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45钢连杆热处理工艺设计

攀枝花学院

学生课程设计（论文）

题目：

45钢连杆热处理工艺设计

学生姓名：

XXX

学号：

XXXXXXX

所在院（系）：

材料工程学院

专业：

20XX级材料成型及控制工程

班级：

材料成型及控制工程1班

指导教师：

XXX职称：

讲师

2013年12月28日

攀枝花学院教务处制

攀枝花学院本科学生课程设计任务书

题　目

45钢连杆的热处理工艺设计

1、课程设计的目的

使学生了解、设计45钢连杆的热处理工艺，融会贯通相关专业课程理论知识，培养学生综合运用所学知识、分析问题和解决问题的能力。

2、课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）

内容：

（1）明确设计任务（包括用途、服役条件及性能要求）

（2）绘出热处理件零件图

（3）给出设计方案

（4）写出设计说明

（5）设计质量检验项目

（6）设计热处理工艺卡片

（7）45钢连杆的热处理缺陷及预防或补救措施

要求：

（1）通过查找资料充实、完善各项给定的设计内容。

（2）分析热处理过程中可能出现的缺陷，针对这些缺陷提出预防措施或补救措施。

（3）提交设计说明书（报告），2千字以上。

报告格式请参照“毕业论文（设计）”格式。

3、主要参考文献

[1]夏立芳主编.金属热处理工艺学.哈尔滨:

哈尔滨工业大学出版社,2005

[2]中国机械工程学会热处理分会．热处理工程师手册［Ｍ］．机械工业出版社．2003．第一版.

[3]张玉庭主编．热处理技师手册［Ｍ］．机械工业出版社．2006．第一版

[4]中国机械工程学会热处理学会．热处理手册［Ｍ］．机械工业出版社．2003．第三版.

4、课程设计工作进度计划

第十四周：

对给定的题目进行认真分析，查阅相关文献资料，做好原始记录。

第十五周：

撰写课程设计说明书，并进行修改、完善，提交设计说明书。

指导教师（签字）

孙青竹

日期

2013年11月25日

教研室意见：

年月日

学生（签字）：

接受任务时间：

年月日

注：

任务书由指导教师填写。

课程设计（论文）指导教师成绩评定表

题目名称

评分项目

分值

得分

评价内涵

工作

表现

20%

01

学习态度

6

遵守各项纪律，工作刻苦努力，具有良好的科学工作态度。

02

科学实践、调研

7

通过实验、试验、查阅文献、深入生产实践等渠道获取与课程设计有关的材料。

03

课题工作量

7

按期圆满完成规定的任务，工作量饱满。

能力

水平

35%

04

综合运用知识的能力

10

能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题，能正确处理实验数据，能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。

05

应用文献的能力

5

能独立查阅相关文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获取新知识的能力。

06

设计（实验）能力，方案的设计能力

5

能正确设计实验方案，独立进行装置安装、调试、操作等实验工作，数据正确、可靠；研究思路清晰、完整。

07

计算及计算机应用能力

5

具有较强的数据运算与处理能力；能运用计算机进行资料搜集、加工、处理和辅助设计等。

08

对计算或实验结果的分析能力（综合分析能力、技术经济分析能力）

10

具有较强的数据收集、分析、处理、综合的能力。

成果

质量

45%

09

插图（或图纸）质量、篇幅、设计（论文）规范化程度

5

符合本专业相关规范或规定要求；规范化符合本文件第五条要求。

10

设计说明书（论文）质量

30

综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理；实验正确，分析处理科学。

11

创新

10

对前人工作有改进或突破，或有独特见解。

成绩

指导教师评语

指导教师签名：

年　月　日

摘要

本课设计了45钢热处理工艺设计。

主要的工艺过程包括锻造、预备热处理正火、淬火+高温回火等过程。

通过各种不同的工艺过程进行恰当的处理可以获得各种性能良好的材料并且满足各项性能的要求。

45钢其优质碳素结构用钢,硬度不高易切削加工。

连杆的工作条件要求连杆具有较强的强度和抗疲劳性能；又要求具有足够的钢性和韧性。

连杆机构中两端分别与主动和从动构件铰接以传递运动合理的杆件。

在发动机工作过程中，连杆要承受膨胀气体的作用，还要承受纵向和横向的惯性力。

在一个复杂的应力状态下工作。

它既收交变的拉压应力，又受弯曲应力。

因此连杆负载种类为疲劳冲击。

关键词：

45钢，正火，高温回火，连杆

4、质量检查7

1设计任务

1.1设计任务

45钢连杆热处理工艺设计

1.2设计的技术要求

45号钢的化学中含碳量是0.42~0.50%，Si含量为0.17~0.37%Mn含量0.50~0.80%Cr含量<=0.25%，优质碳素结构用钢,硬度不高易切削加工。

连杆的工作条件要求连杆具有较强的强度和抗疲劳性能；又要求具有足够的钢性和韧性。

连杆机构中两端分别与主动和从动构件铰接以传递运动合理的杆件。

在发动机工作过程中，连杆要承受膨胀气体的作用，还要承受纵向和横向的惯性力。

在一个复杂的应力状态下工作。

它既收交变的拉压应力，又受弯曲应力。

因此连杆负载种类为疲劳冲击。

故应满足下列的力学要求：

表一

σb

σs

σs/σb

δ

Ψ

600—1200MP

320—800MPa

50—60%

10—20%

40—50%

布氏硬度：

170—320HB

在对45号钢进行热处理时，即去应力退火，淬火和高温回火时应严格按照卡片所列出的时间进行保温以及其它操作的要求。

零件图如图一

图一

2设计方案

2.1连杆设计的分析

2.1.1工作条件

连杆机构中两端分别与主动和从动构件铰接以传递运动和力的杆件。

在发动机工作过程中，连杆要承受膨胀气体的作用，还要承受纵向和横向的惯性力。

在一个复杂的应力状态下工作。

它既收交变的拉压应力，又受弯曲应力。

因此连杆负载种类为疲劳冲击

2.1.2失效形式

主要失效形式为损坏形式是疲劳断裂和过量变形。

疲劳断裂：

螺栓和杆在承受交变载荷的一种破坏形式，由于螺栓在疲劳断裂前不产生塑性变形而是突然断裂；通常疲劳断裂的部位在连杆的三个高应力区域。

过量变形：

指的是在长期运行中连杆发生塑性变形。

2.1.3性能要求

●连杆上需进行机械加工的表面为：

大小头孔及其两端面，连杆体与连杆盖得结合面及连杆螺栓定位孔等。

●大小孔的尺寸精度及形状精度，为了使大头孔与轴瓦及曲轴.小头孔与活塞销能密切配合，减少冲击的不良影响和便于传热。

大头孔公差等级为it6，表面粗早度ra应不大于0.4um；大头孔的圆柱度公差为0.012mm，小头孔公差等级为it8，表面粗燥度ra应不大于3.2um。

小头承套的底孔的圆柱度公差为0.0025um，素线平行度公差为0.04|100mm

●大小孔轴心线在两个相互锤子方向的平行度：

两孔轴心线再连杆轴线方向的平行度误差会使活塞在汽缸中倾斜度，从而造成气缸壁磨损不均匀，同时使曲轴的连杆曲颈产生边缘磨损，所以两孔轴的心线再连杆轴线方向的平行度公差较小；二两孔轴心线在垂直于轴线方向的平行度误差对不均云磨损影响较小，因而其公差值较大。

两孔轴心线在连杆的轴线方向的平行度在100mm长度上公差为0.04mm在垂直于连杆轴心线方向的平行度在100mm长度公差为0.06mm。

●大、小孔中心距：

大小孔的中心距影响到气缸的压缩比，及影响到发动机的效率所以规定较高的要求：

190+-0.05mm。

●连杆大头孔两端面对大头孔中心线的垂直度：

连杆大头孔两端面对大头孔中心线的垂直度，影响到轴瓦的安装和磨损，甚至引起灼烧；所以对他也提出一定的要求：

规定垂直度公差等级应不低于it9（大头孔两端面对大头孔的轴心线的垂直度在100mm长度上公差为0.08mm）。

●有关结合面的技术要求：

再连杆的动载荷时，结合面得歪斜是连杆盖沿着剖分面产生相对错位，影响到曲轴的连杆曲靖和轴瓦结合不良，从产生不均匀磨损。

结合面的平行度将影响到连杆、连杆盖和垫片贴合的紧密度，因而也影响到螺栓的受力情况和曲轴、轴瓦的磨损。

对于连杆，要求结合面的平面度的公差为0.025mm。

●大、小头孔两端面的技术要求：

连杆大、小头孔两端面间距离的基本尺寸相同，但从技术要求是不同的，大头两端面的尺寸公差等级为IT9，表面粗糙度Ra不大于0.8um,小头两端面的尺寸公差等级为IT12，表面粗糙度Ra不大于6.3um。

这是因为连杆大头两端面与曲轴连杆轴颈两轴肩端面间有配合要求，而连杆小头两端面与活塞销孔坐内档之间没有配合要求。

连杆大头端面间距离尺寸的公差带正好落在连杆小头端面间距离尺寸的公差带中，这给连杆的加工带来许多方便。

●螺栓孔的技术要求：

在前面已经说过，连杆在工作过程中受到急剧的动载荷的作用。

这一动载荷又传递到连杆体和连杆盖的两个螺栓及螺母上。

因此除了对螺栓及螺母要提出高的技术要求外，对于安装这两个动力螺栓孔及端面也提出了一定的要求。

规定：

螺栓孔按IT8级公差等级和表面粗糙度Ra应不大于6.3um加工；两螺栓孔在大头孔剖分面的对称度公差为0.25mm。

45号钢该钢冷塑性一般，退火、正火比调质时要稍好，具有较高的强度和较好的切削加工性，经适当的热处理以后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性，材料来源方便。

适合于氢焊和氩弧焊，不太适合于气焊。

焊前需预热，焊后应进行去应力退火。

正火可改善硬度小于160HBS毛坯的切削性能。

该钢经调质处理后，其综合力学性能要优化于其他中碳结构钢，但该钢淬透性较低，水中临界淬透直径为12~17mm，水淬时有开裂倾向。

当直径大于80mm时，经调质或正火后，其力学性能相近，对中、小型模具零件进行调质处理后可获得较高的强度和韧性，而大型零件，则以正火处理为宜，所以，此钢通常在调质或正火状态下使用。

A钢力学性能：

表二

抗拉

屈服

伸长率

断面收缩率

硬度

冲击力

600

355

16%

40%

229

39J

2.2钢种材料

45号钢该钢冷塑性一般，退火、正火比调质时要稍好，具有较高的强度和较好的切削加工性，经适当的热处理以后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性，材料来源方便。

适合于氢焊和氩弧焊，不太适合于气焊。

焊前需预热，焊后应进行去应力退火。

正火可改善硬度小于160HBS毛坯的切削性能。

该钢经调质处理后，其综合力学性能要优化于其他中碳结构钢，但该钢淬透性较低，水中临界淬透直径为12~17mm，水淬时有开裂倾向。

当直径大于80mm时，经调质或正火后，其力学性能相近，对中、小型模具零件进行调质处理后可获得较高的强度和韧性大

型零件，则以正火处理为宜，所以，此钢通常在调质或正火状态下使用。

其化学成分如图

表三

含C

含Si

含Mn

含Ni

含Cu

含Cr

0.42~0.50%

0.17~0.37%

0.50~0.80%

<=0.30%

<=0.25%

<=0.25%

3设计说明

3.1加工工艺流程

45号钢热处理工艺设计的热加工工艺流程经过许多次改进形成如下的工艺流程:

下料→锻造→预备热处理（正火）→机械加工→淬火+高温回火→平磨→组装。

45钢属于中碳钢，其成分[1]如下表四

表四45钢的化学成分（质量分数，%）

含C

含Si

含Mn

含Ni

含Cu

含Cr

0.42~0.50%

0.17~0.37%

0.50~0.80%

<=0.30%

<=0.25%

<=0.25%

成分分析：

Mn是良好的脱氧剂和脱硫剂。

它能消除或减弱由于硫所引起的钢的热脆性，从而改善钢的热加工性能。

Mn和Cu形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度，经固溶处理后有良好的韧性，当受到冲击而变形时，表面层将因变形而强化，具有高的耐磨性；同时又是碳化物形成元素，进入渗碳体中取代一部分Cu、Cr、Ni原子。

Si能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度。

硅能提高钢的弹性极限、屈服强度和屈服比（σs/σb）,以及疲劳强度和疲劳比（σ-1/σb）等。

硅能促使铁素体晶粒粗化，降低矫顽力。

3.2具体热处理

45钢的热处理包括初期的锻造和预先热处理，以减少坯料的硬度为方便后面的机加工，也为后续为淬火、回火提供优良的原始组织。

a钢的热处理工艺分析：

①由于45钢的含碳量较高，对于连杆这种要求韧性、刚性、塑性和耐磨性的特性，那么45钢的最重要的就是提高其韧性和耐磨性。

②通过锻造和随后的退火，形成硬度较低的原始坯料，为后续的切削加工提供有利的方便和减少对于车床的磨损。

③为了碎化、细化共晶碳化物，把粗大的枝晶状共晶碳化物打碎、提高碳化物分布的均匀性，细化碳化物的粒度，一般45钢使用时都需要进行锻造和预先热处理,以减少碳化物的不均匀分布,为后续淬火、回火提供优良的原始组织[4]。

3.2.1预备热处理工艺

正火是将钢加热到Ac3以上30度到50度保温适当的时间后，在静止的空气中冷却得热处理的工艺方法，正火组织为为一种比较细的索氏体，以得到接近于平衡状态组织的各种工艺方法。

正火的目的是：

a消除因铸、锻引起的组织缺陷。

b降低硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工。

c细化晶粒，均匀组织，为后续热处理做组织准备。

d消除钢中的内应力，以防止变形与开裂。

图二、45钢正火工艺曲线

将工件放入箱式正火炉中进行正火工艺。

加热温度：

Ac3+（30—50）℃，由此确定加热温度为850℃；保温时间：

120min；

3.2.2机械加工

由于我们专业并不怎么涉及机加工方面的知识，因此此处只能说明其在车床上进行加工。

3.2.3淬火+高温回火热处理工艺

①淬火

淬火是将钢加热至临界温度点Ac3或Ac1以上一定的度，保温后以大于临界冷却速度的速度冷却得到马氏体（或下贝氏体）的热处理工艺叫做淬火。

其目的是使奥氏体化后的工件获得尽量多的马氏体，然后配以不同温度回火获得各种需要的性能。

钢的理想淬火冷却曲线如图3.4[7]所示

Ac3

Ac1

A

A→P

A→B

Ms

图三

45号钢的淬火工艺曲线如图四

图四

工件进入调质线进行工艺处理，淬火加热温度：

Ac3+（30—50）℃，由此确定加热温度为850℃，保温时间：

80min，冷却方式：

油冷。

②高温回火

回火是将淬火钢加热到A1以下某一温度，经过保温，然后以一定的冷却方法冷至室温的热处理操作。

回火曲线如图五

图五

高温回火温度为500—650℃，可选用加热温度为620℃；保温时间为60min；空冷。

其目的在于：

a.降低脆性，消除内应力。

工件淬火后存在着很大的内应力和脆性，若不及时回火，零件会产生变形或开裂。

b.得到对工件所要求的力学性能。

工件淬火后，硬度高，脆性大，为了了获得对工件要求的性能，可以用回火温度调整硬度，减小脆性，得到所需要的塑性、强度和硬度。

c.稳定工件尺寸。

淬火后的组织是马氏体和残余奥氏体，这两种组织都是不稳定的，会自发地逐渐地发生组织转变，因而引起工件尺寸和形状的改变。

通过回火，可以促使这些组织转变。

达到较稳定状态，以便在以后的使用过程中不发生变形[8]。

回火规范如表五

表五回火规范表

方案

 淬火温度/℃

回火

用途

加热温度/℃

介质

硬度HRC

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

1180~610

消除应力

去除应力，降低硬度

去除应力，降低硬度

150~170

200~275

400~425

油或硝盐

油

油

61~63

57~59

55~57

Ⅳ

Ⅴ

Ⅵ

850~550

去除应力及形成二次硬化

去除应力及形成二次硬化

去除应力及形成二次硬化

620℃多次回火

-78℃冷处理加510~520℃一次回火

20℃冷处理加一次510~520℃回火，再20℃冷处理

油

油

油

60~61

60~61

61~62

3.2.5物理性能

经过上述各种热处理后A钢的韧性、硬度、耐磨性都有所甚至很大的提升。

回火后的组织为回火索氏体如下图：

图六

4质量检验

4.1显微组织的检验

正火是加热保温后在空气中冷却，真空冷却比炉冷快，珠光体转变温度低，因此，正火后因为珠光体及可能出现的魏氏组织，按技术要求及标准进行检查淬硬层的显微组织：

残留奥氏体数目，有无反常组织，心部组织是否粗大及铁素体是否超出技术要求等。

其室温组织为回火索氏体，组织见图

图七

一、外观形检查

检查工件表面有无腐蚀或氧化皮。

不得有裂纹及碰伤，表面不得有锈蚀。

二、工件变形检查

根据图样技术要求检查工件的挠曲变形，尺寸及几何形状的变化。

三、淬硬层深度检查

感应加热淬火后应检查淬硬层深度，42CrMo淬硬层深度应在8mm左右。

四、硬度检查

在淬火后检查包括淬硬层表面及心部硬度，一般洛氏硬度HRC标尺测量。

45钢在调质，感应淬火，高温回火后，表面硬度可达HRC50以上，心部硬度可达35-45。

5分析与讨论

45钢热处理工艺设计已经在前面展示，单就其性能以及热处理的过程想必是没多大问题，若放入实际生产中有很多不可预知的问题，因此，不能纸上谈兵须得到工厂或者实验室中反复的通过实验数据进行分析，然后在得出最重要的结论用于实践中，从而在生产中减低成本、提高效率并且减少工时，降低能源消耗。

6结束语

这次45连杆热处理工艺设计的完成，让我不仅通过自己的努力大致了解了45钢制造连杆的制作流程，还学会了把自己书本上学到的知识运用到实际物体上去。

45钢制造连杆是传递动力，所以A钢必须具有强的韧性、弯曲强度、硬度和高的耐磨性。

前段时间在没有认真学习金属学时，我觉得这个课程设计很难很难，但现在经过我对金属学的充分认识，我重新把这套支撑辊的设计完成了一遍，也从中发现了很多原作者的问题，使我从中吸取了精华部分。

金属学都是理论上的成型工艺，在实际生产中肯定还有许多细节问题需要我们去解决和改进。

在这次的课程设计中，发挥出了自己单独设计45钢制造连杆热处理工艺设计能力和综合运用书本知识，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，尤其是热处理加工工艺，是自己很有成就感。

同时各科相关的课程都有了全面的复习与运用，独立思考的能力也有所提高，更为重要的是：

在这次45钢制造连杆热处理工艺设计中，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，进而加以弥补。

7热处理工艺卡片

零件名称：

45连杆

热处理工艺卡

处理要求：

下料、锻造、预备热处理正火、机械加工、淬火+高温回火、平磨、组装

热处理技术要求：

恰当控制温度和时间

硬度：

大于等于170HBW

材料：

45钢

工序号

名称

设备

工具

装料

工艺规范

冷却

备注

工具数量

一工具装数量/

件

温度/℃

加热时间

保温时/h间

合计

介质

温度/℃

1

锻造加热

1100~1220

--

--

--

炉冷

2

正火

850

5min

1h

1h

油

3

淬火

900~1050

1h

1-2

2-3h

油

4

高温回火

850～620

2h

3-5

空冷

5

6

7

8

9

更该日期

更改

单号

更改

标准

更改者

8、热处理缺陷及预防或补救措施

8.1.1氧化和脱碳：

工件在加热过程中，由于周围的加热介质与钢表面所起的化学作用，会使钢发生氧化与脱碳，严重影响淬火工件的质量。

氧化：

是指钢的表面与加热介质中的氧、氧化性气体、氧化性杂

质相互作用形成氧化铁的过程。

由于氧化铁皮的形成，使工件的尺寸减小，表面光洁度降低，还会严重地影响到淬火时的冷却速度，致使工件表面产生软点和硬度不足。

钢的氧化虽然是化学反应，但是一旦在钢的表面出现一层氧化膜之后，氧化的速度主要取决于氧和铁原子通过氧化膜的扩散速度，如图2-53所示。

由图可见，随着加热温度的升高，原子扩散速度增大，钢的氧化速度便急剧地增大，特别是在570度以上，所形成的氧化膜是以是FeO为主，它是不致密的，结构疏松的。

因此，氧原子很容易透过已形成的表面氧化膜，继续与铁发生氧化反应，所以，当氧化膜中出现FeO时，钢的氧化速度大大增加，氧化层逐渐增厚。

在570度以下氧化膜则由比较致密的Fe3O4所构成，由于处于工件表面的这种氧化膜结构致密，与基体结合牢固，氧原子难以继续渗入，故氧化的速度比较缓慢。

脱碳：

是指钢表层中的碳被氧化，使钢的表层含碳量降低，钢的加热温度越高，且钢的含碳量越多（特别具有高含量的硅、钼、铝等元素时），钢越容易脱碳。

由于碳的扩散速度较快，所以钢的脱碳速度总是大于其氧化速度。

在钢的氧化层下面，通常总是存在着一定厚度的脱碳层，由于脱碳使钢的表层碳含量下降，从而导致钢件淬火后表层硬度不足，疲劳强度下降，而且使钢在淬火时，容易形成表面裂纹。

为了防止氧化、脱碳，根据工件的技术要求和实际情况，可以采用保护气氛加热、真空加热，以及用工件表面涂料包装加热等方法。

在盐浴中加热时，可以采用经常加入脱氧剂的方法，并要求建立严格的脱氧制度。

此外，对普通箱式炉稍加改造后，采用滴入煤油的办法进行保护，可大大改善加热工件的表面质量。

8.1.2过热和过烧

钢件进行奥氏体化加热时，如加热温度过高或加热时间过长，会引起奥氏体晶粒长大变粗，形成的马氏体也粗化，这种现象叫过热。

过热的工件几乎不能防止淬火裂纹产生。

因为在生成的马氏体中存在大量微裂纹，这种马氏体裂纹会发展为淬火裂纹。

在加热温度更高的情况下，钢的奥氏体晶粒进一步粗化，并产生晶界氧化，严重时还会引起晶界熔化，这种现象叫过烧。

产生过烧的工件，其性能急剧降低。

有过热缺陷的工件，可先进行一次细化组织的正火或退火，然后再按正常规范重新淬火。

有过烧缺陷的工件因无法挽救而只能报废。

8.1.3软点：

工件或钢材淬火硬化后，表面硬度偏低的小区域被称之为软点。

当用水作冷却介质时，工件表面因被传热很差的蒸气膜包住而造成冷却缓慢，所以淬火后工件的软点比较严重，在存在氧化皮和脱碳的部位也会出现软点。

软点可用锉刀检查，容易锉动的地方即是软点所在部位。

为了防止软点，应该使工件在无氧化、无脱碳条件下加热；其次是加强淬火介质在淬火过程中的机械搅拌；也可采用清水中加入盐、碱，或采用聚乙烯醇等水溶性有机溶液做淬火介质，使钢件在淬火时形成蒸气膜迅速破坏，不至于出现淬火软点。

8.1.4淬火裂纹

淬火裂纹是由于淬火内应力在工件表层的拉应力超过冷却时钢的断裂强度而引起的，