金属材料课程设计20Cr铣床心轴体热处理教材.docx
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金属材料课程设计20Cr铣床心轴体热处理教材
钢的热处理工艺及热处理设备
课程设计指导书
学生姓名____________
设计题目____________
指导教师____________
系主任____________
哈尔滨理工大学材料科学与工程学院
金属材料系
目录
一、目的………………………………………………………3
二、设计内容和步骤……………………………………………3
（一）20Cr铣床心轴体简图、钢种和技术要求………………3
（二）20Cr铣床心轴体的工作条件、破坏方式和性能要求的分析
2.1.铣床心轴体的工作条件……………………………………4
2.2铣床心轴体的失效形式……………………………………4
2.3. 铣床心轴体的性能要求……………………………………4
（三）铣床心轴体用钢的分析………………………………4
3.1相关钢种化学成分的作用…………………………………4
3.2相关钢种的热处理工艺性能分析…………………………5
3.3钢材的组织性能与各种热处理工艺的关系………………6
（四）热处理工艺方案、工艺参数及其论证………………7
4.1部件的加工工艺路线及其简单论证………………………7
4.2确定预备热处理工艺方案、工艺参数及其论证…………8
4.3确定最终热处理工艺方案、工艺参数及其论证…………9
4.4 确定辅助工序方案…………………………………………9
（五）选择加热设备……………………………………………10
（六）确定工序质量检测项目、标准方法……………………10
（七）缺陷及其分析……………………………………………11
（八）绘制必要的工装图………………………………………13
三、本设计参考资料…………………………………………14
钢的热处理工艺课程设计
一、目的
1、深入理解热处理课程的基本理论。
2、初步学会制定零部件的热处理工艺。
3、了解与本设计有关的新技术、新工艺。
4、设计尽量采用最新技术成就，并注意和具体实践相结合。
使设计具有一定的先进性和实践性。
二、设计任务
1、编写设计说明书。
2、编制工序施工卡片。
3、绘制必要的工装图。
三、设计内容和步骤
（一）零部件简图、钢种和技术要求。
图1铣床心轴体
技术要求：
1.渗碳层深度为1.0-1.4mm。
2.淬火后硬度59HRC。
3.工件表面粗糙度Ra3.2um。
钢种：
20Cr
（二）零部件的工作条件、破坏方式和性能要求分析。
1.20Cr铣床心轴体的工作条件：
（1）20Cr高速旋转传递动力时承受交变接触应力扭转、冲击等各种形式的载荷。
（2）轴颈处及表面承受摩擦。
2、20Cr铣床心轴体的失效形式
由于转速的不同以及使用条件的差异，起失效形式也有所不同。
其主要的失效形式为磨损、变形、断裂。
3、20Cr铣床心轴体性能要其求
（1）.经热处理后具有中等强度和韧性，高硬度和耐磨性，无回火脆性倾向和抗腐蚀性，能够承受一定的冲击载荷。
（2）.表面承受摩擦力必须具有较高的强度，耐疲劳，尺寸稳定稳定性好。
（3）.表面有一定的强度，心部具有一定的韧性。
（三）零部件用钢的分析
1、20Cr化学成分的作用
C
Mn
Si
Cr
P
S
0.17~0.24
0.50~0.80
0.20~0.24
0.70~1.00
<0.040
<0.040
表120Cr铣床心轴体的化学成分表
20Cr的主要成分为碳、硅、铬、锰等几种元素，各种元素对20Cr产生的作用不同。
硅、锰、铬可以提高合金钢淬透性，同时在热处理时，可以减少工件的形变量，同时增加钢的回火稳定性。
碳的结构钢中最主要的元素，一是与V、Cr、W等元素形成足够多的碳化物，来提高硬度、耐磨性。
另一方面还需一定量的碳溶于奥氏体中。
以便获得足够含量的马氏体来保证它具有高硬度、高耐磨性和良好的热硬性。
（1）C的作用：
提高淬硬性和热硬性，随着碳含量的增加20Cr钢中珠光体增加，铁素体减少，碳的多少直接影响马氏体的多少，从而影响力学性能。
（2）P的作用：
控制基体。
（3）Mn的作用：
提高淬透性，获得马氏体组织，提供耐磨性。
（4）Cr的作用：
Cr溶于奥氏体，使得C曲线右移，增大过冷奥氏体的稳定性，从而降低临界冷却速度，提高20Cr的淬透性。
同时随着碳含量的增加使得20Cr的抗拉强度、屈服强度等都有提高。
（5）Si的作用：
溶于铁素体形成固溶强化。
2、20Cr的热处理工艺性能分析：
Ac1
Ac3
Ar3
Ar1
765
836
799
702
表220Cr的临界温度
（1）淬透性淬透性随淬火温度的提高淬透性增加。
因为温度升高奥氏体晶粒尺寸增大淬透性提高。
淬硬性随淬火温度的升高而增大，但是如果温度过高奥氏体晶粒过于粗大淬火后会产生开裂或变形。
（2）淬硬性淬硬性表示钢淬火时的硬化能力。
它主要与钢的含碳量有关，更确切的是说是它取决于淬火后马氏体中的含碳量，马氏体中的含碳量越高钢的淬硬性越高。
（3）变形倾向淬火后变形分两种：
翘曲变形和体积变形。
翘曲变形主要是加热时工件在炉内放置不当或搓火前后没有定型处理或冷却不均匀所造成。
另一方面淬火前后组织不一样引起体积变形。
淬火之前一般为珠光体组织，淬火后为马氏体组织。
由于两种组织的比容不同，淬火前后将引起体积变化，从而产生变形，但这种变形只按比例使工件胀缩但不改变形状。
应力也会引起形状变形。
3、钢材的组织性能（硬度、强度、耐磨性、塑韧性等）与各种热处理工艺的关系
20Cr在870～900℃预备热处理后所获得的组织主要是粒状珠光体。
铁素体基体上分布着粒状渗碳体的组织就是粒状珠光体，成分一定时，渗碳体颗粒越细晶界面越多，则钢的硬度和强度越高。
碳化物越接近等轴状，分布越均匀，则韧性越好，在成分相同的条件下比片状珠光体的硬度稍低，但塑性好。
在870～900℃淬火后，所获得的组织主要是马氏体。
碳在α－Fe中的过饱和的固溶体就是马氏体。
马氏体具有高硬度、高强度和耐磨性，但是片状马氏体韧性很差，硬而脆。
板条马氏体的韧性比片状马氏体的好得多，即在具有较高强度，硬度的同时，还具有相当高的塑性韧性。
淬火组织在700～720℃、550～650℃、170～190℃回火后，主要获得回火马氏体组织。
马氏体分解后形成α相和弥散的ε-碳化物组成的复相组织称为回火马氏体。
与淬火马氏体相比，回火马氏体除了具有高硬度、强度和耐磨性外塑性韧性低，克服了淬火马氏体脆而硬的特点。
（四）热处理工艺方案及工艺参数的论述。
1、部件的加工工艺路线及其简单论证。
下料→正火→切削加工→调质处理→半精加工→渗碳→淬火+回火→粗磨→精磨检验→成品。
正火：
将钢件加热到上临界点（Ac3或Acm）以上30～50℃保温到完全奥氏体化后在空气中冷却使之得到珠光体组织的热处理工艺。
其目的就是为预备热处理做准备，细化晶粒，消除应力及粗大魏氏体组织，改善力学性能和可加工性。
回火时渗碳体聚集长大成球状并逐步粗化长大，内应力消除，马氏体发生回复和再结晶。
图2正火图3去应力回火
调质：
高温淬火温度为880℃介质为水，高温回火温度为550～650℃，目的在于淬火使得奥氏体化的工件获得尽量多的马氏体，然后配以不同温度下的回火获得所需要的性能，消除应力稳定组织，同时可以得到强韧结合的优良综合力学性能。
图4淬火图5中温回火
渗碳：
渗碳的温度为890～910℃，是活性碳原子渗入工件表面渗碳后钢件表面化学成分可接近高碳钢，淬火后可以得到高的表面硬度、耐磨性以极高的疲劳强度并保持心部有足够的韧性，渗碳层深度达到1.0～1.4mm，表面硬度为58～64HRC。
图6渗碳图7低温回火
2、确定预备热处理工艺方案、功能工艺参数及其论证
20Cr的预备热处理为正火加调质处理，钢经铸造成型后其组织晶粒粗大而且存在严重的魏氏体组织和网状组织、偏析和应力，所以正火加热时应避免快速加热以防止出现变形和开裂，加热速度为80～100℃加到880℃（Ac3以上30～50℃，Ac3为838℃，参考实用热处理手册）。
调制处理可明显提高韧性，为了实现强韧结合正火速度选着100℃/h同时回火温度提高到700℃左右，回火过程中应快速通过580～650℃温度区间，以避免碳沿着晶界析出。
（1）加热时间的计算t=AKD
t—加热时间（min/s）
A—加热系数（合金钢取1.3～1.6）
D—工件有效厚度
K—装炉条件修正系数（通常为1～1.5）
（2）回火保温时间
有效硬度/mm
20—40
40—60
60—80
80—80
保温时间/min
30—60
90—120
120—150
150—180
表3回火保温时间
3、确定最终热处理工艺方案、工艺参数及其论证
渗碳：
气体渗碳，渗碳剂为吸热式气体，吸热式气体具有较高的表面活性，可实现控制表面的碳浓度。
渗碳工艺：
渗碳温度为920～940℃，渗碳过程包括排气、强烈渗碳、扩散及降温。
排气时间在仪表温度达到渗碳要求温度时延长30～40分钟，以使炉内成分达到要求，是炉内温度均匀及工件透烧。
降温是工件随炉冷却到淬火温度，并保持15~30min，是工件温度均匀后出炉淬火。
渗碳厚度与温度的关系
渗碳温度T
渗碳时间t/h
2
4
8
渗碳层深度δ/mm
875
0.64
0.89
1.07
900
0.76
1.07
1.52
925
0.89
1.27
1.80
表4渗碳厚度、温度与时间的关系
渗碳保渗碳层深度持时间/h/mm
钢种
>0.60
—
0.80
>0.80
—
1.00
>1.00
—
1.20
>1.20
—
1.40
10、15、20
3—4
4—5
5—6
6—7
20Cr、20Mn2B、
20CrMnTi
2.5—3.5
3.5—4.5
4.5—5.5
5.5—6.5
表5渗碳时间、厚度与钢种的关系
淬火：
渗碳出炉温880℃淬火介质为水或者由。
回火：
加热温度170～190℃；时间为4.5～6.5h。
4.确定辅助工序方案
烘干、热水清洗槽清洗→检测工件硬度及脱碳情况→校直→防锈处理
（1）工件淬火后热水清洗槽清洗，检测硬度及脱碳情况，尾部处理后也要检测硬度，最终校直；常用的清洗剂为碱（Na2CO3）溶液其度一般1.5~3.0%。
在碱液中可适当加入添加剂，其成分为：
碱（Na2CO3）1.5~3.0%，亚硝酸钠（NaNO2）0.8~1.2%,乳液13~16%，清洗液温度80~90℃。
（2）清洗后和淬火、回火前要烘干，以防止水分带入炉中。
（五）、选择加热设备。
1、淬火、回火、正火均可以在一个设备中完成。
加热设备为
RX3-60-9额定温度950℃，额定电压380V，相数3，额定功率60KW，炉膛9尺寸为1500×750×450。
2、渗碳炉选着井式渗碳炉RQ3-75-9额定温度为950℃,额定电压380V,相数3，额定功率75KW，炉膛尺寸600×900。
（六）、确定工序质量检测项目、标准方法
1、正火：
硬度的测定，各部位的硬度差值≤25HB。
畸变，每米允许弯曲的最大值0.5/mm。
金相的检验，正常的组织为分布均匀的粒状珠光体组织，若是组织中有点状、细片状珠光体以及分布不均与的粗大珠光体则为不合格金相。
2、淬火加回火：
外观检查，工件不允许有裂纹和有害的伤痕（可用磁粉检测和其他的检测方法）。
表面硬度，各部的硬度差≤3HRC。
金相组织，正常淬火组织为均匀分布的未溶碳化物加上马氏体，若马氏体太粗大、残余奥氏体的数量太多、未溶碳化物减少则属于过热组织。
畸变，每米允许的弯曲最大值为0.5/mm。
3、渗碳：
外观检查，不得有裂纹、碰伤、锈蚀等缺陷。
硬度检查，表面硬度和心部硬度应达到技术要求各部位的硬度差值≤5HRC。
表面有效硬度层差值≤0.02mm。
金相组织观察，组织为回火马氏体加上少量残余奥氏体以及细小颗粒碳化物，不允许出现粗大的马氏体、块状和网状的碳化物、心部有就高的球状和条状铁素体，表面存在严重的黑色组织。
（七）、缺陷及分析
缺陷名称
产生原因
采取的措施
过热或过烧
①淬火加热温度过高保温时
间过长温度控制不准。
②原材料碳化物偏析严重局部含碳量过高
③在盐浴炉中加热时，工件靠近电极
④淬火加热过程中产生表面增碳或脱碳
①严格执行热处理工艺要求
②加强对原材料的质量检验
③过热零件进行返工后再重新淬火，过烧的全部报废
变形开裂
①加热速度快温度不均匀
②加热温度高或保温时间长
③原材料的碳化物呈带状或网状造成合金元素偏析严重夹杂物超标
④淬火后未及时回火或回火不充分
⑤淬火后清洗过早
⑥表面脱碳或磨削加工过程中冷却不当
①正确选择加热温度和保温时间预热充分
②加强对原材料的质量检测
③采用分级淬火或等温淬火工艺
硬度不足
①淬火温度低或加热时间短
②回火加热温度高或保温时间长
③冷却不当分级温度过高引起二次硬化物析出或冷至室温则进行清洗
④氧化脱碳
进行返修处理，退火后淬火+回火
表面脱碳
①脱氧不良，捞杂不彻底
②表面的氧化皮带入炉中
①进行正常的盐浴脱氧，确保工件的表面清洁
②对工件夹具进行喷砂或抛丸
表面腐蚀
①刀具加热过程中，在空气与盐浴交接处，出现腐蚀麻点
②盐浴中夹杂物超标
③工件的放置不当
①淬火、回火后应及时处理表面的残渣
②在盐浴中浸一下可保证工件的表面清洁
③盐浴按时脱氧，化验合格后才能够批量生产
（八）、绘制必要的工装图
辅助工序：
淬火会产生淬火应力，有可能是不见发生变形，所以进行校直，而清洗是为了去除部件表面的油污、氧化物等杂质，避免对后续的回火工艺产生不良影响。
刃部淬火后热水清洗槽清洗，检测硬度及脱碳情况，尾部处理后也要检测硬度，最终校直，清洗后和淬火、回火前要烘干，以防止水分带入炉中。
喷砂处理是为了提高部件的疲劳强度和使用性命。
三、设计参考资料
1、中国机械工程学会热处理学会.《热处理》
2、手册（第四版）》北京：
机械工业出版社，2008.1
3、叶卫平、张覃轶.《热处理实用数据速查手册》.北京：
机械工业出版社,2005.5
4、王忠诚.《热处理常见缺陷分析与对策》北京：
化学工业出版社，2007.8
5、薄鑫涛，郭海祥，袁凤松.《实用热处理手册》上海：
上海科学技术出版社，2009.1
6、阎承沛.《典型零件热处理缺陷分析及对策480例》.北京：
机械工业出版社,2005,7.
7、吉泽升.《热处理炉》.
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