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1、课程设计说明书1 前 言热处理工艺是金属材料工程的重要组成部分。通过热处理可以改变材料的加工工艺性能，充分发挥材料的潜力，提高工件的使用寿命。这次课程设计是在材料科学基础、金属热处理工艺学、金属力学性能、失效分析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。通过该课程设计我们在综合运用所学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。总的来说本次热处理与工艺课程设计的目的有（1）初步掌握典型零件部件生产工艺过程；（2）掌握典型零件的选材、热处理原则和工艺指定原理；（3）理论联系实际，综合运用基础课及专业课程多方面的知识去认识和分析零部件热
2、处际问题，培养解决问题的能力。热处理工艺是机械加工过程中的一个重要环节，它与工件设计及其他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。设计热处理工艺之前，应该准确分析零件图，分析其工作条件，使用性能，技术要求等，才能为下一步材料的选择做准备。根据上一步的分析和对各种金属材料的学习，选择几种常用材料，并进行对比选择，选出最佳的材料进行下一步的工艺制定。要想对工艺设计合理的热处理工艺，必须了解所选材料的合金化原理，相变温度以及零件的服役条件，技术要求等，从而制定出合理的退火、正火、淬火、回火的工
3、艺参数。此外合理的选择热处理设备也是重点之一，准确的选择加热和冷却设备可以确保有效的利用资源!热处理工艺的最佳方案可以保证零件可以达到所要求的使用性能及质量稳定可靠、工序简单、管理方便、生产效率高、原材料消耗少、生产成本低廉，并能能到节能、环保的要求。但是单一的热处理工艺方案通常情况是很难达到这几个方面的要求，所以可以根据零件的技术要求，通过几种热处理工艺方案的合理结合达到。任何零件在进行完热处理工艺后都会产生各种程度的缺陷，所以最后的检验是非常必要的，通过检验才知道是否符合我们的技术要求，我们通过分析这种种因素后才能确定出一种最佳的方案。2 零件图分析2.1零件的服役条件该零件是一个柱塞泵柱
4、塞的零件，柱塞和套筒是柴油机喷油泵最主要偶件，在使用是，燃油中的杂质和磨料会随同燃油以很高的压力和流速冲刷柱塞副的工作表面并造成异常磨损。柱塞的主要功能是传递小动力，其工作时需要承受不大的冲击载荷，不过要求有较高的强度和刚度。由于表面会磨损。所以必须有足够的硬度和耐磨性。2.2零件的性能要求柱塞在使用过程中要求表面硬度高。为满足这一要求，可选用含碳量较低的合金结构钢，通过表面渗碳淬火，表面具有较高硬度，而芯部硬度不高，具有较高韧性。3 材料的选择3.1选材20CrMnTi是低碳合金钢，该钢具有较高的机械性能，在渗碳淬火低温回火后，表面硬度为5862HRC，芯部硬度为3045HRC。此外，20C
5、rMnTi的工艺性能较好，由于合金元素Ti的影响，对过热不敏感，故在渗碳后可直接降温淬火。且渗碳速度较快，过渡层较均匀，渗碳淬火后变形小，适合于制造承受高速中载及冲击、摩擦的重要零件。因此根据齿轮磨床主轴的工作条件选用20CrMnTi钢是比较合适的。经过910940渗碳，870淬火，180200回火后，机械性能：抗拉强度1100Mpa,屈服强度850Mpa,延伸率10，断面收缩率45，冲击韧性680，硬度为5862HRC3.2 20CrMnTi钢化学成分及合金元素作用3.2.1 20CrMnTi钢化学成分见下表C Mn Si Cr S0.170.23 0.81.10 0.170.37 1.00
6、1.30 0.0353.2.2化学元素作用Cr元素: 主要是提高钢的淬透性, Cr元素固溶强化基体组织，并改善基体组织的回火性和硬度。Mn元素：主要是提高钢的淬透性，Mn元素从基体组织中扩散到析出的渗碳体中，形成合金渗碳体,改善其硬度。Ti元素：主要是为了细化晶粒。3.2.3 320CrMnTi钢相变点相变点 Ac1 Ac3 Ar1温度 730 820 6904 确定零件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
7、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。工艺流程为：下料锻造正火机加渗碳淬火回火机加5 热处理工艺方法的选择5.1 正火工艺的选择5.1.1正火目的细化晶粒，消除组织缺陷，以获得珠光体+少量铁素体组织。并使加工硬度适中，有利于切削。5.1.2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100200/h；中、高合金钢形状复杂的或截面大的工件一般应进行预热或采用低温入炉进行随炉升温的加热方式，温度低于600700时加热速度为3070/h，高于此温度后控制在80100/h.根
8、据本设计中的零件尺寸及形状的实际情况，采用低温入炉加热，加热速度为50100/h能够达到目的。5.1.3加热温度20CrMnTi钢Ac3 约为825，通常的正火加热温度为Ac3+(3050) .在实际生产中，正火加热温度常常略高于上述温度。为促使奥氏体均匀化，增大过冷奥氏体的稳定性,选择的加热温度在920940。5.1.4保温时间选定的依据：加热时间可按下列公式进行计算：T=aKD 。式中T为加热时间（min），K反映装炉时的修正系数，通过查手册取K=1.4,a为加热系数min/mm,可参见表4.1选取a=1.5-1.8，D为工件有效厚度（mm），工件厚度=（工件最厚处直径+工件最薄处直径）/
9、2，可得D=23mm T=1.61.4(16+5+5+22+5+5)=58min60min 表2-7 碳钢和合金钢在各种介质中的加热系数（值) 钢 材 每1mm有效厚度的加热时间 空气电阻炉 盐浴炉 碳钢 0.91.1min 2530s 合金钢 1.31.6min 5060s 1520s（一次预热） 高速钢 - 815s（二次预热）5.1.5冷却速度冷却速度对钢退火后的组织与性能影响的一般规律是：冷却速度越大，奥氏体分解温度越低，则珠光体转变产物越细，应力越大，硬度越高。冷却过慢，会出现大块铁素体，造成工件过软。正火工件一般为空冷，对渗碳钢及大件等正火有时采用吹风冷却，甚至喷雾冷却。这里采用空
10、冷。5.1.6最终组织细珠光体+铁素体 晶粒度：56级5.1.7正火工艺曲线空冷时间min93060min温度 5.2渗碳工艺的制定5.2.1渗碳目的渗碳后淬火、回火，心部保持良好韧性的同时提高工件表面强度、硬度和耐磨性。5.2.2 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100200/h；中、高合金钢形状复杂的或截面大的工件一般应进行预热或采用低温入炉进行随炉升温的加热方式，温度低于600700时加热速度为3070/h，高于此温度后控制在80100/h.根据本设计中的零件尺寸及形状的实际情况
11、，采用低温入炉加热，加热速度为50100/h能够达到目的。5.2.3渗碳温度 由式 D=0.162exp(-16575/T)可知，随着渗碳温度升高，碳在钢中的扩散系数呈指数上升，渗碳速度加快；但渗碳温度过高会造成晶粒长大，工件畸变增大，设备寿命降低等负面影响。所以渗碳温度常控制在900950。选择气体渗碳，加热920940.5.2.4渗碳时间 渗碳深度d可按下式近似计算： d=kt-D/t-D/ 式中 d渗碳深度 k渗碳速度因子 t渗碳时间 D扩散系数 碳传递系数经验计算按0.150.2mm/h来计算时间。渗层为0.81.2mm,则渗碳时间T=57h5.2.5渗碳方法 甲醇-煤油滴注式渗碳法（
12、甲醇为稀释剂，煤油为渗碳剂）。甲醇-煤油滴注剂中煤油的含量一般在15%30%范围内，高温下甲醇的裂解产物H2O,CO2和CH4和C氧化，可使炉气成分和碳势保持在一定范围内，可以采用红外仪进行控制。 表6-3 常用有机液体的渗碳特性 名称 分子式碳当量/g碳氧比渗碳反应式 用途甲醇 CH3OH - 1CH3OHCO+2H2稀释剂乙醇 C2H5OH 46 2C2H5OHC+CO+3H2渗碳剂异丙醇C3H7OH303C3H7OH2C+CO+4H2强渗碳剂乙醚C2H5OC2H524,74C2H5OC2H53C+CO+5H2强渗碳剂丙醚CH3COCH3293CH3COCH32C+CO+3H2强渗碳剂乙酸
13、乙酯CH3COOC2H3442CH3COOC2H33C+CO+5H2渗碳剂煤油航空煤油，灯用煤油 主要成分:C9-C14和C11-C17850以下裂解不充分，含有大量烯烃（乙烯，丙烯），容易产生炭黑和结焦。应在900950使用，高温下理论分解式为：n1(C11H24-C13H36)n2CH4+n2C+n3H2强渗碳剂 5.2.5冷却方式 随炉降温或将工件移至等温槽中预冷，然后直接淬火。5.2.6渗碳后的组织 表面：碳化物+珠光体+铁素体 心部：珠光体+铁素体5.2.7滴注式渗碳操作要点及注意事项.渗碳工件表面不得有锈蚀、油污及其他污垢。.同一炉渗碳的工件，起材质、技术要求、渗后热处理方式应相同。.装料时应保证渗碳气氛的流通。.炉盖应盖紧，减少漏气，炉内保持正压，废气应点燃。.每炉都应用钢箔校正碳势，特别是在用CO2红外仪控制和采用煤油做渗碳剂时。.严禁在750以下向炉内滴注任何有机溶液。每次渗碳完毕后，应检查滴注器阀门是否关紧，防止低温下有机液体滴入炉内造成爆炸。5 3淬火5 3。1淬火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，以提高工件的硬度、强韧性、弹性、耐蚀性和耐磨性等，获得所需的力学性能。532淬火温度 淬火温度：760780 依据：2
