我的热处理工艺设计Word文档格式.docx
《我的热处理工艺设计Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《我的热处理工艺设计Word文档格式.docx（27页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
2.3.4
材料选择[2]
15CrMo，淬透性较高，无回火脆性，焊接性相当好，形成冷裂的倾向很小，可切削性及冷应变塑性良好。
一般在调质或渗碳淬火状态下使用，用于制造在非腐蚀性介质及工作温度低于250℃、含有氮氢混合物的介质中工作的高压管及各种紧固件、较高级的渗碳零件，如齿轮、轴等。
2.3.5
15CrMo钢化学成分及合金元素作用
1）15CrMo钢的化学成分示于表3.1
表3.1
15CrMo钢的化学成分[2]（GB/T3077-1990）ω/%
C
Si
Mn
Cr
Mo
0.17～0.24
0.17～0.37
0.40～0.70
0.80～1.10
0.15～0.25
2）化学元素作用[2]：
C：
保证形成碳化物所需要的碳和保证淬火马氏体能够获得的硬度
Cr：
提高钢的淬透性并有二次硬化作用，加强渗碳作用，是刚在高温时仍具高强度和高硬度，增加钢的耐磨性，增高钢的淬火温度。
Si：
能提高钢的淬透性和抗回火性，对钢的综合机械性能，还能增高淬火温度，阻碍碳元素溶于钢中。
Mn：
能增加钢的强度和硬度，有脱氧及脱硫的功效（形成MnS），防止热脆，故Mn能改善钢的锻造性和韧性，可增进刚的硬化深度，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机械性能。
Mo：
细化晶粒，降低钢的过热倾向性，提高强度，硬度，热稳定性。
使锻件中的δ、Ψ下降，σ0.2、HRC、σb、升高。
提高马氏体回火稳定性，可以细化晶粒，提高韧性，使锻造加工更容易。
降低回火脆性。
2.3.6
15CrMo钢热处理临界转变温度
15CrMo钢热处理的临界转变温度见表3.2
表3.215CrMo钢临界转变温度[2]
Ac1
Ac3
Ar1
Ar3
740℃
820℃
680℃
760℃
2.4
15CrMo阀座加工制造工艺流程
15CrMo阀座的加工制造工艺流程如下：
正火→机械加工→渗碳→淬火→回火→检验→成品
15CrMo
正火860±
10℃0.5h空冷
渗碳930±
10℃6~8h空冷
淬火840±
10℃1h油冷
回火180±
10℃1.5h空冷
3
15CrMo阀座的热处理工艺
3.1
15CrMo的正火工艺
3.1.1
正火的目的
1）正火可以细化晶粒，使组织均匀化。
2）消除切削加工后的组织硬化现象和去除内应力。
3）提高低碳钢零件的硬度，提高切削性能。
4）消除共析钢中的网状硬化物，为热处理做好组织准备。
3.1.2
加热温度[2]
加热温度：
920±
10℃。
因为15CrMo是亚共析钢，钢中含有碳化物形成元素。
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，提高淬火回火后的机械性能，因此正火加热温度在820℃（即Ac3温度）加30-50℃再增加一定的温度。
所以最终选择的加热温度为860±
10℃
3.1.3
加热方法[1]
采用到温加热的方法，是指当炉温加热到指定的温度时，再将工件装进热处理炉进行加热。
原因是加热速度快，节约时间，便于批量生产
3.1.4
加热介质[1]
加热介质为空气
3.1.5
保温时间[5]
保温时间=保温时间系数×
有效尺寸，保温时间用τ表示.合金钢保温时间系数α（mm/min）
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：
装炉系数×
工件的有效厚度。
合金结构钢选择750~900℃箱式电阻炉加热的淬火保温时间系数α选为1.0，装炉系数K一般选择1.4。
阀座工件的有效厚度该工件为空心圆柱零件有效厚度为高，由于高为11mm的轴向有效尺寸选。
τ=α×
K×
D=1.0×
1.4×
11=15.4min取30min
3.1.6
正火工艺曲线
根据以上热处理参数的确定工件的正火工艺曲线见图4.3
根据计算结果绘制出工件的正火曲线横轴为时间，纵轴为温度。
温度\℃
860±
30min
空冷
时间/分钟
图4.3正火处理工艺曲线
3.1.7
冷却方式
冷却方式采用出炉空冷。
3.1.8
冷却介质
冷却介质：
空气。
3.1.9
热处理设备
综合考虑选用RX3系列950℃箱式电阻炉，电阻炉参数见表4.4。
表4.4RX3-60-9950℃箱式电阻炉[9]
型号
额定功率
电源
额定温度
工作空间尺寸（mm×
mm）
相数
电压
RX3-15-9
15（KW）
1
380（V）
950℃
500×
230×
220
说明：
适用于中，小型工件成批量生产。
可进行退火、正火、淬火和高温及低温回火等热处理操作。
该炉功率小空间相对于工件可以很好的利用，正是由于它的空间小它的加热时间短并且热利用率高。
3.1.10
装炉方式
图3正火筐尺寸：
Φ250×
150（两层）
3.1.11正火组织[11]
细珠光体＋铁素体
3.215CrMo的渗碳工艺
3.2.1渗碳的目的[11]
渗碳是将钢件置于足够的碳势的介质中加热到奥氏体状态并保温，使其形成一个富碳层的热处理工艺。
具体是将将含碳（0.1~0.25）的钢放到碳势高的环境介质中，通过让活性高的碳原子扩散到钢的内部,形成一定厚度的碳含量较高的渗碳层,再经过淬火和回火，使工件的表面层得到碳含量高的M，而心部因碳含量保持原始浓度而得到碳含量较低的M，提高表面层的耐磨性（碳含量高的M），同时保持心部有高的耐冲击能力，即强韧性。
采用甲醇-煤油滴注式气体渗碳。
高温下甲醇的裂解产物H2O、CO2等将CH4和[C]氧化。
可使炉气成分和碳势保持在一定范围内。
渗碳可以再多方面提高钢件的机械性能，可以提高钢件的硬度和耐磨性，降低冲击韧性和断裂韧性（冲击韧性和断裂韧性随着表面碳含量的越高、碳层越深，降低的越多），同时可以提高疲劳强度（碳层的高强度有助于疲劳强度的提高）。
3.2.2渗碳温度[11]
目前在生产上广泛使用的温度是920℃-940℃。
对于薄层渗碳，温度可以降到880℃-900℃，而对于深层渗碳（大于5mm）温度往往提高到980℃-1000℃（主要是缩短渗碳时间）。
温度越高渗速越快，但是温度过高会引起奥氏体晶粒长大，降低零件的力学性能，增加零件的畸变，降低使用寿命。
通常渗碳的温度选择要根据渗层的深度确定。
渗层深度与温度的关系见表4.5
表4.5渗层深度与温度的关系表[7]
渗层深度（mm）
0.3～0.6
0.6～0.8
0.8～1.2
1.2～1.6
温度选择（℃）
880
10
90010
930
940
阀座的渗层深度为1.2～1.5mm所以选图中1.2～1.6所以满足该工件要求的渗层深度的温度应为930±
3.2.3
渗碳介质
渗碳介质：
甲醇和煤油
渗碳煤油在950℃的分解产物及含量见表4.6
表4.6渗碳煤油在950℃的分解产物及含量[7]
CO2
CO
H2
CH4
CmHn
O2＋N2
0.2
32.4
66.2
0.6
-
3.2.4渗碳保温时间
保温时间：
6小时
依据：
渗碳时间的确定：
根据公式：
其中δ（mm）为渗碳层深度；
K为常数；
t（h）为渗碳保温时间。
930℃渗碳时取K为0.633
故t=（1.50/0.633）×
（1.50/0.633）=5.6h
故选渗碳时间为6小时
3.2.5冷却方法与冷却介质：
冷却方式：
随炉缓慢冷却至850℃后出炉空冷，组织的偏析基本消除，比较均匀。
将含碳有机液体直接滴入渗碳炉，在炉中产生所需的气氛。
气氛中的主要组成物是CO，CO2，CH4，H2，H2O等五种
（气氛中的N2，因其为惰性气体，可不考虑）
图3
气体渗碳法示意图
1—渗碳工件2—耐热罐3—加热元件4—风扇5—液体渗碳剂
6—废气7—沙封
3.2.6装炉方法
零件挂具见图4.5，图4.6放入炉中即可。
图4.5
渗碳筐尺寸：
Ф250×
300
图4.6渗碳筐的提手
在装料时把提手取下来等把工件装好后再把工提手装上然后用吊车等其它器械把筐子放入炉中。
图中的筐子直径高分别为400mm×
800mm。
每次装件为15件，将工件放入如图位置.
3.2.7热处理设备[9]
用井式气体渗碳炉，型号为RQ3-75-9D。
渗碳炉子参数见表4.9
表4.9RX3-35-9D950℃井式气体渗碳炉技术数据[9]
额定功率KW
额定电压V
额定温度℃
加热区数
电热原件接法
工作空间尺寸（直径×
深）
空炉升温时间h
空炉损耗功率KW
炉温均匀性℃
35
380
950
Y
300×
600
≦2.5
≦9
≦20
3.2.8渗碳后的组织[7]
表面：
碳化物+珠光体＋铁素体
心部：
珠光体＋铁素体
3.2.9渗碳工艺曲图
3.315CrMo渗碳后的淬火工艺
3.3.1
渗碳后淬火的目的[11]
提高硬度和耐磨性，如刃具、量具、模具等；
提高强韧性，如各种机器零件；
提高硬磁性，如用高碳钢和磁钢制的永久磁性；
提高弹性，如各种弹簧；
提高耐腐蚀性和耐热性，如不锈钢和耐热钢。
3.3.2
热处理设备[9]
在渗碳炉中预冷至840±
10℃时直接淬入油槽冷却，所以它不用所使用的设备是渗碳炉。
3.3.3
淬火温度[2]
淬火温度：
840±
亚共析钢淬火加热温度选用AC3+（30～50℃），这样既保证充分奥氏体化，又保持奥氏体晶粒的细小。
3.3.4
保温时间[2]
30分钟依据：
工件在渗碳炉中保温的时间已经足够长无需再加热很长时间。
3.3.5
淬火工艺曲线见图4.7
10℃淬火
温度/℃
单液油淬
时间/h
图4.7淬火工艺曲线
3.3.6
冷却介质[5]
L-AN15（10号机械油）的冷却能力见表4.10
表4.1010号机械油的冷却能力
特性温度/℃
特性时间/s
800～400℃冷却/s
460
4.8
5.05
该冷却介质冷却能力适中适合15Cr小件零件的淬火工艺处理。
淬火过程中Ms点已经进入对流阶段，低温区冷却能力远小于水，可以减少工件应力的产生，减少由于内应力产生的变形和开裂。
3.3.7
淬火后组织组成[5]
图4.915Cr的C曲线
高碳马氏体＋碳化物＋残余奥氏体
低碳马氏体＋残余奥氏体
依据15CrMo的C曲线见图4.9
由于表面渗碳含碳量较高在淬火后表面为马氏体和网状碳化物额和残余奥氏体，心部由于含碳量相对低所以其组成为低碳马氏体和残余奥氏体。
3.415CrMo的回火热处理
3.4.1回火目的[3]
提高淬火钢的塑性和韧性，降低其脆性，但却往往不可避免地要降低其强度和硬度，回火的另一个目的是降低或消除淬火引起的残余应力，这对于稳定工具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。
某些碳含量较高的钢制大型零件或复杂零件甚至淬火后在等待回火的期间就发生突然爆裂，说明了回火和及时回火的重要性。
回火可以在A1一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
3.4.2回火温度[4]
回火加热温度选为180±
10℃
低温回火时，马氏体发生分解，析出ε/η碳化物而成为马氏体，淬火内应力得到部分消除，淬火时产的微纹也大部分得到愈合，因此低温回火也可以在很少降低硬度的同时使钢的韧性明显提高。
渗碳和碳氮共渗零件，不仅要求表面硬而耐磨，同时也要求心部有较好的塑性和韧性。
但因其实质上相当于表层高碳钢与心部低碳钢的一种复合材料，因此用低温回火可以满足两部分要求。
通常渗碳和渗氮零件的回火温度去160-200℃
3.4.3加热方式[4]
低温井式炉和中温井式电阻炉的结构基本相似，不同之处是由于低温炉的热传递以对流为主，为了强迫炉气的流动，所以在炉盖上安装有风扇，以促使炉气均匀的流动循环。
低温井式电阻炉的装炉量多，生产效率高，装卸方便，炉内气流循环比较好，应用较广泛。
3.4.4加热介质
加热介质：
空气
3.4.5保温时间[4]
1.5h
回火保温时间的确定：
t=50min+1×
30=80min取1.5h。
确定回火保温时间一般的做法是根据工件的截面厚度而定，一般每25mm厚度保温1~2h，温度高可酌情缩短。
航空工业部标准是：
300℃以下回火时，对空气炉为2~3h+每毫米条件厚度1min，盐浴炉则为2h+每毫米条件厚度0.5min。
300~600℃回火时，对空气炉为40~60min+每毫米最大厚度2~3min。
3.4.6回火工艺曲线见图4.10
180±
10℃回火
图4.10回火工艺曲线
3.4.7热处理设备
表4.11Rj-35-6低温井式电阻炉技术数据[3]
3
650
≦4.5
≦1
3.4.8冷却方式
出炉空冷
3.4.9回火组织[5]
回火索氏体
3.4.10硬度
表面硬度58～63HRC
3.5总的热处理工艺曲线
热处理总工艺曲线见图4.12
930±
油淬
6h
2.5h
正火
时间/t
回火
淬火
渗碳
图4.12热处理总工艺曲线
3.6热处理工艺的检验
3.6.1试验设备
（1）硬度
洛氏硬度是以规定钢球或锥角为120o金刚石压头先施加预载荷P1，在施加不同的主载荷P，使压头垂直压入试样表面，然后出去P1，在保持P的情况下测出由P1产生的残余压入深度，并以测定的压入深度作为洛氏硬度值。
设备参数详见表4.12
（2）显微组织金相显微镜试样制备：
选取试样横截面切取，夹具夹持进行抛光，35%盐酸水溶液510Ml、硒酸13mL、加热25℃左右腐蚀30s，用95%酒精进行清洗，再吹干。
试样观察：
在金相显微镜下进行观察试样的金相组织，为蓝绿色回火索氏体组织，符合工件热处理组织要求。
（实验设备：
金相显微镜）
洛式硬度计的参数见表4.12
硬度符号
压头
预载荷kgf（N）
主载荷kgf（N）
总载荷kgf（N）
测量范围
应用举例
金刚石圆锥
10（98.1）
140（1373）
150（1471）
20～67
淬火钢、冷硬铸铁、钛合金等
4热处理工序中材料的组织及性能
4.1正火工艺中材料的组织及性能
（1）正常加热冷却：
工件加热到860℃后珠光体转变为奥氏体，保温时奥氏体晶粒均匀化，出炉空冷至室温后为（片层状）索氏体+少量铁素体，具有良好的切削性能，细化晶粒，热处理变形量小。
（2）加热温度不足时，加热后组织为奥氏体+未溶铁素体。
室温后组织为索氏体+（大块）铁素体，不易切削，加工时有粘刀现象。
（3）加热温度过高时，加热后组织为（粗大）奥氏体。
室温时组织为（粗大）珠光体+铁素体，脆性大、易断裂。
（4）冷却速度过大时，组织为屈氏体+少量马氏体，硬度增大，塑性变小。
（5）冷却速度不足时，组织为珠光体+（大块状）铁素体，由于晶粒不均匀，脆性较大，不易切削。
4.2渗碳工艺材料中的组织及性能
组织不变，依然为珠光体。
渗碳后表面硬度增加。
（2）加热温度不足时，组织不变，渗碳厚度不足，影响表面硬度。
（3）加热温度过高时，组织会发生变化，影响渗碳效果。
由于渗碳后直接淬火，冷却速度对组织和材料影响不大。
4.3
淬火工艺材料中的组织及性能
工件加热到860℃后珠光体转变为奥氏体，保温时组织不变，晶粒细化，出炉油冷至室温时得到马氏体+残余奥氏体+碳化物（少量），具有很高的硬度和耐磨性。
（2）加热温度不足时，加热后组织为奥氏体+珠光体，室温后组织为马氏体+珠光体，硬度不足，塑性大。
（3）加热温度过高时：
加热后组织为（粗大）奥氏体，室温后组织为（粗大）马氏体，但脆性太大，易断裂。
（4）冷却速度过大时，组织为马氏体，由于晶粒不均匀，性能较差，容易开裂和变形。
（5）冷却速度不足时，组织为马氏体+贝氏体。
硬度和强度不高，塑性较大。
4.4
回火工艺材料中的组织及性能
工件加热到180℃后组织为回火马氏体+碳化物，保温时组织发生分解，析出碳化物。
室温时组织为回火索氏体。
。
（2）加热温度不足时，加热后组织为马氏体+碳化物（大量），室温后组织为回火马氏体+碳化物。
硬度高，塑性太低。
（3）加热温度过高时，加热后组织为回火屈氏体，弹性性能很大提高，但硬度降低。
（4）冷却速度过大时，组织为回火马氏体+碳化物，塑性几乎不提高，硬度增加。
（5）冷却速度不足时，组织为回火索氏体。
5
常见缺陷及防止方法
15CrMo钢热处理常见缺陷及防止方法参考表6.1
表6.115Cr钢热处理常见缺陷及防止方法
常见缺陷
产生原因
防止方法
渗碳后表面出现裂纹
1表面渗层浓度过高
2渗层浓度梯度不好
3.冷却速度不合适
4钢材本身枝晶偏析严重
1严格控制加热温度和速度，尽量均匀加热
2.严格控制渗碳的工艺过程
3.选择合适的冷却速度
4.检查钢材成分是否存在偏析
心部硬度不够
1.淬火温度不够
2.冷却速度不够
1选择合适的淬火温度
2.真确选择合适的冷却介质
渗层不均匀
1.渗碳时温度不够
2.工件放置位置错误
1.选择合适的加热温度和加热方法
2.将工件放置在炉膛心部
碳化物出现网状分布
1.淬火温度低或保温时间不够
2.淬火冷却过程慢
3.渗层浓度过高
1.制定正确的淬火，正火规范，使碳化物充分溶解
2.冷却操作要迅速，正确
3.渗碳剂选择正确，渗碳操作规范准确
淬火后变形
1.淬火方式错误
2.淬火冷却速度过大
3淬火加热温度过高
1.制定正确的淬火方式
2.选择合适的淬火介质，真确的淬火操作规范
3.选择正确的淬火加热温度
6.工艺操作规程
工艺操作规程[5]见表7.1
表7.115Cr热处理工艺规程
工序
操作规程
正
火
前
的
准
备
锻造后工件表面存在大量的氧化皮。
进行工件的清洗：
在酸洗槽中放入加热到70℃的15%的H2SO4水溶液，将工件分批放入金属网中利用吊车装置浸入酸洗槽中，摇动清洗；
清洗后的工件进行中和：
在中和槽中放入60℃左右的10%CaCO3水溶液，将工件移入中和槽进行中和。
最后用流动热水进行冲洗，吹干机进行吹干。
将RX3系列950℃箱式电阻炉进行开炉加热，烘干炉壁中的水分，同时检查电阻炉的加热系统和仪表。
将电阻炉空炉加热到正火温度860℃。
工
艺
曲
线
正火步骤
将工件用钳子或其他专用工具放入炉膛内（30件/每次），装炉时将工件有规律摆放在装炉架或炉底板上，关上炉门。
进行退火加热，保持860℃温度30min，然后关闭电源，迅速用钳子或专用工具将工件夹出放在空气中进行室温冷却。
渗
碳
将工件、夹具、时间、试件进行清洗：
用汽油和酒精擦洗工件表面，不得有锈斑、油污、脏物存在；
将工件放入金属筐中，用吊车装置放入氮化箱中，放置要保证炉内气流通畅。
渗碳步骤
零件装炉后，打开装试样的孔，向炉内滴入大量的甲醇，排除炉内的空气。
炉内的空气基本排除后，关闭试样孔，减少甲醇滴量，废气有排气孔排出并点燃。
待炉温升到620～650℃时，可滴入少量的煤油，以便炉气碳势能较快的调整到要求的碳势。
当炉温升高到930℃后开始渗碳。
渗碳时间为6小时。
降温到840±
10℃，保温0.5个小时，直接淬入油槽冷却。
工艺
淬火前准备
将渗碳后的工件用吊车装置将工件从渗碳炉中取出再放进箱式路中。
在淬火槽中放入10号机油，油温保持在20℃左右，为油冷做准备。
将RX3系列950℃箱式电阻炉进行开炉加热到840
升级会员 