38CrMoAl A钢的热处理课程设计蒋月红 陆海峰详解.docx

38CrMoAl A钢的热处理课程设计蒋月红 陆海峰详解.docx

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38CrMoAlA钢的热处理课程设计蒋月红陆海峰详解

九、附表1热处理工艺卡

一、热处理工艺课程设计的作用

热处理工艺课程设计是材料专业学生学完相关热处理课程后运用理论知识指导生产实践的一个必经环节，培养学生综合运用所学知识制定生产实践中的热处理工艺的能力，包括工艺设计中的细节问题，设备选用，夹具设计，工艺流程，资料、手册的查用，规范、标准、工艺卡的书写等。

二、热处理工艺课程设计的目的

1、课程设计属于《金属热处理工艺学》课程的延续，通过设计实践，进一步学习掌握金属热处理工艺设计的一般规律和方法。

2、培养综合运用金属固态相变学、材料性能学、金属材料学、金属材料热处理等相关知识，进行工艺设计的能力。

3、培养学生使用手册、图册、有关资料及设计标准规范的能力。

4、提高学生技术总结及编制技术的能力。

三、热处理工艺课程设计的任务

1.相变点的确定

2.热处理工艺参数的制定

3.热处理设备的选择

4.组织特点和性能的分析

5.夹具的设计或选用

6.工艺卡片填写

四、零件的技术要求及选材

4.1丝杠的工作条件及失效形式

丝杠是机床是机床上最常见的一种将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动的传动、定位功能部件，它有较高的精确度和尺寸稳定性，广泛应用于各类机床的传动进给机构和调节移动机构，能够保证直线运动的精确性和均匀性。

它的精度高低，直接影响到机床的加工精度，影响加工中心。

丝杠一般在机床上由两点或几个支点来支撑进行旋转运动，推动螺母及连接的滑板等零件进行平移。

丝杠与螺母的螺纹牙齿侧面相对滑动，丝杠每转一周则推进一个螺距，螺母存在很大的摩擦力，螺母和丝杠齿型面易于磨损，而且一根丝杠仅仅一部分磨损严重，引起螺距误差进而影响精度。

常见的机床丝杠有梯形丝杠和滚珠丝杠两大类。

滑动丝杠的主要失效形式是由于磨损或塑性变形而丧失精度；滚珠丝杠工作时常承受弯曲、扭转、疲劳、冲击，同时在滑动与转动部位承受摩擦作用，其工作表面承受较大的接触应力。

滚珠丝杠主要的失效形式是接触疲劳破坏，同时也存在机械损伤磨损。

4.2丝杠的性能要求

丝杠整体要有一定的刚度和强度，在工作中不能产生大的挠度和塑性变形，因此必须具有较好的综合力学性能和高的尺寸稳定性。

同时其相关工作部位也要求具有高的磨损抗力，高的接触疲劳强度即具有高强度、高硬度与足够的耐磨性。

还要求丝杠在工作过程中，具有传动灵敏、平稳、定位精度和重复精度高等要求；对于在腐蚀介质和较高温度下工作的丝杠，还要求具有耐腐蚀性和耐热性等。

4.3材料的选择——38CrMoAlA钢

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。

4.438CrMoAlA钢化学成分

化学成分

碳（C）

硅（Si）

锰（Mn）

铝（Al）

钼（Mo）

铬（Cr）

含量（%）

0.35～0.42

0.20～0.45

0.30～0.60

0.70～1.10

0.15～0.25

1.35～1.65

铝（Al）作用：

38CrMoAlA合结钢材料中的Al（铝），能与空气中的O（氧）化学反应生成Al2O3（三氧化二铝）.从而行成保护膜，既防腐又耐腐。

钼（Mo）作用：

钼对铁素体有固溶强化作用；提高钢热强性；抗氢侵蚀的作用；提高钢的淬透性。

铬（Cr）作用：

铬可提高钢的强度和硬度；铬可提高钢的高温机械性能；使钢具有良好的抗腐蚀性和抗氧化性；提高淬透性。

此外，Cr、Mo、Al、Si等元素对丝杠表面渗氮层厚度有一定的影响，如下图：

4.538CrMoAlA钢相变点

临界点

Ac1

Ac3

Ar1

Ar3

Ms

温度（近似值）℃

760

885

675

740

360

4.6热处理工艺的总体制定

零件加工流程：

下料——粗加工——调质——精加工——氮化。

调质：

淬火915—935℃，油淬，回火600—650℃，时间1—2h。

氮化：

采用气体等温渗氮法。

渗氮温度500—520℃；

渗氮时间x=K√t，K—常数，x—渗层深度；

氨分解率15—35%；

渗氮温度/℃

450-500

500-520

520-540

540-560

560-600

氨分解率（%）

15-25

20-35

35-50

40-65

55-70

五、制定热处理工艺依据及具体参数确定

零件名称：

精密淬硬丝杠（精度在6级或6级以上）

零件参数：

丝杠直径80mm，长度1500mm。

5.138CrMoAlA钢调质处理

（1）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。

（2）①淬火温度：

Ac3+30—50℃；

②淬火方式：

油淬；

③淬火设备：

45KW中温箱式电阻炉

④淬火时间：

t=αKD;

式中t——加热时间（min）；

α——加热时间系数（min/mm），参考表1；

D——工件有效厚度（mm），参考表2；

K——工件装炉方式修正系数，参考表3。

表1合金钢在各种介质中的加热时间系数

工件材料

工件直径/mm

<600℃箱式炉中加热

750~850℃箱式炉中加热或预热

850~950℃箱式炉或井式炉中加热

1000~1300℃高温盐炉中加热

碳钢

≤50

﹥50

0.3~0.4

0.4~0.5

1.0~1.2

1.2~1.5

合金钢

≤50

﹥50

0.45~0.50

0.50~0.55

1.2~1.5

1.5~1.8

高合金钢

0.30~0.40

0.30~0.35

0.17~0.2

高速钢

0.30~0.35

0.65~0.85

0.16~0.18

根据所选设备及上表得，取α=1.5。

表2不同形状和尺寸的工件加热计算时的特征尺寸及形状系数

工件形状

特征尺寸s

形状系数k

球

球径

0.7

立方体

边长

0.7

圆柱

直径

1.0

菱形

边长

1.0

环

环宽度

1.5

换厚度

1.5

板

厚度

1.5

管材

壁厚

开口通管2.0；长管4.0；闭口管4.0

根据上表，可以计算出工件的有效厚度：

D=直径×形状系数=80×1.0=80（mm）

表3装炉方式修正系数

据表知，K=1.0。

综上所述，淬火时间t=αKD=1.5×80×1.0=120min，即2h。

（3）①回火温度：

600—650℃；

回火温度（℃）

回火硬度（HRC）

渗层深度（mm）

720

21—22

0.51—0.58

700

22—23

0.50—0.51

680

24—26

0.46—0.49

650

29—31

0.40—0.43

620

32—33

0.38—0.40

590

34—35

0.37—0.38

570

36—37

0.37—0.38

所以选择回火温度:

650℃。

②回火冷却介质：

油冷；

③回火设备：

5KW中温箱式电阻炉；

④回火时间：

2h左右。

⑤回火工艺图：

（4）调质后硬度：

200—220HBW。

（5）调质对变形的影响：

由于淬火过程中马氏体转变时体积变化产生，材料受到外部应力时，超过弹性极限即产生塑性变形，超过断裂极限即产生开裂，所以淬火后要进行适当的回火或退火以去除内应力，提高韧性和疲劳强度。

5.238CrMoAlA钢氮化处理

（1）渗氮的目的：

渗氮能使钢铁零件得到比渗碳淬火具有更高硬度、耐磨性、抗咬合性能、红硬性和良好疲劳强度的渗氮层；由于渗氮温度低和渗氮后的渗氮层具有高的硬度，因而零件渗氮后不进行淬火工艺，故渗氮零件的变形很小。

渗氮后工件还具有抵抗大气、水分及某些介质的腐蚀能力。

（2）氮化操作流程：

氮化前的准备工作——升温——保温渗氮——冷却。

①渗氮前的生产准备：

a．去污处理。

零件装炉前要用汽油或酒精进行脱脂、去污处理，零件表面不允许有锈蚀及脏污。

　　b．渗氮件的表面质量应良好，不允许有脱碳层存在，因此，零件在预先热处理前应留有足够的加工余量，以便在渗氮前的机加工能将脱碳层全部去除，以保证渗氮层的质量。

　　c．装炉前检查设备和渗氮夹具、电系统、管道、氨分解测定仪等应保证正常使用；渗氮夹具不允许有赃物或氧化皮，如有应清除。

d．随炉试样。

随炉的试样应与渗氮零件通材料并经过同样的预先处理。

②排气升温：

通常采用先通氨排气后升温，以防止零件升温时发生氧化。

但是为了缩短工艺周期，也可以在排气的同时升温，但应适当加大送入炉内的氨量，争取零件在较低温度时排除炉内的空气。

变形要求不严的零件可以不控制升温速度，否则应采用较慢的加热速度，或者采用分段加热的方法，以减少零件加热时因热应力引起的变形。

当炉温升到450℃左右时，应控制加热速度不要太快，以免造成保温初期的超温现象。

同时，加大氨的流量，使其分解率控制在工艺要求的下限，保证零件到温后炉气具有较高的活性，提高渗氮速度。

③保温：

当渗氮罐内的温度达到要求的渗氮温度时，就进入保温渗氮阶段。

在保温渗氮阶段应按工艺要求正确地调节、控制渗氮温度、氨气流量或氨的分解率和炉内压力的正确和稳定，并每隔半小时检测一次氨的分解率，保证炉内的氨势符合要求，使渗氮工艺正常进行。

加热保温阶段应保持炉内正压力为20—40mm油柱，以防空气窜入炉内使工件氧化和破坏正常炉气。

因为氨极易溶于水，所以测量炉压用的U形管中通常装入油。

④冷却：

渗氮结束，停电降温，但是仍应保持一定的氨流量并维持炉内正压，以预防零件氧化。

变形要求不严的渗氮零件，可将渗氮罐吊出炉外并加大氨流量，加快零件冷却。

较快冷却有利于防止渗氮层的脆性。

对于容易变形零件如复杂形状或细长零件，为了减少热应力引起的变形，渗氮零件可随炉冷却。

（3）渗氮方式：

气体等温渗氮法；

渗氮温度500—520℃；

渗氮时间x=K√t，K—常数，x—渗层深度；

表一渗氮温度对38CrMoAlA钢渗氮层深度的影响

渗氮温度越高，扩散速度越快，渗氮层厚度越大。

但渗氮温度超过550℃，合金氮化物将发生聚集、长大，而使硬度下降。

表二渗氮时间对38CrMoAlA钢渗氮层硬度的影响

渗氮初期，钢的硬度随渗氮时间增大而增大。

增大到一定值后，随渗氮时间增大而减小。

气体渗氮以氨气作为提供活性氮原子的介质。

加热时，氨分解反应如下：

2NH33H2+N2

平衡常数:

（P’H2）3×PN2

（P’NH3）2

Kp愈大，则氨分解的趋势愈大，达到平衡时气相中残余氨的量愈小。

表三氨分解反应的平衡常数与残余氨量

温度

氨分解反应的平衡常数Kp

平衡时的氨量（体积分数）/%NH3

200

0.0002×104

23

300

0.0186×104

4.2

400

0.47×104

0.9

500

5.51×104

0.28

600

38.02×104

0.1

因为渗氮温度为500—520℃，所以根据下表，氨分解率为15—30%。

表四渗氮温度与氨分解率关系

渗氮温度/℃

500

510

525

540

600

氨分解率（%）

15-25

20-30

25-35

35-50

45-60

表四氨分解率对38CrMoAlA钢渗氮层深度和硬度的影响

随着氨分解率的增大，38CrMoAlA钢的硬度不断减小。

9118

根据公式：

lnKp（T）=7.59lnT-3.84×10-3T+2.44×10-7T2-24.95-

T=520℃,Kp=11.5×104.

所以，11.5×104×105×（1-2x）÷（1+2x）=105×x÷（1+2x）×105×3x÷（1+2x）,得出氨分解率x=32%。

丝杠在机床中承受弯曲、扭转、冲击，会发生磨损或塑性变形，从而影响精度。

所以，丝杠要具有高硬度。

根据上面表分析，丝杠渗氮处理的工作参数如下：

渗氮温度：

520℃；

氨分解率：

32%；

渗氮层厚度：

0.4mm；

渗氮时间：

60h。

表面硬度：

990HV。

（3）渗氮设备：

井式气体渗氮炉

设备型号：

RN-110-6；

额定功率：

110KW;

额定电压：

380V；

相数：

3；

额定温度：

650℃；

升温时间：

≤2h。

（5）渗氮工艺图：

等温渗氮过程中，不同阶段选择不同的氨分解率是为了获得良好的渗氮质量，时又能缩短渗氮的周期。

强渗：

第一阶段选用低的氨分解率，是炉气具有高的氮势。

高氮势可以保证渗层表面有高的氮浓度和浓度梯度实现强渗，提高渗氮速度。

扩散：

第二阶段适当提高氨的分解率，降低炉气的氮势，并借助氮原子由渗氮层表面向里的扩散，增加渗氮层的厚度、降低渗氮层的氮浓度和浓度梯度，降低渗氮层的脆性.

退氮：

第三阶段采用高氨分解率，渗氮第二阶段完成后，基本上已经达到了技术要求的渗氮层。

为了消除渗氮层中吸收的氢气（去氢）或同时进一步降低渗层表面的氮浓度（脱氮），提高渗氮层的韧性，即消除脆性，所以在渗氮过程中安排去氢脱氮的第三阶段。

（6）氮化件的质量检验

1）外观及表面粗糙度：

表面颜色应为银（白）灰色或无光泽。

若为黄色、紫红色、深蓝色，表明氮化或冷却过程中工件被氧化，若不严重可以使用，不影响质量。

氮化物在化合物层出现并增加，体积变大改变了渗氮工件的粗糙度，规定氮化前的粗糙度为氮化后的一半。

同时应检查表面，应无磕碰伤。

2）弯曲与变形：

按技术要求进行检查。

工件表面形成合金氮化物，使工件直径胀大，最大变形量一般小于0.05mm，机加工过程必须控制加工余量。

3）表面硬度及脆性：

采用维氏硬度计或表面洛氏硬度计测量表面硬度，载荷大小根据氮化层深度来选择。

4）金相组织：

A.在最表层常常出现薄的化合物层，由于化合物层有很高的耐腐蚀性，因此在经硝酸酒精浸蚀后仍保持光亮，无法看到化合物层内部组织结构，俗称“白亮层”。

氮化层中白亮层厚度不应大于0.25mm；对于抗磨氮化而言，白亮层愈薄愈好，对脆性大的白亮层进行磨削加工，将其去除，抗蚀氮化要求有均匀致密的白亮层，白亮层越厚，硬度越高，脆性大，耐蚀性好。

B.氮化层中不允许有粗大的脉状、网状或针状氮化物，不允许有自由铁素体。

C.心部应为均匀细小的回火索氏体，不允许有多量、大块的自由铁素体。

（7）渗氮引起的变形及其防护措施：

零件经渗氮后，渗氮层体积胀大，且渗氮层中氮含量愈高，体积膨胀愈多，渗氮层愈厚，变形也就愈大。

如果零件在渗氮炉中加热不均匀或零件周围的气氛不一致，造成渗氮层形成快慢不一，使得同一工件不同部位上体积膨胀不同步，则有可能造成明显的渗氮畸变。

对渗氮炉进行改造，扩大炉井的直径，并安装了导风套和搅拌风机，进氨管不伸向炉罐底部，而是通过在风机旁的环形进氨管道通入炉罐与炉气混合，在风机的驱动下沿着炉罐与导风套的间隙流向炉罐下方，然后进入装料区。

升温至略低于渗氮温度，保温适当时间后在缓慢升温到渗氮温度，带工件温度趋于均匀后在缓慢通入氨气，这种方法有利于控制渗氮零件的变形。

（8）渗氮层的组织及性能

1）38CrMoAlA（调质后气体渗氮）金相图

图1（100×）图2（550×）

图3（550×）图4（125×）

Fe—N相图：

T=520℃,Kp=11.5×104，氨分解率32%。

因为PN2½=[%N]/0.001,PN2=1.96×105，所以[%N]=14%。

α相——氮溶解在α-Fe中的固溶体，即含氮铁素体。

具有铁磁性。

γ相——氮溶解在γ-Fe中的固溶体，即含氮奥氏体。

仅存在于共析温度之上，硬度约为160HV。

γ＇相——即Fe4N化合物，含氮量为5.50%—5.95%。

具有铁磁性，脆性小，硬度约为550HV。

ε相——即Fe2-3N化合物，含氮量为8.1%—11.2%。

脆性稍大，耐腐蚀性好，硬度约为265HV。

渗氮开始时，氮原子在α-Fe中进行原子扩散，形成含氮的α相；其后随着渗氮时间的延长，表层中的氮浓度逐渐升高，当α相被饱和到相界极限浓度时，由于氮浓度的涨落，便生成γ＇相；并随着渗氮时间的延长，γ＇相形成一薄层，随后γ相又被饱和到相界极限浓度，又由于氮浓度的涨落，便形成ε相；而后，随着渗氮时间的延续，ε相、γ＇相及α相都加厚，出现γ相和α相位置就更加移向心部。

冷却时，在520℃以下，从α相和ε相中会析出针状γ＇相。

冷却后，渗层组织由表及里为：

ε→ε+γ＇→γ＇→α+γ＇→心部组织，白亮层为ε和ε+γ＇（由氮占11%以上的Fe2N组成），过渡层为α+γ＇。

（9）①渗氮层脆性相：

ζ相。

ζ相：

成分相当于Fe2N的化合物，晶格类型为斜方，氮的浓度为11.0—11.8%，脆性大。

防治措施：

渗氮后将氨分解率提高到70%以上，于500—570℃保温2至4h，通过退氮使ζ转化为ε（Fe2-3N）。

②渗氮层脆性组织：

针状组织、网状和脉状氮化物。

针状组织：

针状组织是位于化合物层和过渡层之间的一种针状氮化物，为高氮的ε相和γ＇相，它们沿着原铁素体的晶界成一定的角度长大。

该组织的危害是造成化合物层的脆性增大，在使用中易于剥落。

网状和脉状氮化物：

网状和脉状氮化物是存在于扩散层中，多产生于合金钢的氮化过程，因为温度高、氨气的含水量高、调质处理晶粒粗大、零件存在尖角等，出现网状和脉状氮化物，严重影响零件的渗氮质量，造成氮化层脆性增加、耐磨性和疲劳强度下降，以及表面剥落缺陷。

（10）渗氮零件的缺陷及补救措施：

1）渗层太浅主要原因是渗氮温度低或第二阶段扩散温度低、渗氮时间短、氨分解率偏高或不稳定、新换渗氮缸未经渗氮处理或使用过久的渗氮缸未经退氮处理或缸壁污物未清除。

渗层太浅可再次渗氮纠正。

最好是渗氮结束前对试样进行检查、及时发现，并采取延长渗氮时间等措施。

2）硬度过低主要是渗氮温度过高或第一阶段渗氮温度高，渗层中未形成弥散度高的氮化物层，或氨分解率高，使渗氮层氮浓度较低。

零件重新渗氮可能提高硬度，若零件的尺寸公差允许，最好将低硬度渗氮层磨去后重新渗氮。

3）硬度不均匀主要原因是零件表面油污未清除、装炉量太多和装夹不合理、使炉气流通不畅或不均匀以及原材质组织不均匀等。

应对症克服不良因素并重新渗氮。

4）表面出现氧化色主要原因是渗氮罐内没有维持正常的正压、导致空气窜入炉内和出炉温度过高等。

六、夹具的选用

杆类零件在井式炉中加热时，必须悬挂放置，所以夹具设计如下：

七、热处理工艺设计的体会

这次热处理设计我是和蒋月红一组，任务是对材料是38CrMoAlA钢的机床丝杠进行分析。

热处理工艺的制定，必须居于工件的服役条件情况，不但要分析其性能要求，还有根据零件的外形条件，采用不同的热处理方法。

实践的内容包括工艺设计中的细节问题，设备选用，夹具设计，工艺流程，资料、手册的查用，规范、标准、工艺卡的书写等。

虽然任务比较重，但是我们却能享受其中，认真完成。

经常一些同学完成一些作业常通过XX复制粘贴，但我们本着对自己负责，对老师，对同学诚信的态度，每一步工艺，每一个数据都是自己认真查阅获得的，虽然过程有点繁琐，偶尔也会不耐烦，但我们还是坚持到了最后，这让我们很开心，也很满意，因为这会培养我们独立完成任务的能力。

通过这次课程设计让我对典型零件的热处理生产工艺过程设计的方法、步骤、思路等有了深刻的了解，对热处理工艺这门课有了更深的了解。

这次课程设计基本上可以把所学的专业知识综合的运用于实践当中，另外还要通过查阅课外很多参考书，这使我们自己的知识面得到更大的扩大，对热处理设计这门课程有了更深的理解，这对我们以后的学习和工作起到一定的作用。

当然由于知识面所限，时间也比较短，我们的课程设计还存在着很多的不足，很多细节方面没有能够重视，在这里希望老师指出，我们会努力完善。

八、参考文献：

1《典型零件热处理技术》，王忠诚、齐宝森编著，化学工业出版社；

2《热处理实用数据速查手册》，叶卫平主编，机械工业出版社；

3《金属热处理工艺学》，夏立芳主编，哈尔滨工业大学出版社；

4《热处理手册（共4卷）》，中国机械工程学会热处理学会，机械工业出版社；

5《结构钢及其热处理》，董世柱主编，辽宁科学技术出版社；

6《热处理工程师手册》，樊东黎主编，机械工业出版社；

7《热处理技师手册》，张玉庭主编，机械工业出版社；

8《实用热处理技术手册》,杨满编,机械工业出版社;

9《热处理实用技术问答》,杨满编,机械工业出版社;

10《金属材料学》,戴起勋编,化学工业出版社;

11《金属组织控制原理》,戴启勋编,化学工业出版社;

12《现代热处理手册》,才鸿年马建平编,化学工业出版社

13《热处理技术数据手册》,樊东黎编,机械工业出版社;

14《热处理工程师手册》,樊东黎编,机械工业出版社。

九、附表1热处理工艺卡