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1、中北大学课程设计说明书11 引言引言金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。钢铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性
2、能。热处理不仅对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。热处理工艺课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程我们今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。作为一名金属材料工程专业的学生，我觉得这次课程设计是十分有意义的。大学的专业课程的学习已经基本上结束，我们在课堂上接触的仅仅是专业基础课上的理论方面，如何去面对现实中的各种热处理工艺设计？如何把我们学到的专业基础理论和用到实践中去呢？这次专业课程设计就为我们提供了这
3、样一个平台。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程我们今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础完成这次课程设计，需要综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次热处理设计工作的实际训练从而培养和提高学生独立工作能力，巩固与扩充了专业课程所学的内容，掌握热处理工艺设计的方法和步骤，掌握怎样根据零件的服役条件选择材料、分析零件的工艺性，确定工艺方案，分析工艺的可行性。同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提中北大学课程设计说明书2高。真正做到学以致用并从中发现自己
4、平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。由于本人的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教,我十分乐意接受你们的批评与指正，本人将万分感谢。2 零件图分析零件图分析图 1 配油盘零件图2.1 零件的总体分析零件的总体分析柱塞泵是依靠柱塞在缸体柱塞孔中作往复运动而产生的容积变化来实现吸油和压油过程【1】。柱塞泵有压力高、排量大、效率高，其结构较齿轮泵和叶片泵要复杂，零件加工要求高。柱塞泵的主要零件有配油盘、缸套、柱塞、回程盘、斜盘及传动轴等【2】。柱塞泵的主要零件在工作时都承受压应力作用并处在腐蚀油介质中，柱塞泵主要零件特点是体积小而精度要求，在工作中承受复杂的服役条件。因此材
5、料的选用和热处理工艺要着重从提高耐磨性，以保证高的强度，良好的韧性，高的耐磨性和尺寸稳定性高。中北大学课程设计说明书32.2 零件的结构形状零件的结构形状零件结构形状如图 1 所示2.3 零件的尺寸及技术要求零件的尺寸及技术要求尺寸要求：直径：110mm 厚：10mm技术要求：渗氮层深度 0.3-0.5mm;表面硬度 800-1000HV;心部硬度 250-280BS2.4 零件的服役条件及失效形式分析零件的服役条件及失效形式分析2.4.1 服役条件柱塞泵在运行过程中，配油盘与缸体发生高速运动，使油膜破坏而引起金属的直接接触，这时接触部位产生大量的摩擦热，局部温度升高，使缸体和配油盘之间由于过
6、热而金属啮合和产生裂纹【3】。2.4.2 失效形式(1)高速运动摩擦 由于配油盘和缸体的高速运动，使油膜破坏而引起金属直接接触，产生大量的热。使缸体和配油盘之间由于过热而金属咬台和产生裂纹。(2)缸体和配油盘之间压力不平衡 在 缸体和配油盘之问存在着半周的高压区和半周的低压区，产生压力不平衡，同时由于缸体和柱塞之间产生压力作用使缸体压向配油盘，而缸体和配油盘之间的油膜反推，力图把 缸体推开，当反推力大于缸体的压紧力时，则 出现推盘现象，使缸体和配油盘之问的运动精度破坏而引起烧盘。(3)轴承疲劳点蚀破坏 承受柱塞轴向 推力的滚动轴承，由于受到重载偏心负荷的影响，使轴承产生了疲劳点蚀、破坏，因而也
7、加剧了配油盘与缸体的磨损烧伤。(4)对于配油盘的加工，要求平面度不大于 0.003mm。虽采取了较严密的加工工艺，仍避免不了超差的问题。各部件的装配，虽然采用了分组装配等一系列措施，由于零件误差很小，零件的互换性较差，仍存在装配不良的问题，造成缸体和配油盘之闻出现楔形间隙，使配油盘和缸体加速磨损。3 材料选择材料选择根据配油盘的工作状况，可以初步得出其材料应满足的性能要求：一是具中北大学课程设计说明书4有良好的热稳定性和耐磨性，以保证配油盘满足液压元件在高压高速工作下具有足够好的耐磨性和精度；二是具有良好的抗过热性能或者较高的疲劳极限，使配油盘零件能够在良好的服役条件下长时间的工作。根据配油盘
8、的工作条件以及技术要求，承受较大的压应力，工件表面精度要求较高的特点，有较高的氮化层表面硬度和较深的氮化层深度要求，为了在材料表面获得高硬度和耐磨的氮化层，一般采用含有某些合金元素的合金钢进行渗氮工艺，这是因为氮与合金元素生成的氮化物要比氮化铁稳定，并在渗氮层中呈弥散分布，使氮化层具有很高的表面硬度。同时因为零件形状较为复杂，渗氮层心部硬度要求较高，所以要求选材必须具有良好的淬透性。3.1 氮化钢的特性氮化钢的特性机械零件经表面氮化处理后，可显著提高其表面硬度、疲劳强度和耐磨性，还有抗水、油等介质的腐蚀能力。氮化层在较高温度下仍能保持其硬度。零件在氮化前世中碳钢经调质热处理，得到稳定的回火索氏
9、体组织，保证在使用过程中几何尺寸和表面精度的稳定性。3.2 氮化钢的选择氮化钢的选择常用的氮化钢有：40Cr、35CrMo、38CrMoAlA 等(1)40Cr 与碳钢相比，强度及淬透性均高，但对于形状尺寸较为复杂的零件，水淬时已经出现开裂变形，具有较高的综合力学性能，良好的低温冲击韧性，低的缺口敏感性。在 450680回火时有第二类回火脆性，对白点敏感性较大，冷畸变塑性中等，切削加工性能好，但焊接性能差。经 840860油淬640660回火后，其硬度为 250280HBS；510540渗氮后，其表面硬度450HV。常用于制造重要的齿轮、轴、曲轴、套筒、连杆等。(2) 35CrMo 强度、韧性
10、、疲劳强度及淬透性均比 40Cr 高，属于细晶粒钢。热处理时无过热倾向，淬火畸变小，具有高的身室温力学性能和高温强度，良好的低温冲击韧性。冷畸变塑性中等，焊机性能差，经 850870油淬+600660回火后，其硬度为 250280HBS，500560渗氮后，其表面硬度550HV。常用作制造截面不大而要求力学性能高的重要零件，如曲轴、主轴、锤杆等。(3)38CrMoAlA 强度较高，渗氮后具有非常高的表面硬度、耐磨性和疲劳极限，中北大学课程设计说明书5并具有良好的耐热性能（可达 500）及耐油腐蚀性能，热处理形变小不易开裂变形，同时由于 Mo 的加入，抑制了第二类回火脆性，淬透性良好。经9309
11、50油淬+620640回火后，其硬度可以达到255269HBS，500560渗氮后，其表面硬度为 9001200HV.因此，要求表面硬度高，耐磨性好，有要求高的心部强度的渗氮零件，普遍采用38CrMoAlA。但是这种钢具有以下缺点：在冶炼上易出现柱状断口，易沾污非金属夹杂物，在轧钢中易形成裂缝和发纹，有过热敏感性，热处理时，对化学成分波动也极为敏感。这种钢易于脱碳，当铝含量偏高时，渗氮层表面容易出现脆性。由上可以看出 38CrMoAlA 钢表面表面可以获得最高的表面硬度，可以达到9001200HV，38CrMoAlA 钢在 510氮化 20h 后可以达到 0.35mm 以上的氮化层深度，且具有
12、非常高的表面硬度、耐磨性和疲劳极限，并具有良好的耐热性能（可达 500）及耐油腐蚀性能。而 35CrMo、40Cr 氮化层的表面硬度控制在 HV500800，达不到配油盘要求的表面硬度，所以选用 38CrMoAlA。表 1 40Cr、35CrMo、38CrMoAlA 的化学成分、热处理和力学性能【4】化学成分（质量分数，）热处理力学性能牌号CSiMnCr其他淬火温度/回火温度/b/Mpas/MpaAk/J40Cr0.370.440.170.370.500.800.801.10850油520水、油9807854735CrMo0.320.400.170.370.400.700.801.10Mo：0
13、.150.25850油550水、油9808356338CrMoAlA0.350.420.200.450.300.601.351.65Mo：0.15940水、油640水、油98083571中北大学课程设计说明书60.25Al：0.701.103.3 38CrMoAlA 中各元素的作用中各元素的作用 (1) 38CrMoAlA 钢中碳含量保持在 0.38左右，便以获得良好的力学性能，也便于调质处理后获得适量的铁素体组织，利于渗氮。刚在加入 Cr 元素主要是提高淬透性，提高回火稳定性，提高耐蚀性，细化晶粒，改善氮化物的均匀性；Mo 元素主要有细化晶粒，消除回火脆性，同时提高回火稳定性，提高对飞氧化性
14、酸的稳定性。(2)38CrMoAlA 钢中加入 Al 元素。主要起两方面的作用，一是与钢中的氮元素形成氮化物，起细化晶粒作用；二是提高表面的疲劳强度、表面硬度以及抗啮合性。(3)提高氮化工艺性能 铝、钛、铌、钼、钨等元素师形成氮化物元素，他们在 相中形成超显微的氮化物颗粒，对 相起弥散强化作用。(4)使钢在渗氮过程中不软化 Mo、Cr 等元素是使钢在 500590长时间保温保持强度的有效元素。往氮化钢中加入 Mo 可以防止或者减弱钢的第二类回火脆性。4 确定加工路线确定加工路线加工工艺主要包括机加工和热处理工艺。机加工是指通过加工机械精确去除材料的加工工艺。它直接改变毛坯的形状、尺寸和表面质量
15、等，使其成为零件的过程称为机械加工工艺过程。热处理是将金属材料放在一定的介质内加热、保温、冷却，通过改变材料表面或内部的金相组织结构,来控制其性能的一种金属热加工工艺。该零件形状尺寸复杂，精度要求高，可以通过锻轧锻出毛坯，进行退火处理，通过机加工使其成型；然后进行调质处理，改善零件的心部硬度，在进行精加工，之后进行去应力退火，消除残余内应力，改善其切削性能然后经过机中北大学课程设计说明书7加工使其复合尺寸要求；再经过化学热处理（渗氮工艺）使表面获得一层氮化物渗层，提高零件表面耐磨性和抗疲劳性能；最后经过精磨，以满足尺寸精度，即可得到所需的零件可采用的加工路线：备料锻轧退火粗加工调质精加工去应力
16、退火粗磨渗氮精磨（研磨）成品。5 热处理工艺方法选择热处理工艺方法选择5.1 预备热处理的选择预备热处理的选择钢的正火是将钢加热到临界温度 Ac3 或者 Acm 以上保温一定时间，然后出炉空冷。退火是将组织偏离平衡状态的金属或者合金加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却获得接近平衡组织的热处理工艺。对于正火与退火的选择，根据具体情况，一般从以下三个方面考虑：1)改善切削加工性能。低碳钢宜采用正火；碳质量分数在 0.250.45之间的中碳钢即可以采用退火，也可以采用正火；碳质量分数在 0.450.77之间的高碳钢必须采用完全退火；过共析钢则宜采用球化退火。低、中碳结构钢采用正火；中高碳结构钢采用完全退火；合金工具钢采用球化退火。2)热处理工艺性。形状复杂、尺寸大或者重要零件采用退火。退火冷却速度慢，内应力小，工件不易变形开裂。一般零件，可采用正火。3)从经济性方面考虑。由于正火比退火生产周期
