热处理工艺设计.docx
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热处理工艺设计
热处理工艺设计
参考文献
[1]中国机械工程学会热处理学会.热处理手册.典型零件热处理.第3版.北京：
机械工业出版社P357
[2]全国热处理标准化技术委员会.金属热处理标准应用手册.北京：
机械工业出版社，1994.8P101
[3]樊东黎.徐跃明.佟晓辉.热处理技术数据手册.北京：
机械工业出版社P237、P121
[4]叶卫平.张覃铁.热处理实用数据速查手册.北京：
机械工业出版社P82
[5]夏立芳.金属热处理工艺学.第4版.哈尔滨：
哈尔滨工业大学出版社.2008.4P66
[6]李泉华.热处理技术400问.北京：
机械工业出版社.2002P28
[7]樊东黎.徐跃明.佟晓辉.热处理工程师手册.北京：
机械工业出版社P706
[8]张玉庭.热处理技师手册.北京：
机械工业出版社.2005P542
[9]宋涛.顾军.热处理技术.北京：
机械工业出版社.2002.12P29
目录
锤锻模热处理工艺
一、锤锻模的服役条件及失效形式6
1.服役条件6
2.失效形式6
二、零件的性能要求7
三、锤锻模材料的选用7
四、加工路线的确定8
1.5CrNiMo材料分析8
2.热处理工艺方案和工艺规程的制定8
（1）球化退火8
（2）调质处理9
五、热处理技术分析12
六、零件所用热处理设备13
磨床主轴热处理工艺
一、主轴服役条件及失效形式13
二、磨床主轴材料的选择14
三、性能要求14
四、磨床主轴加工路线的确定15
1.调质处理15
（1）淬火15
（2）高温回火16
2.渗氮处理17
五、零件的热处理技术分析18
六、零件所选用热处理设备19
锤锻模热处理工艺设计
一、锤锻模的服役条件及失效形式
1.服役条件
锤锻模属于热作模具，是用各种吨位锤产生巨大的冲击功进行毛坯变形的工具,毛坯在短时间内快速成形,模具承受很大的冲击载荷和热磨损.
2.失效形式
主要失效形式有变形失效、热疲劳失效、磨损失效和断裂失效四种。
①变形失效是指在高温下毛坯与磨具长期接触使用后磨具出现软化而发生塑性变形，工作载荷大，工作温度高的锻模凸起部位易产生变形失效。
②热疲劳是指在环境温度发生周期性变化条件下工作的模具表面出现网状裂纹，锻模易出现热疲劳裂纹，此裂纹属于表面裂纹，一般较浅，在机械应力作用下向内部扩展，最终产生断裂失效。
③断裂是指材料本身承载能力不足以抵抗工作载荷而出现失稳态下的材料开裂，包括脆性断裂、韧性断裂、疲劳断裂和腐蚀断裂，热作模具断裂，与工作载荷过大，材料处理和选材不当及应力集中有关，模具凸起部位及根部易出现断裂失效。
④热磨损失效是模具工作部位与被加工材料之间相对运动产生的损耗，模具相对运动剧烈和凸起部位易产生磨损失效。
二、零件的性能要求
锤锻模属于热作模具，应具有良好的强韧性和抗疲劳强度及良好的使用寿命。
三、锤锻模材料的选用
常用于锤锻模的材料有5CrNiMo和5CrMnMo，但5CrNiMo钢具有良好的韧性，同时具有良好的强度和耐腐蚀性，室温力学性能与500℃～600℃时几乎相同，在加热到500℃时，仍能保持300HBW左右的硬度，5CrNiMo一般用于制作中大件锻模。
5CrMnMo脆性大，一般用于小件，5CrNiMo钢中含有Mo，因而对回火脆性不敏感，还能细化晶粒，提高韧性；Cr可以提高钢的淬透性、耐磨性和回火稳定性；Ni也能提高钢的韧性、淬透性和耐疲劳性能，5CrNiMo具有十分好的淬透性。
5CrMnMo含有Mn元素使回火脆性增大，增加过热敏感性，一般大件锻模不选5CrMnMo。
因此选择5CrNiMo材料作为锤锻模。
以300mm×300mm×300mm的大块5CrNiMo钢为例，经820℃油淬和650℃回火好，断面各部分的硬度几乎一致，多用来制造大、中型锻模，根据资料[1]查得。
下料（5CrNiMo）→锻造→球化退火→粗加工→调质→钳修→抛光
四、加工路线的确定
1.5CrNiMo材料分析
5CrNiMo在空气中冷却即能淬硬，并易形成白点，因此锻造后缓慢冷却。
锤锻模属于大件，必须放到600℃的炉中，待温度一致以后，再缓慢冷却到150℃～200℃，然后再在空气中冷却。
2.热处理工艺方案和工艺规程的制定
（1）球化退火
退火主要是消除锻后应力，碳的质量分数大于0.5%的钢球状珠光体的切削性能优于片状珠光体，含碳量越高，差别就越大，故对一般含碳量较高的钢采用球化退火，锤锻磨5CrNiMo为热作模具钢，含碳量0.5%～0.6%，所以采用球化退火。
1加热温度的确定
据资料[9]查得T=AC1+20℃～40℃AC1=730℃
T=AC1+20℃～40℃=750℃～770℃
根据资料[1]查得5CrNiMo退火温度为760℃～780℃，故计算合理。
由于工件比较大，里外温差比较大，所以可以适当提高温度。
2保温时间的确定
据资料[3]查得t=akD（采用中温箱式电阻炉a=1.2～1.5，k=1，D=300mm）
T=1.2×1×300=6h（工件大时可适当延长时间）
根据资料[7]查得5CrNiMo退火保温时间5～6h,计算合理。
3冷却方式
随炉冷却至500℃以下出炉空冷，以防晶粒粗大，影响性能。
4测硬度值
退火后硬度不高，用布氏硬度测，应在197～243HBS范围之间。
5画退火工艺曲线图
（2）调质处理
获得回火索氏体，使钢料具有良好的综合力学性能。
锤锻模淬火前要进行预热，因为锤锻模工件尺寸较大，里外温差较大，且加入合金元素导热率降低，为了防止工件开裂，必须进行预热。
预热温度一般为600℃～650℃，不要超过相变线，预热时间为4小时。
1淬火加热温度的确定
据资料[1]查得5CrNiMo淬火温度为830℃～860℃，淬火温度升高后，能推迟热疲劳裂纹的产生，但超过900℃加热淬火冲击韧度开始下降，加热速度大，工件温差大，易出现加热不足，所以加热温度可取大些。
根据资料[2]查得T=Ac3+50℃～80℃Ac3=780℃
T=Ac3+50℃～80℃=830℃～860℃
根据资料[3]查得5CrNiMo淬火温度为840℃～860℃，故计算合理。
②淬火保温时间的确定
据资料[3]查得t=akD（采用中温箱式电阻炉a=1.2～1.6，k=1，D=300mm）
t=1.2×1×300=6h
3淬火冷却方式
用油冷，一般锤锻模在冷到150℃～200℃时，应从油槽中取出后，立即回火。
4淬火硬度测定
硬度一般在53～59HRC范围内，合适。
5淬火工艺曲线
6回火加热温度的确定
一般钢的高温回火温度在500℃以上AC1线以下某一温度，根据资料[4]查得5CrNiMo回火温度为490℃～530℃。
7回火时间的确定
据资料[5]查得有效厚度300mm的钢回火保温时间为6h,根据资料[6]查得合金钢保温时间可增加1/3，因此锤缎模5CrNiMo回火时间为7h.
8回火冷却方式
出炉后油冷，以防止回火脆性的产生，为消除油冷产生的应力，可在160℃～180℃再回火一次，并且回火后不能在油中冷却至室温，否则易开裂。
9回火硬度的测定
回火硬度在要求范围内，即32～35HRC
⑩锻模回火的时间应充分，否则会造成模具心部硬度偏高，产生开裂。
锻模回火后的冷却应注意防止第二类脆性，同时应进行第二次回火，第二次回火温度低于第一次回火温度约10℃，保持时间可缩短20%～25%.
回火工艺曲线
五、热处理技术分析
1.模具钢退火后的硬度、金相组织要求
钢号
退火后硬度/HB
珠光体等级
网状碳化物等级
5CrNiMo
207～255
1～4
≤2
2.允许变形量
模具种类
工作部分名义尺寸/mm
允许变形量/mm
热锻模
＜275
±0.20
3.5CrNiMo钢容易产生变形开裂、过烧、脆性大等缺陷，合理安排热处理工艺避免产生缺陷。
六、零件所用热处理设备
由于锻件比较大，因此用的是中温箱式电阻炉，其型号为RX3-30-9，炉膛尺寸950mm×450mm×350mm,最高加热温度950℃，其结构简单，且为多用炉，可用于退火、淬火、回火。
磨床主轴热处理工艺
一、主轴服役条件及失效形式
主轴是机床的重要零件之一，切削加工时，高速旋转的主轴承受弯曲、扭曲和冲击等多种载荷，要求它具有足够的刚度、强度、耐疲劳、耐磨损以及精度稳定等性能。
与滑动轴承相配的轴颈可能发生咬死（对称抱轴），使轴颈工作面咬伤，甚至咬裂，这是磨床砂轮主轴常见的失效形式之一。
主要起因有润滑不足、润滑油不洁净（含有杂质微粒）轴瓦材料选择不当、结构设计不合理、加工精度不够、主轴副装配不良及间隙不均等。
咬死现象一旦发生，则主轴运转精度下降，磨削时产生振动，被磨削零件表面出现波纹。
解决措施除针对上述原因改进外，在主轴选材和热处理方面，应提高硬度、红硬性、热强度以增强抗咬死能力。
实践证明抗咬死能力依65Mn钢中频淬火→GCr15钢中频淬火→38CrMoAlA钢渗氮顺序提高。
带内锥孔或外圆锥度的主轴，工作时与配合件虽无相对滑动，但装卸频繁，例如，铣床主轴长需调换刀具，磨床头尾架主轴长需调换卡盘和顶尖，磨床砂轮主轴长需调换砂轮等，在装卸中都易使锥面拉毛磨损，影响精度，故也须硬化处理。
与滚动轴承相配的轴颈虽无磨损，但为改善装配工艺性和保证装配精度也须有一定的硬度。
二、磨床主轴材料的选择
一般选材时要满足服役条件，主轴本身应具有高的强度、硬度、足够的韧性、耐磨损以及良好的疲劳强度、主轴在使用中精度稳定、变形量小。
机床主轴一般可选择中碳钢，经调质处理后局部淬火或局部表面硬化，可以满足主轴的要求，但磨床主轴技术要求HV≥900渗氮深度≥0.5mm.根据资料[1]查得38CrMoAlA经渗氮处理后，可获得很高的硬度、耐磨性好、耐疲劳强度好、变形量小、具有良好的淬透性，满足磨床主轴技术要求，所以选择38CrMoAlA。
选择长670mm,直径60mm的轴。
三、性能要求
磨床主轴应具有良好的表面耐磨性、抗疲劳强度、塑韧性及良好的使用寿命，38CrMoAlA属于中碳合金钢，表面耐磨心部强韧性好，但此钢不宜受冲击。
四、磨床主轴加工路线的确定
下料（38CrMoAlA）→粗车→调质→精车→渗氮→精磨
1.调质处理
（1）淬火
淬火可以提高38CrMoAlA的强度和硬度，该钢的淬火温度最好控制在920℃~940℃范围内，避免因过热增加渗氮时高氮相的厚度和渗氮层的脆性。
①淬火温度的确定
根据[2]查得T=AC3+30~50℃AC3=885℃
T=885℃+30~50℃=915℃~935℃
2淬火保温时间的确定
根据资料[3]t=akD
由于该工件采用井式电阻炉所以a=1.3~1.6取a=1.4
K=1~1.3取K=1.3
t=1.4×80×1.3=2.5h
根据资料[3]查得38CrMoAlA淬火保温时间t=2.5~3h,计算结果满足要求，所以计算合理。
3淬火冷却方法的确定
38CrMoAlA钢属于渗氮钢，采用油冷。
4淬火后的硬度
38CrMoAlA淬火后的硬度范围27~35HRC
538CrMoAlA淬火工艺曲线
（2）高温回火
①回火温度
一般钢的高温回火温度在500℃以上AC1线以下某一温度，根据资料[2]查得38CrMoAlA高温回火温度610℃~640℃。
2回火时间的确定
根据资料[8]查得38CrMoAlA高温回火时间一般为3~5h，由于所选工件不大所以回火时间为4h。
3回火冷却方式的确定
38CrMoAlA高温回火后出炉空冷
4测高温回火硬度
38CrMoAlA经过高温回火后硬度为241~285HBS
538CrMoAlA回火工艺曲线
2.渗氮处理
（1）渗氮一般可分为气体渗氮、固体渗氮、液体渗氮，气体渗氮广泛用于表面强化工艺，但是这种渗氮方法周期长，操作复杂，渗氮后的质量不稳定。
由于38CrMoAlA钢经过气体渗氮后，易形成较厚的Fe2N高氮相，渗氮层较脆，零件在使用过程中易产生剥落等缺陷，导致零件失效。
离子渗氮可以解决气体渗氮的缺陷，使工件达到更好的使用价值，离子渗氮的渗速较气体渗氮快，并且可以在低于气体渗氮的温度下进行，化合物层结构易于控制，节省能源，非渗氮部位易于保护，无公害，渗氮工艺周期短，零件畸变小，离子渗氮层的脆性小、硬度高、具有较高的耐磨性和抗疲劳性能。
（2）据资料[3]查得：
由下表1可以得出两种方法均可使硬度和渗层深度满足要求，但是第二种方法所用时间短，可以缩短渗氮周期，所以选择第二种方法,38CrMoAlA渗氮温度540℃~560℃,渗氮时间6h.离子渗氮冷却方法：
随炉冷却至150℃出炉空冷。
表1
材料
温度/℃
时间/h
硬度/HV
渗层深度/mm
38CrMoAlA
500~520
12
950~1100
0.4~0.5
38CrMoAlA
540~560
6
950~1100
0.4~0.5
五、零件的热处理技术分析
1.渗氮零件表面不允许有脱碳层。
2.渗氮层深度的测定以显微法为主，辅以硬度法，渗氮层的计算，在金相显微镜下放大100或200倍，从38CrMoAlA表面，沿垂直方向测至高于心部硬度50HV处。
3.渗氮层硬度
渗氮层硬度测定应以维氏硬度计负荷100N为准。
4.渗氮层的脆性
采用维氏硬度计的菱形压头，负荷规定100N，压痕在放大10倍下检查，每件测三点，其中至少有两点处于相同的级别，根据周边碎裂程度评定。
5.渗氮常见缺陷有硬度低、渗层硬度不均、渗氮层浅、渗氮层脆性大，应严格控制渗氮工艺参数及炉温，均匀布置装炉量。
六、零件所选用热处理设备
1.由于零件为长轴类零件所以采用中温井式电阻炉，可保证工件加热均匀，可防止工件变形，选用RJ2-40-9型井式电阻炉，炉膛尺寸（直径×深度）600mm×800mm，额定温度950℃，此炉满足要求。
2.离子渗氮装置及设备。
离子渗氮常采用LD型离子渗氮炉，规格LD2-25，这种炉子的最高加热温度为650℃，炉膛尺寸（直径×深度）810mm×800mm.
真空计、测温仪表、热电偶。
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