热处理工艺设计

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1、50CrVA 钢调速弹簧的热处理工艺设计1 热处理工艺课程设计的意义热处理工艺课程设计是高等工业学校金属材料工程专业一次专业课设计练 习，是热处理原理与工艺课程的最后一个教学环节。其目的是：（1）培养学生综合运用所学的热处理课程的知识去解决工程问题的能力，并使 其所学知识得到巩固和发展。（2）学习热处理工艺设计的一般方法、热处理设备选用和装夹具设计等。（3）进行热处理设计的基本技能训练，如计算、工艺图绘制和学习使用设计资 料、手册、标准和规范。2 热处理课程设计的任务 普通热处理工艺设计 特殊热处理工艺设计 制定热处理工艺参数 选择热处理设备 设计热处理工艺所需的挂具、装具或夹具 分析热处理工

2、序中材料的组织和性能 填写工艺卡片3 50CrVA 调速弹簧的技术要求及选材3.1 技术要求50CrVA 钢喷油泵调速弹簧技术要求如下：硬度：HRC46513.2 零件图喷油泵调速弹簧的零件如图 3.1 所示。图 3.1 喷油泵调速弹簧3.3 材料的选择3.3.1 零件用途喷油泵调速弹簧，利用弹簧的受力形变和恢复来调节气门的开合，从而调节喷油泵的喷油速度与喷油量。3.3.2 工作条件（1）喷油泵调速弹簧工作时，要承受高应力。（2）喷油泵调速弹簧要承受高频率往复运动。（3）喷油泵调速弹簧要在较高的温度下工作。3.3.3 性能要求弹簧的性能要求为如下几个方面：力学性能：由于弹簧是在弹性范围内工作，

3、不允许有永久变形。要求弹簧材 料有良好的微塑性变形能力，即弹性极限、屈服极限和屈强比要高。理化性能方面：喷油泵调速弹簧的工况很复杂，要在较高的温度下长期工作， 因此要求弹簧材料有良好的耐热性，即有高的蠕变极限、蠕变速率较小和较低的 应力松弛率。工艺性能方面：尺寸较小的弹簧热处理时变形大、难以校正和保证弹簧产品 质量，宜选用已强化的弹簧材料，冷成型后不经淬火、回火，只须进行低温退火。 这样更能保证大批量小弹簧的产品质量和成本低廉。3.3.4 材料选择选用50CrVA钢热轧弹簧钢丝卷制。由于50CrVA钢中含有铬能够提高淬透性并 且可降低锰引起过热的敏感性，铬熔于铁素体中使弹性极限提高。钒可以细化

4、组 织，减少过热敏感性，提高钢的强度和冲击韧性。可用作特别重要的承受高应力 的各种尺寸的螺旋弹簧，也可也用作在300 C以下工作的重要弹簧，如各种阀门 弹簧，喷油嘴弹簧。3.3.5 50CrVA钢化学成分及合金元素作用表 3.1 50CrVA 钢的化学成分1(GB/T3077-1990)s/%CSiM nCrVNiPS0.44 0.540.17 0.370.50 0.800.80 1.100.10 0.20W0.35W0.035W0.03050CrVA钢的化学成分示于表3.1化学元素作用： C ：保证形成碳化物所需要的碳和保证淬火马氏体能够获得的硬度 Cr：提高钢的淬透性并有二次硬化作用，是刚

5、在高温时仍具高强度和高硬 度，增加钢的耐磨性，增高钢的淬火温度。 Si： 能提高钢的淬透性和抗回火性，对钢的综合机械性能，还能增高淬火 温度，阻碍碳元素溶于钢中。 Mn：能增加钢的强度和硬度，有脱氧及脱硫的功效(形成MnS),防止热脆, 故Mn能改善钢的锻造性和韧性，可增进刚的硬化深度，降低钢的下临界点，增 加奥氏体冷却时的过冷度，细化珠光体组织以改善机械性能。 V：可以细化组织，减少过热敏感性，提高钢的强度和冲击韧性。3.3.6 50CrVA 钢热处理临界转变温度50CrVA 钢热处理的临界转变温度见表 3.2表3.2 50CrVA钢临界转变温度临界温度（近似值）（C）钢号AAAclc3r1

6、50CrV7408106883.3.6 50CrVA 钢的淬透性曲线图3.2 50CrVA钢的淬透性曲线3.4 50CrVA 钢调速弹簧加工制造工艺流程50CrVA 钢调速弹簧加工制造工艺流程如下：钢材检查f盘旋与调整f淬火f清洗f中温回火f校正f检验f法兰4 50CrVA 调速弹簧的热处理工艺4.1 50CrVA 钢的淬火工艺4.1.1 淬火目的淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体转变，得到马氏体组织，然后配合以不同温度的回火，提高弹簧的强度和弹性，获得所需的力学性能。4.1.2 热处理设备选用RDM系列埋入式盐浴炉，盐浴炉参数见 表4.1。说明：盐浴炉适用于中小型工件加热。加热速度快，温度均

7、匀，中性介质，不易氧化、脱碳；炉口敞开，便于吊挂，工件变形小。装炉方式：40 件/炉 ，用专用夹具，悬挂入炉。表 4.1 RDM-100-13 埋入式盐浴炉3型号额定功率电源额定温度工作空间尺寸(mmX相数电压mm)RMD-100-13100(KW)3380(V)1300 C450 X 350 X 5604.1.3 淬火温度淬火温度：86010C依据：加热温度t=Ac3 + 3050C, t=810+50=860C 故取 86010C。4.1.4 加热方式盐浴炉加热，温度均匀，加热速度快。4.1.5 加热介质加热介质： 50%NaCl+50%BaCl24.1.6 保温时间保温时间： 5min选

8、定的依据：加热时间可按下列公式进行计算：t二aXKXD,式中t为加热 时间(min), K为反映装炉时的修正系数，可根据表4.3可得K取1.4, a为加热系数min/mm，加热系数a可根据钢种与加热介质、加热温度，参数按照表4.2选取，D为工件有效厚度（mm）可得t=aXKXD=0.75X 1.4X3.2=3.36min。考虑到夹具的随炉加热，所以，取保温时间 5min表 4.2工件加热系数a4钢号退火、正火（箱式炉）淬火箱式炉盐炉碳钢0.7 0.8min/mm0.7 0.8min/mm2030s/mm合金钢0.91. 0min/mm0.91. 0min/mm3045s/mm高合金钢1.01.

9、5min/mm预热 1min/mm预热30s/mm加热45s/mm加热16s/mm高速钢2 3min/mm2 2.5min/mm预热1530s/mm加热812s/mm表 4.3 工件装炉修正系数 K4.1.7 冷却方式由于50CrVA钢淬透性较好，冷却速度越大，则淬火内应力越大，淬火变形 也越大，工件容易变形开裂。使用冷却较为缓和的淬火介质，其热应力就相对较 小。所以选择油冷。4.1.8 淬火方式80C 油冷，选用 2 号普通淬火油油淬2 号普通淬火油的冷却能力见 表 4.4 由于零件尺寸较小，油淬可以达到淬火临界冷却速度，并且油淬操作简单，经济 易于操作；淬火过程中M点已经进入对流阶段，低温

10、区冷却能力远小于水，可S以减少工件应力的产生，减少由于内应力产生的变形和开裂。表 4.4 2 号普通淬火油的冷却能力5冷却介质特性温度特性时间800400C 冷却/s800300C冷却/s2号普通淬火油6332.253.154.554.1.9 淬火后组织 马氏体残余奥氏体4.1.10 淬火后硬度 淬火后组织为马氏体残余奥氏体，具有较高的硬度 经过回火处理后可以满足零件的性能要求。4.1.11 淬火工艺曲线淬火工艺曲线见图 4.186010C5min硬度可达5056HRC,时间t油冷图 4.1 淬火工艺曲线4.2 50CrVA 的中温回火工艺4.2.1 回火目的中温回火，使钢获得最高的弹性极限。

11、4.2.2 热处理设备选用RX3系列950C箱式电阻炉，电阻炉参数见表4.5。说明：适用于中，小型工件成批量生产。可进行退火，淬火和高温及低温回火等 热处理操作。新型结构炉衬保温性好，炉衬变薄，重量减轻，有效的减少了炉衬 的散热和蓄热损失，降低了空载功率，缩短了空炉升温时间。装炉方式：200 件/炉，用专用夹具夹紧，用装具分层摆放20001400120016001000表 4.5 RX3309Q 950C箱式电阻炉6型号额定功率电源额定温度工作空间尺寸（mmX相数电压mm)RX3-30-9Q30(KW)3380(V)950 C760X360X3104.2.3 回火温度回火温度：48010C。中

12、温回火使钢获得最高的弹性极限，钢的弹性极限往往在回火温度为200 400C之间时出现极大值。在350500C范围内的中温回火就是利用这一特征， 碳素弹簧钢的回火取此温度范围的下限，合金弹簧钢的回火取此温度范围的上 限，因为合金元素提高了钢的回火抗力。根据50CrVA材料力学性能于回火温度 关系曲线，为保证材料符合力学性能要求选择温度范围为 400500C。所以回火温度取48010C4.2.4 加热方式 用空气电阻炉采取到温加热方式，可以减少工件加热时间，回火后硬度下降较小4.2.5 加热介质加热介质：空气4.2.6 保温时间依据表4.6保温时间约为35min,由于考虑到随炉加热的夹具和装具，故

13、选定保温时间为 60min。保温时间： 60min依据：参见表 4.6表4.6硅锰和铬钒弹簧钢在回火温度为400520C时的保温时间7材料直径/mm1010 1515 2020 2525 42保温时间/min25 3530 3540 4550 6070 904.2.7 冷却方式出炉空冷。4.2.8 回火组织回火屈氏体极少量残余奥氏体4.2.9 硬度硬度 4651HRC4.2.10 回火工艺曲线回火工艺曲线见图 4.248CtlOC空冷时间t图 4.2 回火工艺曲线4.3 总的热处理工艺曲线热处理总工艺曲线见 图 4.3860= IOC碎火中温回火时间t图 4.3 热处理总工艺曲线4.4 热处理

14、工艺的检验4.4.1 试验设备 HR-F 洛式硬度计。主要参数：实验力：1500N；压头类型：金刚石圆锥120C ；实验力保持时间:6-99s,可设置；测试硬度范围20-70HRC。 金相显微镜4.4.2 检验操作 硬度的检验：选取三点用金刚石压头进行硬度测试,取三次测量的平均 值。 金相组织检验：试样制备：选取试样横截面切取,夹具夹持进行抛光, 50%盐酸水溶液加热70C左右进行腐蚀，用20%酒精进行清洗，再吹干。试样观 察：在金相显微镜下进行观察试样的金相组织,为回火屈氏体组织,符合工件热 处理组织要求。5 热处理工序中材料的组织及性能5.1 淬火工艺材料中的组织及性能(1) 正常加热冷却：工件加热到860C后珠光体转变为奥氏体，保温时组织 不变，晶粒细化，出炉油冷至室温时得到马氏体+残余奥氏体，具有较高的硬度。(2) 加热温度不足时，加热后组织为奥氏体+铁素体，室温后组织为马氏体+ 铁素体，硬度不足，塑性大。(3) 加热温度过高时：加热后组织为(粗大)奥氏体，室温后组织为(粗大) 马氏体，脆性太大，易断裂。(4