排
2014年9～2014年11
2014年10～2014年11
2014年11～2014年12
2014年12～2015年3
论文修改、答辩准备
2015年4月
计划答辩
时间
2015年4月25日
课题申报
（指导老师）
签名：
开提意见
（学生）
签名：
答辩小组
审核意见
第一章绪论…………………………………………………………………………6
第二章零件的分析…………………………………………………………………6
2.1零件的服役条件和技术要求……………………………………………6
2.2零件所需的性能要求……………………………………………………7
第三章20CrMnTi材料分析…………………………………………………………7
3.1主要性能………………………………………………………………7
3.2化学成分以及影响……………………………………………………8
3.3主要用途………………………………………………………………9
第四章20CrMnTi油泵柱塞套热处理选择…………………………………………9
4.1油泵柱塞套的工艺流程制定……………………………………………9
4.2油泵柱塞套的热处理的工艺方法………………………………………9
4.3热处理的工艺方法与性能的关系………………………………………16
4.4热处理的缺陷分析………………………………………………………19
第五章热处理设备的选择…………………………………………………………21
第六章工装（夹具、辅助工具）的选择…………………………………………22
第七章质量检验…………………………………………………………………23
第八章结论…………………………………………………………………………24
热处理工艺卡…………………………………………………………………………25
毕业设计小结…………………………………………………………………………26
参考文献…………………………………………………………………………28
摘要：
本文通过对20CrMnTi油泵柱塞套工艺资料分析，分别进行正火、渗碳、淬火、低温回火等热处理工艺分析。
分析正火、渗碳、淬火、低温回火等热处理工艺对20CrMnTi钢的组织结构、硬度、强度的影响，材料的力学性能也有所提高。
同时对油泵柱塞套进行工艺制定，使其生产更加的优质、高效、低成本。
关键词：
正火、淬火、渗碳、低温回火、热处理
20CrMnTiPumpplungersleeveHeatTreatmentTechnologicalFormulate
Abstract:
Thisarticlethroughto20CrMnTipumpplungersleevetechnologyfordataanalysis,processanalysiswerenormalizingheattreatment,carburizing,quenching,tempering,etc.,Inthispaper.Influenceofnormalizing,carburizing,quenching,temperingandotherheattreatmenton20CrMnTisteelstructure,hardness,strength,mechanicalpropertiesofmaterialsalsoincreased.Whilethepumpplungersleeveforprocessdevelopedtoproducemorehighquality、Efficient、inexpensive。
Keywords:
normalizing、quenching、lowtemperingheat、carburizing、treatment.
对于油泵柱塞套来说，因为它的特殊工作环境和重要性，所以油泵柱塞套需要优良的性能来保证其有效的工作状态。
为了让油泵柱塞套在机加工后组织稳定，热处理就成了不可缺少的步骤。
油泵柱塞套作为柴油机里面三大精密偶件，它的工作状态会直接影响到柴油机的功率输出。
若油泵柱塞套出现瑕疵会导致供油不稳定，很可能导致柴油机熄火。
所以不仅是油泵柱塞套单方面的需要保证质量，也需要在选材的过程中注意刚才的优劣状况。
20CrMnTi作为低碳合金钢，其综合力学性能良好，渗碳后具有良好的耐磨性和抗弯强度。
热处理工艺简单，热加工和冷加工性较好，在回火的时候控制好回火温度，以免发生回火脆性。
通过油泵柱塞套的工作环境和性能要求，对20CrMnTi的材料做出分析选出合理的热处理方案。
第二章零件的分析
2.1零件的服役条件和失效形式
柱塞套是柱塞泵偶件的零件（油泵柱塞套如图1），柱塞和套筒是喷油泵中主要的偶件，也是最精密的偶件，要求尺寸配合精度高，因而尺寸稳定性要高。
在使用中燃油中的杂质和磨料会随同燃油以很高的压力和流速冲刷柱塞副的工作表面并造成磨损。
柱塞的主要功能是传递小动力，所以工作时并不需要承受大的冲击载荷，不过要求较高的强度和刚度。
由于表面会磨损，所以必须要有足够的硬度和耐磨性。
柱塞套的主要失效形式是断裂和磨损。
由于长期燃油中夹杂着杂质运动，会使表面产生磨损。
在高压和高温的作用下，使油通过表面的微小磨痕逐渐渗透，使其变大形成裂纹，从而发生断裂。
图1.油泵柱塞套
2.2零件的尺寸和性能要求
油泵柱塞套因为是精密零件，需要具有较高的尺寸稳定性和耐磨性以及一定的耐火性和耐回火性，因此选用低碳合金结构钢，通过表面渗碳后，表面硬度高而且心部会具有一定的韧性，根据GB/T
5264—2010规定表面硬度需要达到58～62HRC，渗碳层0.5～0.8mm。
油泵柱塞套的D为27.06mm，内径d为11.01mm，长度73.86mm。
第三章20GrMnTi的材料分析
根据油泵柱塞套的工作环境总结得出，油泵柱塞套表面耐磨性和良好的尺寸稳定性，并且需要一定的耐热性，因此材料选择低碳合金结构钢，为了成本考虑，只需要使用20CrMnTi就可以满足使用（20CrMnTi的化学成分见图2）。
3.1主要性能
20CrMnTi是低碳合金钢，该钢具有较高的机械性能，零件表面渗碳0.7-1.1mm。
在渗碳淬火低温回火后，表面硬度为58-62HRC，心部硬度为30-45HRC。
（化学成分见图3）20CrMnTi的工艺性能较好，锻造后以正火来改善其切削加工性。
此外，20CrMnTi还具有较好的淬透性，由于合金元素钛的影响，对过热不敏感，故在渗碳后可直接降温淬火。
且渗碳速度较快，过渡层较均匀，渗碳淬火后变形小。
适合于制造承受高速中载及冲击、摩擦的重要零件，因此根据油泵柱塞套的工作条件选用20CrMnTi钢是比较合适的。
经过900-930℃渗碳，870℃淬火，180-200℃回火后机械性能的抗拉强度≥1100Mpa、屈服强度≥850Mpa、延伸率≥10％、断面收缩率≥45％，冲击韧性≥680，硬度为58-62HRC。
（20CrMnTi相变点见下图）
图220CrMnTi相变点
相变点
Ac1
Ac3
Ar1
Ar3
温度
740℃
825℃
650℃
730℃
3.2化学成分以及影响
为了使材料具有更好的性能，一般采用合金钢，合金元素能够在铁碳元素的基础上使其性能更加良好。
图320CrMnTi的化学成分
C
Si
Mn
Cr
S
P
Ni
Cu
Ti
0.17~0.23
0.17~0.37
0.80~1.10
1.00~1.30
≤0.035
≤0.030
0.04~0.10
20CrMnTi的化学成分主要作用：
C：
碳是钢中的基本元素有助于石墨化。
钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低；
碳含量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力。
Si：
硅是第二个有重要影响的元素，它不仅可以有效地减小白口倾向，增加铁素体量，而且具有细化共晶团，提高石墨球圆整度的作用。
但是，硅提高铸铁的韧脆性转变温度，降低冲击韧性，因此硅含量不宜过高，尤其是当铸铁中锰和磷含量较高时，更需要严格控制硅的含量。
Mn：
降低钢的下临界点，增加奥氏体冷却时的过冷度，细化珠光体组织以改善其力学性能，为低合金钢的重要合金元素，能明显提高钢的淬透性，但有增加晶粒粗化和回火脆性的影响
Cr：
硫在通常情况下是有害元素。
使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性。
在钢加入少量的硫能改善切削加工性能。
S：
P：
磷容易产生偏析，严重时会造成冷脆，降低铸件的塑性和韧性，磷被认为是钢中的有害元素，会造成冷脆，，一般应将w（P）限制在0.08%以下。
Ni：
镍能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。
镍对酸碱有较好的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。
Cu:
铜元素比较稳定，不易被氧化，所以含有的铜元素起到了耐腐蚀作用.
Ti：
钛是强碳化物形成元素，在钢中生成
MC
型碳化物，能够提高钢的耐磨性和细化晶粒。
有固溶强化作用，固溶于奥氏体中提高钢的淬透性，改善挥霍稳定性，有二次硬化的作用。
3.3主要用途
20CrMnTi是性能良好的渗碳钢，淬透性较高，经渗碳淬火后具有硬而耐磨的表面与坚韧的心部，具有较高的低温冲击韧性，焊接性中等，正火后可切削性良好。
用于制造截面<
30mm的承受高速、中等或重载荷、冲击及摩擦的重要零件，是18CrMnTi的代用钢，广泛用作渗碳零件，在汽车、拖拉机工业用于截面在30mm以下，承受高速、中或重负荷以及受冲击.摩擦的重要渗碳零件。
第四章20CrMnTi热处理的选择
4.1油泵柱塞套的工艺流程制定
根据的油泵柱塞套的工艺要求和材料的性能，制定加工路线。
加工路线分为机加工和热处理工艺。
（热处理工艺曲线见图18）
工艺流程：
锻造－正火－机加工－渗碳－淬火－回火－机加工。
4.2热处理工艺方法
4．2．1正火工艺
为了解决20CrMnTi油泵柱塞套后期的加工和解决掉前期的锻造缺陷，需要选择一个预先热处理，因为20CrMnTi锻造后组织不够稳定，而且20CrMnTi的含碳量较低，硬度较小。
为了改善切削加工性能，预先热处理选择正火。
20CrMnTi油泵柱塞套正火的目的：
提高20CrMnTi的硬度，提高塑性，以利于切削加工，细化晶粒，均匀钢的组织及成分。
改善钢的性能，为后期的热处理作准备，消除锻造应力，防止变形和开裂。
图4.20CrMnTi正火后的组织图
加热温度：
20CrMnTi的Ac3约为825℃，正火加热温度为Ac3＋（30～50℃），在实际生产中，实际正火温度会比理论正火温度高，为了奥氏体均匀化，增加奥氏体的稳定性，实际的正火温度为930℃。
加热速度：
加热的速度和材料的成分，所需加工零件的尺寸、形状息息相关。
为了防止加热速度过快导致开裂，应当控制加热速度。
基于油泵柱塞套的复杂程度以及尺寸和大小的实际情况，采用低温入炉，加热速度控制在50～100／h。
保温时间：
常用的保温时间计算公式
t＝α·
k·
d
通过查找首册，确定加热系数α为1.4，工件加热的修正系数k为1.4～1.8，d为27mm，因此得出的保温时间约为60min（正火厚度和加热时间、零件的装炉系数见下表5、6）。
表5.正火厚度和加热时间的关系
钢材
每一mm有效厚度的加热时间
空气电阻炉
盐浴炉
碳钢
54～66s
25～30s
合金钢
78～96s
50～60s
表6.零件的装炉系数
冷却方式：
由于冷却速度越快，珠光体的组织越细，强度硬度越高。
冷却越慢，会造成组织粗大。
冷却速度选择空冷。
20CrMnTi正火后的组织为：
珠光体P+铁素体F。
（组织金相图见图4）
20CrMnTi油泵柱塞套的正火工艺曲线如图7所示。
图7.20CrMnTi油泵柱塞套正火工艺曲线
4．2．2渗碳工艺
20CrMnTi油泵柱塞套渗碳的目的：
因为20CrMnTi油泵柱塞套表面需要耐磨，所以表面的硬度较高，因此需要渗碳。
渗碳就是使油泵柱塞套的表面具有高碳钢的表面层，再经过淬火和低温回火，使工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的心部仍然保持着低碳钢的韧性和塑性。
图820CrMnTi渗碳后的组织图
渗碳介质：
采用甲醇－煤油滴注式（渗碳介质煤油在不同温度下的分解产物及含量见下表9、10）
表9.煤油的气氛和成分
名称
分子式
渗碳反应式
用途
煤油
航空煤油、灯油主要成分:
C9~C14和C11~C17
850℃以下分解不充分，含大量的烯，容易产生碳黑和结焦，反应式：
N1（C11H24～C17H36）-n2CH4+n2[C]+nH2
强渗碳剂
表10.煤油在高温下的分解产物
温度/℃
分解产物
CO2
CO
H2
CH4
CmHn
O2+N2
煤油
950
0．4～2.2
1.2～4.6
37～46
40～56
1～2
0.4～0.8
800
0.4～1.2
12～18
19～26
38.4～47.3
20～29
0.4～7.3
渗碳温度：
由于一般的渗碳温度都基本高于900℃，而渗碳温度越高，渗碳钢的组织也越粗大，恶化心部组织，工件也会变形。
因此渗碳温度控制在900℃～930℃。
渗碳速度：
渗碳速度以以0.15～0.2mm/h来计算时间，渗层为0.6mm～0.8mm，则渗碳时间为4～5h。
20CrMnTi油泵柱塞套渗碳在炉内的保温时间为5h，
根据渗碳的深度，20CrMnTi在920℃渗碳所需的时间如下表11：
表11在不同渗碳温度下获得不同渗碳深度所需的渗碳时间
渗碳深度/mm
渗碳温度/℃
强渗后渗碳层深度
扩散时间/h
扩散后的渗层深度/mm
920±
10
930±
940±
0.4～0.7mm
40min
30min
20min
0.20～0.25
0.5～0.6
0.6～0.9mm
1.5h
1h
0.35～0.40
1.5
0.7～0.8
0.8～1.2mm
2h
0.45～0.55
0.8～0.9
1.1～1.6mm
2.5h
0.60～0.70
1.2～1.3
20CrMnTi钢的渗层达到要求后降温到850±
10℃预冷，为淬火做准备。
20CrMnTi渗碳后的组织：
表面渗碳体+珠光体+铁素体
心部珠光体+铁素体（组织见图8）
20CrMnTi油泵柱塞套渗碳工艺曲线见图12
图1220CrMnTi油泵柱塞套渗碳工艺曲线
4．2．3淬火工艺
20CrMnTi油泵柱塞套淬火的目的:
为了在渗碳后进一步的提高20CrMnTi的硬度，降低脆性，稳定组织。
图13淬火后的组织图
淬火温度：
20CrMnTi的Ac3的温度约为820℃，淬火的温度应该是Ac3＋30～50℃，所以淬火温度是850～870℃。
20CrMnTi在在渗碳结束后直接缓冷到850℃然后淬火，淬火的冷却速度为20℃/h。
淬火冷却的介质：
用机械油作为淬火冷却介质。
淬火的保温时间：
在渗碳结束后缓冷，温度为850℃，保温时间为10min。
淬火后的组织：
表面高碳马氏体＋碳化物＋残余奥氏体
心部低碳马氏体＋残余奥氏体
20CrMnTi油泵柱塞套淬火工艺曲线如下图14
图1420CrMnTi油泵柱塞套淬火的工艺曲线
4．2．4回火工艺
20CrMnTi油泵柱塞套在淬火结束后，20CrMnTi中的马氏体及残留奥氏都是不稳定的组织，因此需要回火使组织发生转变。
20CrMnTi油泵柱塞套回火的目的：
回火是为了减小或消除油泵柱塞套在淬火时产生的内应力，降低20CrMnTi淬火后遗留下的脆性，使工件获得较好的强度、韧性、塑性、弹性等综合力学性能。
图15.回火后的组织图
回火温度：
由于油泵柱塞套表面需要保持较高的硬度而心部需要较好的塑形和韧性，低温回火可以满足使用要求，所以采用低温回火，回火温度为180～200℃。
根据手册查的保温时间90min（如表16）
表16.空气回火炉保温时间
有效厚度/mm
≤20
20～40
40～60
60～80
80～100
保温时间/min
30～60
60～90
90～120
120～150
150～180
回火结束后，钢制零件采用出炉空冷。
回火组织：
表面回火马氏体＋碳化物＋残余奥氏体
心部回火马氏体＋残余奥氏体（组织如图15）
20CrMnTi油泵柱塞套回火工艺曲线见下图17
图17.20CrMnTi油泵柱塞套回火的热处理曲线
20CrMnTi油泵柱塞套热处理工艺曲线如图19
图18.20CrMnTi油泵柱塞套总热处理工艺图
4．3热处理方法与性能的关系
20CrMnTi钢正火后对组织和性能影响
20CrMnTi在锻造结束后组织粗大，并存在大量的网状渗碳体以及内应力，网状渗碳体会割裂组织，在后期的加工中可能会导致开裂，因此使用正火消除网状渗碳体，均匀组织。
为了消除20CrMnTi在锻造过程中晶粒粗大，成分偏析等缺陷，并且细化晶粒采用正火。
因为20CrMnTi中的含碳量相对于来说偏低，所以材料过软，硬度不够，正火可以将钢中的奥氏体转换为珠光体，适当的提高硬度。
为后续的机加工和热处理创造良好的组织状态。
所以20CrMnTi油泵柱塞套选用正火作为预备热处理。
正火将20CrMnTi油泵柱塞套加热到920℃左右，可以让组织完全奥氏体化，如果正火的温度过高，就会使材料脱碳甚至造成开裂，使组织粗大，性能也会降低甚至于报废。
若温度过低，奥氏体化不完全，组织转变不完全，达不到合适的硬度和韧性。
当正火结束后，采用空冷，直接冷却到室温。
20CrMnTi钢渗碳注意点和组织性能的关系
20CrMnTi的含碳量较低，导致硬度也低，而油泵柱塞套的要求是外硬内韧，因此需要提高表面硬度。
渗碳是为了提高表面的硬度，增加耐磨性，延长使用寿命，渗碳是提高硬度最为经济的方法。
渗碳是将20CrMnTi油泵柱塞套放在含有碳元素的密封空间，将油泵柱塞套加热到一定的温度并保持一段时间，使其表面形成富含碳元素，并且使油泵柱塞套的表面具有一定的耐磨性能。
由于碳在铁素体中的溶解度太小（在共析转变温度只有0.02%），因此渗碳不能在铁素体的状态下进行，而是920～950℃的高温奥氏体状态下进行。
钢中的合金元素对于碳在奥氏体中的扩散也有明显的影响。
一般来说，碳化物的形成元素降低碳在碳的扩散速度，而非碳化物的形成元素则促进碳的扩散。
渗碳的温度控制在900～950℃，。
因为钢在970℃以上保温时,组织中容易会出现魏氏组织铁素体和严重的网状铁素体,使钢在强度、硬度下降的同时,韧性ak值剧降低。
常用的渗碳温度为920～930℃.根据油泵柱塞套的的服役条件和工作状态选择合适的渗碳层的深度，一般分为浅层（0.1～0.3mm）、一般（0.5～0.8mm）和深层（2～2.5mm）之分，而油泵柱塞套根据技术要求渗碳层深度为0.5~0.8。
渗碳有两种，一种是固态渗碳，一种是气体渗碳。
气体渗碳就是在高温的作用下，将渗碳介质分解成活性碳原子，活性碳原子融入钢的表面，并逐渐的扩撒，最后形成一定深度的渗碳层。
渗碳层主要由保温时间决
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