工艺课程设计辽工讲解.docx
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工艺课程设计辽工讲解
辽宁工业大学
材料工艺学课程设计（论文）
题目：
38CrMoAlA钢机床主轴调质-氮化热处理工艺设计
院（系）：
专业班级：
学号：
学生姓名：
指导教师
起止时间：
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：
新能源学院 教研室：
材料科学教研室
学号
学生姓名
专业班级
课程设计（论文）题目
38CrMoAlA钢机床主轴调质-氮化热处理工艺设计
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38CrMoAlA钢机床主轴热处理工艺理论基础，选择设备、仪表和工夹具，阐述38CrMoAlA钢机床主轴热处理质量检验项目、内容及要求；阐明38CrMoAlA钢机床主轴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
1.38CrMoAlA钢机床主轴材料的选择（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38CrMoAlA钢机床主轴相应的C曲线；
3.给出38CrMoAlA钢机床主轴冷热加工工艺流程图；
4.制定38CrMoAlA钢机床主轴热处理工艺。
三、设计说明书要求
设计说明书包括三大部分：
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：
指导教师签字：
年月日
前言
热处理的目的是改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。
热处理工艺不但可以强化金属材料、充分挖掘材料性能潜力、降低结构重量、节省能源，而且能够提高机械产品质量、大幅度延长机器零件的使用寿命。
热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。
这些过程互相衔接，不可间断。
38CrMoAlA合结钢的其中一种，国内执行标准GB/T3077-1999。
38CrMoAl是一种专用氮化钢，经过热处理和精加工后的38CrMoAlA圆钢具有很高的表面硬度、耐磨性及疲劳强度，并具有良好的耐热性及腐蚀性。
处理后尺寸精度高,通常38CrMoAl氮化后的表面硬度在920HV，以上预处理为调质（通常调质硬度要求≥260HB，如262~302HB）。
38CrMoAlA氮化速度较快,可以得到较深的氮化层深度，但氮化层的脆性相对较大，淬透性不高，因而不太适合制作承受冲击很大的零件。
国外通常不推荐含铝氮化钢用于重要的重载齿轮。
38CrMoAlA用途有很多，38CrMoAlA合结钢是一种耐海水腐蚀的专用钢材。
38CrMoAlA合结钢材料，主要用来制作管道及设备。
具有很强的耐腐蚀性，安装也很方便等优点。
38CrMoAlA无缝钢管材料焊接性能较好，配有专用耐腐焊条“海O3”，无特殊焊接要求。
本设计是在课堂学习热处理知识后的探索和尝试，其内容讨论如何设计38CrMoAlA钢机床主轴的热处理工艺，重点是制定合理的热处理规程，并按此设计38CrMoAlA钢机床主轴的热处理方法。
138CrMoAlA钢机床主轴热处理工艺概述
38CrMoAlA钢机床主轴的热处理工艺有：
预先热处理、正火、调质、渗碳等。
预先热处理采用调质，以保证心部的强韧性，最终氮化处理，调质后可获得综合性能（强度和韧性）良好的机械性能，氮化或软氮化后表面获得很高的表面硬度（800HV（0.1）min）提高耐磨性为主要目的。
调质工艺：
900-940度，油淬，回火温度600-650度，通常时间为1-2小时（视零件大小而定或再延长时间）软氮化工艺：
共渗温度为570-580度，时间2-3小时，可获得约为0.2-0.3mm深的全氮化层，10-10um化合物层。
38CrMoAlA钢和45号钢都属于结构钢：
38CrMoAlA钢属于合金结构钢，45号钢属于碳素结构钢，由于38CrMoAlA钢含有合金元素，所以比45号钢再价格上要贵。
38CrMoAlA钢是一种专用氮化钢，一般在机床主轴等地方用的比较多，氮化前要进行调质处理，经氮化处理硬度相当高，硬度在HV800以上，硬度层可以达到0.3mm-0.5，硬度和耐磨性比45号钢要好许多。
38CrMoAlA钢氮化处理后部脆，除非产生氮化缺陷，但其耐高温性能也一般。
38CrMoAlA钢经氮化后最主要的优点时耐磨。
如果在38CrMoAlA钢工件喷涂合金的话，工件硬度会更高，寿命会更长，也时节约成本的好方法。
但对于机床主轴来说，高性能的机床必须配用高性能的轴承，等级越高意味着能够持久稳定的运转，现在我国用于精密机床主轴上的轴承精度等级主要为P5等级轴承部件的材料所能达到的工作温度和使用的润滑剂在很大程度上决定了滚动轴承所能达到的转速。
轴承在达到工作温度限制时的转速，取决于轴承在滚动时因摩擦产生的热量（包括其他任何外热）和有多少热量可以被轴承带走所以，润滑方式也在一定程度上影响着轴承的极限转速。
例如同样是电主轴轴承，采用油雾润滑时最高转速可达8万RPM以上，因为它产生的热量都能通过油雾带走，而采用油脂润滑，转速达到6万RPM已经是非常高了，因为热量不容易散发。
这方面润环RHD选取高速主轴润滑脂用于超高速机床主轴轴承的长效润滑。
它是由复合钡稠化剂稠化低粘度酯类合成油，并加有抗氧化、防锈蚀、抗腐蚀等添加剂精制而成的低粘性白色滑脂。
此低扭矩、长寿命润滑脂主要针对机床主轴的高速滚动轴承的润滑而设计，能显著降低高速轴承工作温度及提高轴承的工作寿命。
根据38CrMoAlA钢机床主轴的工作条件、失效形式及性能要求，从《热处理手册》中本设计选择了38CrMoAlA钢等作为材料，在设计热处理工艺中，本设计借鉴了《热处理手册》《热处理技术》《热处理技术数据手册》《机械设计》及《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，使热处理后的机床主轴具有高强度、高耐磨性外，还具有一定的强度和韧性还有表面硬度，从而满足机床主轴质量要求。
238CrMoAlA钢机床主轴的服役条件、失效形式
2.1服役条件
38CrMoAlA钢是合结钢的其中一种。
38CrMoAlA是一种专用氮化钢,经过热处理和精加工后的38CrMoAl圆钢具有很高的表面硬度、耐磨性及疲劳强度,并具有良好的耐热性及腐蚀性。
正是由于这些良好的力学性能，所以38CrMoAlA钢非常适合做机床主轴。
但是，38CrMoAlA钢的缺点也很明显，那就是氮化层的脆性相对较大,淬透性不高,因而不太适合制作承受冲击很大的零件。
图1机床主轴
2.2失效形式
38CrMoAlA钢机床主轴的失效形式主要为
（1）.变形失效：
变形失效又分为弹性变形失效和塑性变形失效，由于热处理的温度使用不当导致。
（2）.断裂失效：
断裂失效又分为塑性断裂失效、低应力脆性失效、疲劳断裂失效，是由于退火工艺温度不达标或者时间不够导致的。
（3）.表面损伤失效：
表面损伤失效又分为磨损失效、表面疲劳失效。
过载断裂有时也发生冲击过载断裂，个别情况下发生索性变形和腐蚀失效，且淬透性不高,因而不太适合制作承受冲击很大的零件。
338CrMoAlA钢机床主轴的材料选择及技术要求
38CrMoAlA钢机床主轴的材料为38CrMoAlA钢，38CrMoAlA钢是合结钢的其中一种，38CrMoAlA钢的力学性能很好，抗拉强度：
≥980（100），屈服强度：
≥835（85），伸长率δ5（%）：
≥14，断面收缩率ψ（%）：
≥50，冲击功：
≥71，冲击韧性值）：
≥88（9），硬度：
≤229HB。
38CrMoAlA是一种专用氮化钢，经过热处理和精加工后的38CrMoAlA钢具有很高的表面硬度、耐磨性及疲劳强度,并具有良好的耐热性及腐蚀性。
处理后尺寸精度高,通常38CrMoAl氮化后的表面硬度在920HV以上，预处理为调质（通常调质硬度要求≥260HB，如262~302HB）。
38CrMoAl氮化速度较快，可以得到较深的氮化层深度，但氮化层的脆性相对较大，淬透性不高，因而不太适合制作承受冲击很大的零件。
国外通常不推荐含铝氮化钢用于重要的重载齿轮。
38CrMoAlA钢机床主轴的技术要求很高，热处理工艺包括正火、淬火、回火、退火、渗氮、调质等。
38CrMoAlA钢属于合金结构钢，国内执行标准GB/T3077-1999。
38CrMoAl是一种专用氮化钢,经过热处理和精加工后的38CrMoAlA钢具有很高的表面硬度、耐磨性及疲劳强度,并具有良好的耐热性及腐蚀性。
处理后尺寸精度高,通常38CrMoAl氮化后的表面硬度在HV800以上。
438CrMoAlA钢机床主轴的材料的C曲线
38CrMoAlA钢机床主轴的C曲线：
图238CrMoAlA钢机床主轴C曲线
538CrMoAlA钢机床主轴的加工工艺流程图
38CrMoAlA钢机床主轴的工艺流程一般为：
氮化前的预热处理包括正火（退火）、调质处理、去应力
正火（退火）：
细化晶粒、降低硬度、消除锻造应力。
调质处理：
可以改善钢的加工性能，获得均匀的回火索氏体组织，以保证零件心部有足够的强度和韧性，同时又能使渗氮层和基本结合牢固。
调质处理：
淬火加高温回火，获得回火索氏体。
调质目的：
对要进行氮化的工件，要求其氮化前有均匀而又细致的组织（即回火索氏体），以保证工件心部有较高的强度和良好的韧性，不允许存在游离铁素体，表面不能有脱碳层，氮化前的表面粗糙度应小于Ra1.6um,从而提高其综合力学性能，为氮化做好必要的组织准备，因此氮化工件都必须进行调质处理。
调质可以使38CrMoAlA钢的性能，材质得到很大程度的调整，其强度、塑性和韧性都较好，具有良好的综合机械性能。
去应力处理：
对于形状复杂的精密零件，在渗氮前应进行1~2次去应力，以减少渗氮过程中的变形。
638CrMoAlA钢机床主轴的热处理工艺曲线
（1）38CrMoAlA钢正火的热处理工艺曲线
正火温度38CrMoAl：
930~970℃细珠光体+块状铁素体+少量索氏体。
图338CrMoAl的正火热处理工艺曲线
（2）38CrMoAlA钢淬火为930℃～970℃和高温回火为600℃～650℃的热处理工艺曲线
图438CrMoAlA钢机床主轴的淬火和高温回火
（3）38CrMoAlA钢渗氮的热处理工艺曲线
图为38CrMoAlA钢的两端渗氮工艺曲线。
第一段的渗氮温度和氨分解率与等温渗氮相同，其目的是使工件表面形成弥散度打的氮化物。
第二阶段的温度较高，氨分解也较高，其目的是加速氮在钢种的扩散。
加深渗氮层的厚度，从而缩短总的渗氮时间，并使渗氮层的硬度分布曲线趋与平缓。
图538CrMoAlA钢的等温渗氮工艺曲线
图638CrMoAlA钢的两段渗氮工艺曲线
图7二次氮化的热处理工艺
738CrMoAlA钢机床主轴正火、调质、渗氮工艺理论
7.1正火工艺原理
正火，是将工件加热至Ac3（Ac3是指加热时自由铁素体全部转变为奥氏体的终了温度）或Acm（Acm是实际加热中过共析钢完全奥氏体化的临界温度线）以上30~50℃，保温一段时间后，从炉中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风冷却的金属热处理工艺。
其目的是在于使晶粒细化和碳化物分布均匀化。
正火与退火的不同点是正火冷却速度比退火冷却速度稍快，因而正火组织要比退火组织更细一些，其机械性能也有所提高。
表138CrMoAlA钢的热处理
项目
退火
正火
淬火
回火
温度℃
840～870
930～970
940
150～200
300～400
500～550
600～650
冷却
炉冷
空冷
油
水或油
水或油
水或油
水或油
硬度HRC
≤229HB
——
＞56
56～51
51～45
39～35
31～28
7.2调质工艺原理
淬火后高温回火的热处理方法称为调质处理。
高温回火是指在500-650℃之间进行回火。
调质可以使钢的性能，材质得到很大程度的调整，其强度、塑性和韧性都较好，具有良好的综合机械性能。
调质处理后得到回火索氏体。
调质后的工件具有良好的综合性能。
（1）淬火工艺原理
钢的淬火是将钢加热到临界温度Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上某一温度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近火等温）进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理工艺。
通常也将铝合金、铜合金、钛合金、钢化玻璃等材料的固溶处理或带有快速冷却过程的热处理工艺称为淬火。
图8钢的淬火硬度与碳含量的关系
38CrMoAlA钢为高氮合金钢，淬火工艺温度为Ac3+30～50℃，由38CrMoAlA钢的相图所知温度为920℃，所以采用淬火温度为970℃，根据保温时间公式t=akd
a——保温时间系数（min）
k——工件装炉方式修正系数（min/mm）
d——工件有效厚度（mm）
表2钢的控制电阻炉的常用值
钢材
空气电阻炉的a值（min/mm）
碳钢
0.9-1.1
合金钢
1.3-1.7
高速钢
--
合金渗氮钢用空气电阻炉加热，所以a取1.7。
取k取1.7。
工件的有效厚度为10mm。
将数据带入上式得到保温时间为t=109min，取t=3h。
（2）高温回火工艺原理
高温回火是指将淬火钢加热到临界点A1以下某一温度，保温一定时间，以适当冷速冷却，使淬火组织转变为回火组织的热处理工艺。
其目的是主要有消除工件淬火时产生的残留应力，防止变形和开裂；调整工件的硬度、强度、塑性和韧性，达到使用性能要求；稳定组织与尺寸，保证精度；改善和提高加工性能。
因此，回火是工件获得所需性能的一道重要工序。
按回火温度范围，回火可分为低温回火、中温回火和高温回火。
图9不同碳含量钢的硬度随回火温度变化的情况
38CrMoAlA钢淬火后进行高温回火，使硬度和韧性达到最好，38CrMoAlA钢的高温回火组织为回火索氏体，回火保温时间是使组织完全转变为原则。
因为38CrMoAlA钢的组织硬度要求为700HRC，所以高温回火的温度控制在650℃，回火时间根据经验公式Th=Kh+AhD
Kh——回火时间基数（min）
Ah——回火时间系数（min/mm）
表3回火条件
回火条件
300℃以上
300-450℃
450℃以上
箱式电炉
盐浴炉
箱式电炉
盐浴炉
箱式电炉
盐浴炉
Kh（min）
120
120
20
15
10
3
Ah（min/mm）
1
0.4
1
0.4
1
0.4
450℃以上回火时，箱式电炉的回火时间基数Kh取10min，回火时间系数取1min/mm。
将以上数据带入上式得到回火时间为Th=35min，取Th=40min。
7.3渗氮的工艺原理
渗氮俗称氮化，是指在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面，形成含氮硬化物的化学热处理工艺。
其目的是提高零件表面硬度（可达1000HV～1200HV）、耐磨性、疲劳强度、热硬度和耐蚀性。
渗氮主要是用于耐磨性要求高、耐蚀性和精度要求高的零件。
钢件氮化后具有很高的硬度（1000HV～1100HV），且在600℃～650℃下保持不下降，所以具有很高的耐磨性和热硬性。
氮化后，工件的最外层为一白色ε或γ′相的氮化物薄层，很脆。
常用精磨磨去；中间是暗黑色含氮共析体（α＋γ′）层；心部为原始回火索氏体组织。
铝能强烈提高氮化层的硬度，之所以能提高硬度，是因为氮原子向心部扩散时，在渗层中一次发生①氮和合金元素原子的偏聚，形成所谓G-P区。
②α-Fe16N2型过渡氮化的析出等组织变化，而这些共格的偏聚区和过渡氮化物的析出，会引起硬度的强烈增高。
随着钢中所含合金元素不同，以及氮化温度和气氛氮势的变化，氮化过程可能出现不同的特点。
其工艺基本步骤为：
（1）把炉温升到800℃左右，断开电源打开炉盖，放入装好工件的工装，关闭炉盖升温到930℃左右。
在升温过程中，打开风扇及煤油阀门，以每分钟160滴的速度滴入炉孔，炉压保持在6~10格——渗层深炉压取高值。
渗碳速度一般按0.15~0.2mm/h来计算，如要渗层深度为0.8~1.2mm，则强渗时间为6小时，提前在强渗设定时间结束前半小时，取出试棒，观察渗层深度（试棒渗层深度一般为工件的一半，这边渗层深度靠操作工的肉眼加经验判断），深度够在强渗结束就可以开始扩散，否则增加强渗时间；内，进行排气，同时打开试样孔和排气管并点燃排气火焰。
排气时间一般为60~80分钟（保证温度到渗碳温度还要排气30分钟左右）；
（2）当火焰为鸡蛋黄颜色时开始强渗了，此时要加大煤油的滴量，按每分钟180~200滴。
在强渗时就可用放入试棒（含碳量少的材料，尺寸Ф8×100mm），关闭试样
（3）扩散期温度不变，减少煤油滴量，按每分钟100滴，一般扩散时间为60~90分钟，作用是均匀工件表层的碳溶度；
（4）扩散期结束开始降温，此时断开加热器，降温到810℃左右，并在此温度保温10~20分钟。
降温期减少煤油滴量，按每分钟60℃的油中冷却，冷却时上下左右轻轻摇动工装，一般冷却时间为10~20分钟左右，吊起工装时也要注意工件出油的温度。
（5）冷却好的工件要在半个小时之内（防止工件开裂）进行低温回火，温度一般在160~190℃（由硬度要求而定），保温时间2小时左右出炉空冷。
在渗碳过程中要随时注意火焰形状，正常的火焰是：
火焰呈金黄色，无力不熄灭（断续熄灭，说明水气高了），火苗无黑焰和火星，火苗长100~150mm；若火苗出现火星，说明炉内炭黑过度；火苗过长、尖端外缘呈亮白色，说明渗碳剂供量过多；火短、外缘呈浅蓝色并有透明，说明渗碳剂供量不足或炉子漏气。
图10渗氮温度与渗氮深度以及硬度的关系
图11渗氮时间对38CrMoAlA钢渗氮层硬度的影响
8选择设备、仪表和工夹具
8.1设备
箱式电阻炉和控温仪表、洛氏硬度计、表面维氏硬度计、金相显微镜、淬火水槽、油槽、抛光机、回火电炉、水银温度计、钳子和铁丝、标准式样、38CrMoAl钢的金相册。
图11箱式电阻炉
8.2设计工夹具
本设计中由于机床主轴均为大件，具有很高的表面硬度、耐磨性及疲劳强度,并具有良好的耐热性及腐蚀性。
以延长使用寿命，尤其是在碳氮共渗中可以保持合理的成本与寿命比值。
夹具定位轴部分用圆孔、三爪或者自定心机构，设置在距离车床旋转轴线一定距离上，定位轴部分活动式V形块，或者活动直边挡板，轴定位后，旋转工件使轴位于车床轴线附近，然后用活动式定位元件把轴定位，夹紧工件后，再去掉活动工定位元件，开始加工轴，这样做的前提是夹紧后摩擦力必须保证工件不会再移位。
图12井式炉
938CrMoAlA钢热处理质量检验项目、内容及要求
（1）变形检查
在相同的工艺参数下（550℃/15h）进行离子氮化。
结果发现，不管是退火还是调质的导轨，对氮化导轨B面的变形没有多大的影响，弯曲量维持在0.050～0.060mm范围内，但对A面的变形影响很大，退火导轨氮化后A面的相对最大弯曲量已达到0.4mm，而调质导轨的弯曲量更大，竟达1.8～1.9mm。
（2）外观检查
淬火后不能出现过烧、熔化、裂纹等缺陷。
如果出现这些情况应该及时回火进行消除。
（3）渗层深度
38CrMoAlA钢的经渗氮淬火后由表面至硬度为HV500，38CrMoAlA钢渗碳淬火测维式硬度，根据所测得硬度与至表面距离的团系曲线，以硬度大于HV550的层深作为有教渗层深度。
（4）硬度检查
38CrMoAlA钢的渗氮后硬度可达HV1000（相当于HRC700）～1200，而渗氮淬火后的硬度只有HRC60～20，尤其是氮化层的高硬度可以保持到500℃左右。
（5）金相组织检查
38CrMoAlA钢经调质然后氮化，在金相分析中还可以看到，氮化前的金相组织和氮化工艺参数对氮化后脉状组织的含量有较大影响。
退火组织在氮化过程中形成脉状组织的倾向比调质组织大得多，而且氮化温度越高，氮化时间越长，均促进脉状组织的形成。
1038CrMoAlA钢热处理常见缺陷的预防及补救方法
10.1退火的缺陷及其预防、补救
38CrMoAlA退火时：
开口宽、尾细、缝内有氧化物，退火时易出现残余应力过大，或者出现退火织构，通过对退火温度及时间的掌控，对于上述缺陷进行防止，可通过再次退火消除残余应力及织构。
10.2淬火缺陷及其预防、补救
38CrMoAlA钢淬火过程中在工件内部会产生应力，即淬火应力。
工件不同部位变温速度的差异是内应力的来源。
淬火冷却时，变温速度的不均匀性最大，引发的内应力也最大，故淬火内应力实际上是淬冷过程的内应力。
淬火应力过大易出现淬火变形与淬火裂纹，尽量做到均匀加热及正确加热，正确选择淬火工件进入淬火介质的方式和运行方向，及时进行正确的回火。
10.3回火缺陷及其预防、补救
38CrMoAlA钢回火后易出现硬度过高或者过低，硬度不均匀，以及回火产生变形及脆性等。
通过在允许回火温度范围内适当调整回火温度，一旦出现第二类回火脆性，可通过再次加热，来消除。
10.4渗氮缺陷及其预防、补救
零件经渗氮后可能出现的缺陷有：
表面硬度偏低、渗层深度不够或不均匀、金相组织不合格、渗层残余奥氏体过多、心部铁素体过多、渗碳层出现内氧化、零件变形差、心部硬度过高等。
渗氮见的技术要求一般有表面硬度。
渗层深度、心部硬度、金相组织和变形量等几项。
表明硬度检验常用HV或者HRN（表面洛氏硬度）。
渗氮层正常组织为表层无白或白层很薄，内部无网状、针状和鱼骨状碳化物，波纹状氮化物层不厚，晶粒不粗大，心部无铁素体。
如果表面硬度偏低，那么可能是由于表面浓度偏低，或氮化前热处理回火温度过高导致的。
渗层深度检验也采用渗碳层检验方法，常用的是硬度法。
心部硬度超差可能是由于回火温度选择不当。
金相组织不合格的原因是由于气氛氮势过高、氮化温度过高、氮化前处理时表面脱碳或细化晶粒不够。
11参考文献
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