精编完整版热处理工艺与设备毕业论文要点.docx
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精编完整版热处理工艺与设备毕业论文要点
毕业设计（论文）
金属热处理工艺与设备
课程设计
题目：
高速、轻载或高速、中载，有冲击的小齿轮
齿轮外径100mm，厚度30mm
学生
指导教师
专业汽车检测与维修
层次大学专科
班级15大专汽修
学号
日期2018.4.30
江西农业工程职业学院科研处制
原创性声明
本人声明所呈交的毕业论文（设计）是我个人进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文（设计）中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，已在毕业论文（设计）中作了明确的说明并表示了谢意。
学生签名：
时间：
年月日
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本人完全了解《江西农业工程职业学院毕业论文（设计）工作条例（暂行规定）》对：
“成绩为优秀毕业论文（设计），江西农业工程职业学院将有权选取部分论文（设计）全文汇编成集或者在网上公开发布。
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江西农业工程职业有权保留送交论文（设计）的复印件和磁盘，允许论文（设计）被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编论文（设计）。
[保密的毕业论文（设计）在解密后应遵守此协议]
学生签名：
时间：
年月日
密级：
2013年7月12日
前言3
第一章金属热处理课程设计简介4
1.1课程设计的任务与性质4
1.2课程设计的目的4
1.3设计内容与基本要求4
1.4设计步骤5
1.5设计材料及零件要求5
第二章材料选择及基本参数6
2.1热处理零件的选材原则6
2.2材料选择：
7
2.3材料基本参数7
第三章工艺设计8
3.1加工工艺设计8
3.2热处理工艺设计9
3.2.1材料的CCT及TTT图9
3.2.2热处理工艺制度的制定9
3.3热处理设备选择15
3.3.1预备热处理设备的选择15
3.3.2最终热处理设备的选择16
第四章结束语19
参考文献19
前言
金属材料的热处理工艺设计及实验操作是一种重要的教学环节，通过金属材料热处理工艺的金相组织分析、性能检测等实验，可以培养学生掌握热处理实验方法、原理及相关设备，应用热处理的基本原理和一般规律对实验结果进行分析讨论，有助于学生解决问题、分析问题的能力。
本课程设计是在《材料科学基础》﹑《金属热处理工艺学》﹑《失效分析》﹑《金属力学性能》等课程学习的基础上开设的，是理论与实践相结合的重要教学环节。
通过该课程设计，可使学生在综合运用所学专业基础理论和专业知识能力方面得到训练，学会独立分析问题和解决问题的方法，提高工程意识和工程设计能力。
热处理工艺是整个金属材料工程的一个重要环节，它与工件设计及其它加工工艺之间存在密切关系。
如何实现工件设计时提出的几何形状和加工精度，满足设计时所要求的多种性能指标，热处理工艺制定的合理与否，有着至关重要的作用。
现代工业的飞速发展对机械零部件﹑工模具等提出的要求愈来愈高。
热处理不仅对锻造机械加工的顺利进行和保证加工效果起着重要作用，而且在改善或消除加工后缺陷，提高工件的使用寿命等方面起着重要作用。
为获得理想的组织与性能，保证零件在生产过程中的质量稳定性和使用寿命，就必须从工件的特点﹑要求和技术条件，认真分析产品在使用过程中的受力状况和可能失效形式，正确选择材料；再根据生产规模﹑现场条件﹑热处理设备提出几种可行的热处理方案，最后根据其经济性﹑方便性﹑质量稳定性和便于管理﹑降低成本等因素，确定出一种最佳方案。
第一章金属热处理工艺与设备课程设计简介
1.1课程设计的任务与性质
金属材料热处理工艺与设备课程设计是学生对热处理工艺的基础知识、原理及方法的综合应用及全面训练，进一步提高学生技能，达到本学科基本要求的重要教学环节。
通过课程设计，可以培养学生初步的设计思想、分析问题和解决问题的能力，根据实际需要和要求，掌握金属材料（零件）的选材、加工、热处理设计、确定最终的工艺路线、热处理设备选用及热处理缺陷分析等流程的一般方法和步骤；初步培养学生的设计基本技能和对工程技术问题的严肃认真、负责的态度。
进一步理解常用材料的组织的转变过程及热处理方法，通过课程设计能够更好地理解材料成分、组织、结构和性能相互之间的内在联系；通过本课程设计，使学生对所学习过的知识有一个系统的、健全的结构把握，能够有效地训练学生的逻辑思维能力，分析问题和解决问题的能力；通过课程设计，使学生了解从材料使用性能、成本要求、加工工艺性能等多方面考虑一个零件的热处理工艺。
1.2课程设计的目的
1、课程设计属于《金属热处理原理与工艺》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、培养综合运用金属学、材料性能学、金属工艺学、金属材料热处理及结构工艺等相关知识，进行工程设计的能力。
3.培养使用手册、图册、有关资料及设计标准规范的能力。
4.提高技术总结及编制技术文件的能力。
5.是金属材料工程专业毕业设计教学环节实施的技术准备。
1.3设计内容与基本要求
1.3.1设计内容
根据使用性能要求完成某机器零件或工模具的选材、加工工艺流程、热处理工艺设计及缺陷检验等项目。
包括选材依据、加工工艺流程及方法、热处理工艺路线及参数的确定、热处理设备的选择及操作、材料性能检测及缺陷检验与分析等。
1.3.2基本要求
1.课程设计必须独立的进行，每人必须完成不同的某一种钢材热处理工艺设计，能够较清楚地表达所采用热处理工艺的基本原理和一般规律。
2.合理地确定工艺方法、路线、参数，合理选择热处理设备并正确操作。
3.正确利用TTT、CCT图等设计工具，认真进行方案分析。
4.正确运用现代材料性能检测手段，进行金相组织分析和材料性能检测等。
5.课程设计说明书力求用工程术语，文字通顺简练，字迹工整，图表清晰。
1.4设计步骤
1.根据零件服役条件合理选择材料及提出技术要求。
2.零件按材料、形状、尺寸、重量和性能要求等确定其热处理工艺方法、路线及相关参数。
3.选择热处理设备及温度控制方式、冷却介质。
4.热处理工艺实例。
5.热处理后材料性能检测。
6.缺陷检验与分析。
一般根据零件使用性能及技术要求，提出所可能实施的几种热处理工艺方案，首先从其所可能达到的性能要求，工艺操作的繁简及质量可靠性等进行分析比较，再根据生产批量的大小，现有设备条件及国内外热处理技术发展趋势，进行综合技术经济分析，确定最佳热处理工艺方案。
1.5设计材料及零件要求
零件：
高速、轻载或高速、中载，有冲击的小齿轮；
要求：
渗碳,淬火,低温回火,HRC56—62；
大小：
外径100mm；
材料：
20钢。
第二章材料选择及基本参数
2.1热处理零件的选材原则
2.1.1使用性原则
使用性原则是零件在使用中应该具有的性能，这是保证零件完成规定功能的必要条件。
在选材之前必须了解零件承受的负载类型及大小，所处工作环境和介质温度等服役条件。
服役条件不同，性能要求也不一样。
如：
螺栓、拉杆等承受拉伸载荷的工件要求有较高的屈服强度和抗拉强度；承受交变载荷的半轴、曲轴等除了应具备良好的综合机械性能外，还应有高的疲劳强度；而冲模、齿轮、铣刀等则要求有高的表面硬度。
2.1.2工艺性原则
零件毛坯主要有铸件、锻件、焊接件和型材四种，熟悉材料的加工工艺过程和材料的工艺性能，使所选材料比较容易加工成工件，在选材时必须考虑材料的加工工艺性能。
从原材料到成品件，不同的工作经过了不同的冷、热加工工艺，从工艺性出发，选材可按下列技术路线进行：
2.1.3经济性原则
选材要讲经济效益，即应计算所得与所费、投入与产出、有用效果与、劳动消耗，要对它们进行评价和比较，从中选择最合适的不一定是最好的或单价最贵的材料，以最好的消耗量得到最大的效益，这就是经济性原则。
2.2材料选择
选择20钢材料。
零件设计：
试样为外径100mm的小齿轮。
齿轮主要用于传递扭矩和调节速度，其工作时的受力情况是：
1.由于传递扭矩，齿根承受很大的交变弯曲应力；
2.换挡，启动或啮合不均时，齿根承受一定冲击载荷；
3.齿面相互滚动或滑动接触，承受很大的接触压应力及摩擦力的作用。
按照工作条件的不同，齿轮的失效形式主要有以下几种：
1.疲劳段裂：
主要从根部发生，齿轮最严重的失效形式，常常因为一齿断裂引起数齿或所有齿断裂；
2.齿面磨损：
由于齿面相互接触摩擦，使齿厚变薄；
3.齿面接触疲劳破坏：
交变应力作用下，齿面产生微裂纹，微裂纹的发展，引起点状剥落；
4.过载断裂：
主要是冲击载荷过大造成的断齿。
根据齿轮的工作条件及失效形式，对齿轮的性能要求如下：
1.高的弯曲疲劳强度；
2.高的接触疲劳强度和耐磨性；
3.较高的强度和冲击韧度。
2.3材料基本参数
20钢材料简介
材料名称：
优质碳素结构钢
牌号：
20钢
20代表这种钢的含碳量在0.2左右。
20钢材料的性能及用途
性能：
强度比15号钢稍高，很少淬火，无回火脆性。
冷变形塑性高、一般供弯曲、压延、弯边和锤拱等加工，电弧焊和接触焊的焊接性能好，气焊时厚度小，外形要求严格或形状复杂的制件上易发生裂纹。
切削加工性冷拔或正火状态较退火状态好、一般用于制造受力不大而韧性要求高的。
该钢属于优质低碳碳素钢，冷挤压、渗碳淬硬钢。
该钢强度低，韧性、塑性和焊接性均好。
抗拉强度为355~500MPa，伸长率≥24%。
用途：
常用于制造受力不大，韧度较高的结构件和零件以及制造强度要求不太高的渗碳受磨零件,如焊接容器、螺母、螺钉、凸轮、齿轮等。
表120钢材料化学成分
牌号
化学成分（质量分数）%
C
Si
Mn
Cr
Ni
Cu
≤
20
0.17~0.23
0.17~0.37
0.35~0.65
0.25
0.30
0.25
表220钢材料力学性能
机械性质
硬度
（HB）
抗拉强度
Mpa
屈服强度
Mpa
伸长率
%
面积缩减
%
冲击功
（J）
156
≥420
≥250
≥25
≥55
无
第三章工艺设计
3.1加工工艺设计
材料的加工工艺路线是比较复杂的，根据对工件性能要求的不同，热处理在加工工艺路线中的位置通常有以下三种情况：
⑴毛坯→正火（退火）→机械加工→工件成品（一般工件）
⑵毛坯→预先热处理（正火、退火或调质）→粗加工→最终热处理（淬火、回火、化学热处理等）→精加工（要求较高的工件）
⑶毛坯→预先热处理→粗加工→淬火、回火或化学热处理→半精加工→稳定化处理或化学热处理→精加工→稳定化处理→工件成品（精密工件）
根据所选20钢材料的特点及性能要求，该材料的加工工艺路线为：
毛坯→预先热处理（正火、退火或调质）→粗加工→最终热处理（淬火、回火、化学热处理等）→精加工（要求较高的工件）
零件加工工艺具体步骤：
铸造制坯→预先热处理（正火）→车削加工→滚、插齿→剃齿→热处理→磨削加工→修整。
铸造制坯
预先热处理（正火）:
正火的目的是获得适合后序齿轮切削加工的硬度,防止机加工发黏和为最终热处理做组织预备，以有效减少热处理变形。
车削加工：
了满足高精度齿轮加工的定位要求，齿坯的加工全部采用数控车床，既保证了内孔与端面的垂直度要求，又保证了大批量齿坯生产的尺寸离散小。
从而提高了齿坯精度，确保了后序齿轮的加工质量。
数控车床加工的高效率还大大减少了设备数量，经济性好。
滚、插齿：
加工齿部所用设备采用普通滚齿机和插齿机，调整维护方便。
剃齿：
剃齿加工是根据一对螺旋角不等的螺旋齿轮啮合的原理，剃齿刀与被切齿轮的轴线空间交叉一个角度，它们的啮合为无侧隙双面啮合的自由展成运动。
热处理：
精加工之前的最终热处理，按照零件所需达到的性能，最终热处理工艺为表面渗碳以获得一定得表面硬度，然后淬火加低温回火，使零件具备必须的韧度，以及稳定合理的心部组织。
磨削加工：
主要是对经过热处理的齿轮内孔、端面、轴的外径等部分进行精加工，以提高尺寸精度和减小形位公差。
修整：
这是变速器、驱动桥齿轮装配前对齿部进行磕碰毛刺的检查清理，以消除它们在装配后引起噪声异响。
通过单对啮合听声音或在综合检查仪上观察啮合偏差来完成。
3.2热处理工艺设计
3.2.120钢材料的CCT及TTT图
从TTT图可看出，亚共析钢过冷奥氏体在高温转变时首先转变为铁素体（F），随着含碳量的减少，C曲线位置往左移，同时Ms、Mf往上移。
从该材料CCT图可看出，随着过冷奥氏体冷却方式的不同，得到的最终组织产生很大差异。
3.2.2热处理工艺制度的制定
因为20号钢属于低碳钢，所以预先热处理采用正火处理，否则硬度太低，机加工发黏。
正火的主要目的是细化组织，改善钢的性能，获得接近平衡状态的组织，为后续机加工做准备。
●预备热处理工艺制度的制订
根据所加工零件的性能要求以及所选20钢材料的性质，选择预先热处理方式为正火。
正火
钢号
加热温度℃
保温时间h
冷却方法
硬度HB
20
880~920
1~3
静止空气中冷却
≤156
20钢正火工艺曲线
Ø加热速度
加热速度主要与钢的成分、工件的尺寸和形状等因素有关。
为防止变形开裂，应该适当控制加热速度。
碳钢和低合金钢的中、小件的加热速度一般控制在100～200℃。
保温时间
保温时间可以由经验公式τ=αKD来加以确定。
其中为保温时间系数，可从工具书查得；k为工件在炉中装炉形式所相应的修正系数；D为工件的有效厚度。
根据本设计中零件的相关尺寸计算，其中k取1，所以保温时间为：
τ=αKD=1.2×1×30=36min。
保温时间系数见下表单位为（minmm）：
冷却
冷却是淬火的关键工序，它直接影响到钢淬火后的组织和性能。
冷却时应使冷却速度大于临界冷却速度，以保证获得马氏体组织；在这个前提下又应尽量缓慢冷却，以减少钢中的内应力，防止变形和开裂。
为此，可根据C曲线图（如图8所示），使淬火工作在过冷奥氏体最不稳定的温度范围（650～550℃）进行快冷（即与C曲线的“鼻尖”相切），而在较低温度（300～100℃）时冷却速度则尽可能小些。
冷却介质
水冷，冷却速度较快，是奥氏体转变为细小的马氏体，试样的硬度对比与其他两种冷却方式也较高，而油冷的方式较空冷速度较快，所以试样的硬度比空冷的要大。
组织特点
材料及状态：
20钢
处理：
900℃加热保温后水淬
组织及说明：
低碳马氏体，又称板条状马氏体，硬度为46～47HRC。
低碳钢淬火后可得到板条状马氏体组织，它的特征是:
尺寸大致相同的条状马氏体定向平行排列，组成马氏体束或马氏体区域，在区域与区域之间位向差较大，一颗原始的奥氏体晶粒内可以形成几个不同取向的区域。
20钢通过加热后淬火、回火等处理，可以改善其力学性能和可加工性，以充分利用它的潜在性能，来制造强度和韧性要求较高的零部件。
20钢的低温回火处理
钢的回火是一个由淬火马氏体+残余奥氏体组织向铁素体和碳化物转变的扩散相变过程。
由于淬火后金属硬而脆，产生的表面残余应力会造成冷裂纹，回火可作为在不影响硬度的基础上，消除冷裂纹的手段之一。
淬火钢的硬度高、脆性大，直接使用常发生脆断。
所以必须进行低温回火处理。
低温回火可以消除内应力，降低钢的脆性，对硬度降低不明显，因此低温回火后仍可保持钢件的高硬度。
选定20钢的回火温度为150—200℃。
因为零件的有效厚度为30mm，所以确定回火保温时间为1.5h。
然后在空气中冷却至室温。
回火后硬度达58—63HRC，满足零件设计要求。
低碳钢回火硬度曲线
结论：
低碳钢低温回火可以得到较高的强度及一定的塑性与韧性。
低碳钢回火后力学性能
当低于200℃回火时，强度与硬度下降不多，塑性与韧性也基本不变。
这是由于此温度下仅有碳原子的偏聚而无析出。
固溶强化得以保持的缘故。
当高于300℃回火时，硬度、强度下降明显，塑性有所上升，冲击韧性下降至最低，见上图。
这是由于薄片状θ碳化物析出于马氏体条间并充分长大，从而降低了冲击韧性，而α基体因回复和再结晶共同作用，提高了塑性，降低了强度。
热处理工艺制度的制定：
方案二
预先热处理
正火：
由于20钢硬度太低，切削加工时易产生粘刀现象，切削加工性能较差。
为此，在机械加工前，对其进行正火处理，将毛坯在最高温度950℃的中温箱式电阻炉加热至830～850℃，保温1.5h后在空气中冷却。
使其硬度适当提高，有效地改善切削加工性，并为后续热处理做组织准备。
正火
钢号
加热温度℃
保温时间h
冷却方法
硬度HB
20
880~920
1~3
静止空气中冷却
≤156
渗碳：
完成齿轮的粗精加工后对其进行渗碳处理，增加零件表层的碳质量分数和碳浓度梯度，从而使齿轮获得高的表面硬度和耐磨性。
零件渗碳后碳原子大量融入奥氏体中，大大提高了过冷奥氏体的稳定性，Ms点显著降低，溶入的C越多，渗碳后工件的后续热处理难度也越大。
考虑到工件的耐磨性能，将表面碳质量分数控制在0.75%～0.85%为宜，可降低残余奥氏体的量，渗层碳浓度梯度平缓，渗层力学性能好。
渗碳工艺的制定
固体渗碳法原理：
渗剂置于铸铁、低碳钢或耐热钢罐中，工件埋入渗剂，用该封好，按0.1mm
保温时间τ=αKD=1.2×1×30=36min。
④淬火冷却：
采用常见的淬火冷却方式——油冷淬火，以油为冷却介质的淬火冷却，当冷至油温的时候将工件取出空冷。
低温回火
加热温度为150～200℃，保温1.5h。
通过回火使工件内部组织转变为回火马氏体，稳定组织和工件的尺寸精度。
方案一与方案二的比较
比较
（一）
方案一中渗碳工艺采用液滴式气体法，方案二中采用固体法。
固体法：
效率低，劳动条件差，表面碳浓度难控制，但对加热炉要求低，易于操作。
适用于多品种小批量生产和深层渗碳。
滴注式气体渗碳：
生产效率高，操作方便，容易实现自动化连续生产，渗层质量好，废气有污染，但是现在绝大多数都有了废气净化设备。
适应于大批量生产，且使用最为广泛。
在经济性上，也是比较合适的。
液体滴剂用量大，生产成本较高。
在井式炉中渗碳后直接出炉淬火，工件会氧化和脱碳，对随后不加工使用零件的质量有显著影响。
比较
（二）
方案一中淬火冷却方式为水冷，方案二中淬火冷却方式为油冷。
经不同冷却速度的硬度
水冷后的组织油冷后得到的组织
由上图可知，水冷和油冷均得到了细小的马氏体组织。
水冷，冷却速度较快，是奥氏体转变为细小的马氏体，试样的硬度对比与其他两种冷却方式也较高，而油冷的方式较空冷速度较快，所以试样的硬度比空冷的要大。
20钢淬透性低，水冷比油冷的淬透性好，保持内部的塑性和韧性，对于齿轮是比较有利的。
比较（三）
方案一淬火温度是900度，方案二是1000度
以上左图是1000度下的金相图，马氏体通常是硬而脆的组织，其实只有中碳或高碳钢在淬火后可得到既硬又脆的高碳马氏体组织，而低碳钢淬火后得到的低碳马氏体其强韧性却很好。
目前很多工厂已广泛采用低碳钢或低碳低合金钢通过高温淬火和低温回火处理，以获得强韧性好的低碳马氏体组织，从而提高零件的力学性能和使用寿命，以满足生产要求和节省原材料。
右图是在900度下的金相图，得到的马氏体一般的板条状。
尺寸大致相同的条状马氏体定向平行排列，组成马氏体束或马氏体区域，在区域与区域之间位向差较大，一颗原始的奥氏体晶粒内可以形成几个不同取向的区域。
最终方案：
综合考虑技术性、加工零件的工艺性能、经济性、操作的可行性等各方面，最终选择方案一作为本组最终热处理方案。
3.3热处理设备选择
3.3.1预备热处理设备的选择
Ø正火设备的选择
在本设计中的零件形状为圆柱形，形状规则且比较小，其预备热处理的目的为改善零件硬度和韧度，防止零件机加工发黏，还有细化组织，改善钢的性能，获得接近平衡状态的组织，为后续机加工做准备。
由于20钢材料的正火工艺中无需通过气体保护进行加热，所以可以采用空气气氛直接装炉加热；所以正火炉选择普通中温箱式电阻炉即可满足设计要求。
这类炉子由炉体和电气控制柜组成。
炉体由炉架和炉壳、炉衬、炉门、电热元件及炉门升降机构等组成。
电热元件多分布于两侧墙和炉底。
炉内温度均匀度状态主要受电热元件布置，炉门的密封和保温等状态的影响。
通常炉膛前端温度较低。
工件在高中、温箱式电阻炉中加热主要靠电热元件和炉壁的热辐射。
根据形状、尺寸以及生产批量选择型号为RX3—15—9的中温箱式电阻炉作为该凹模的正火热处理设备。
3.3.2最终热处理设备的选择
渗碳和淬火设备----密封箱式炉
渗碳目的：
将低碳钢或低碳合金钢零件在增碳的活性介质（渗碳剂）加热到高温，使碳原子渗入表面层，继之以淬火并低温回火，使零件表层与心部具有不同成分、组织与性能。
组织：
表面到中心依次为过共析区（渗碳体成网状、粒状或块状），共析区，亚共析区（即过渡层），中心组织即为原始组织。
淬火的目的：
是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到马氏体 或贝氏体组织，然后配合以不同温度的回火，以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等，从而满足各种机械零件和工具的不同使用要求。
也可以通过淬火满足某些特种钢材的的铁磁性、耐蚀性等特殊的物理、化学性能。
选择密封箱式炉的理由：
齿轮表面要求比较高，也属于精细的零件，所以在热处理过程中尽量减少它的氧化和脱碳。
所以当工件在可控气氛中加热渗碳，并在同一设备中淬火，克服了加热和淬火分离在两个设备中进行的缺点，减小了齿轮的氧化和脱碳，既保证了产品质量，又改善了劳动环境和减少了环境污染。
投资中等，热处理质量稳定，全电脑控制，自动化作业，操作人员少，工作环境好，操作、维护及原料供应方便等优点,是实现优质、高效、节能、低成本和清洁生产的先进热处理设备。
密封箱式炉型号及主要技术参数
型号
最大装炉重量
kg
炉内有效尺寸（长×宽×高）
mm
最高使用温度
℃
额定加热功率
kw
淬火油槽体积
油槽加热功率
kw
油槽使
用温度
℃
UBE—200
200
300×760×350
950
48
2.7
18
150
UBE—400
400
600×900×600
950
63
4.0
24
150
UBE—600
600
760×1200×600
950
82
4.9
30
150
UBE—1000
1000
760×1200×800
950
120
8.0
48
150
根据零件尺寸特点及加工性能要求可知，选择型号UBE—200的密封箱式炉即可符合生产加工要求。
工作过程
前室用于置换装出料时所带入空气，同时确保工件从加热转移到淬火、缓冷的过程完全在保护气氛下进行
中间驱动装置，可将工件从前室推到加热室并立即返回到前室，或者将加热室的工件拉到前室进行淬火，驱动链及装置处于低温部位。
驱动链的移动距离用凸轮开关控制
加热室由炉衬、辐射管、风扇、导风马弗、中炉门等组成。
一般加热温度为820～860℃。
对用连续式气体渗碳炉或密填充箱式炉渗碳的齿轮，为细化晶粒在冷却装置中冷至6
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