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1、1 前 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。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，这是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程。“千里之行始于足下”，通
2、过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义。我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。说实话，课程设计真的有点累。然而，当我一着手清理自己的设计成果，漫漫回味这周的心路历程，一种少有的成功喜悦即刻使倦意顿消。虽然这是我刚学会走完的第一步，也是人生的一点小小的胜利，然而它令我感到自己成熟的许多，另我有了一种“春眠不知晓”的感悟。通过课程设计，使我深深体会到，干任何事都必须耐心，细致。课程设计过程中，有时不免令我感到有些心烦意乱。但一想起老师平时对我们耐心的教导，想到今后自己应当承担的社会责任，想到世界上因为某些细小失误而出现的令世
3、人无比震惊的事故，我不禁时刻提示自己，一定要养成一种高度负责，认真对待的良好习惯。这次课程设计使我在工作作风上得到了一次难得的磨练。短短四周是课程设计，使我发现了自己所掌握的知识是真正如此的缺乏，自己综合应用所学的专业知识能力是如此的不足，几年来的学习了那么多的课程，今天才知道自己并不会用。所以我会更加努力。最后，我要感谢我的老师们，是您严厉批评唤醒了我，是您的敬业精神感动了我，是您的教诲启发了我，是您的期望鼓励了我，我感谢老师您今天又为我增添了一幅坚硬的翅膀。今天我为你们而骄傲，明天你们为我而自豪。2 零件图分析2.1 零件的总体分析提动阀和提动阀座组成一对偶件，相互配合面很小，近似线接触，
4、以保证控制的灵敏和准确。在工作过程中，提动阀在弹簧的作用下与提动阀座在配合处发生冲击磨损，往往因提动阀锥面被局部磨损或冲击产生缺陷而造成高压油的泄露，使整个阀失去控制作用。提动阀座在提动阀的冲击作用下，接触面将逐渐增大，使油封性能降低。因此，提动阀座应具有较高强度，在承受提动阀冲击时，不致产生打的塑性畸变。液压技术的广泛应用，对液压元件的性能上要求高压、大流量、高转速、高容积效率等方向发展，在结构上要求微型化，在质量上要求高的可靠性。液压元件的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，在选材上与热处理上应保证高的强度，良好的韧性，高的耐磨性和尺寸稳定性高。2.2 零件的结构
5、形状分析零件结构形状如图所示2.3 零件的尺寸及技术要求分析尺寸要求：大圆直径：13mm 小圆直径：12mm 长度：16mm技术要求：调质硬度为2832HRC 碳氮共渗的化合物层深度1020m2.4 零件的服役条件及失效形式分析2.4.1 服役条件 提动阀和提动阀座组成一对偶件，相互配合面很小，近似线接触。提动阀座在提动阀的冲击作用下，接触面将逐渐增大，使封油性能降低。2.4.2 失效形式 提动阀和提动阀座在工作过程中，提动阀在弹簧的作用下与提动阀座在配合处发生冲击磨损，往往因提动阀座面被局部磨损或冲击产生缺陷而造成高压油泄露，使整个阀失去控制作用。3 材料选择3.1 提动阀座的性能要求根据提
6、动阀座的工作状况，可以初步得出其材料应满足的性能要求：一是具有良好的耐冲击韧性、耐腐蚀性和强度，以保证提动阀座满足液压元件在高压和高冲击在阀座下具有足够高的耐冲击韧性；二是具有良好的疲劳性能，是提动阀座能够在良好的服役条件下长时间工作。因此，一般要求表面耐磨而心部要求良好的韧性，阀座多用15CrMo。提动阀座在承受提动阀冲击时，不致产生打的塑性畸变应选用42CrMo，并一般施以低温的化学热处理以提高其耐磨性。为提高提动阀座的耐磨性和硬度，在最后精加工钱一般进行碳氮共渗。由于液压元件一般要求尺寸精度高，所以提动阀座加工精度要求也较高，为此，热处理过程中要严格控制畸变。其主要措施是铁丝捆扎、垂直吊
7、挂加热等。工件有优良的机械、物理性能，它可以有各种不同的强度、硬度、韧性配合的综合性能，还可兼具一种或多种特殊性能，如耐磨、耐高温和低温、耐腐蚀等。3.2 42CrMo的性能特点42CrMo钢属于超高强度钢，具有高强度和韧性，淬透性也较好，无明显的回火脆性，调质处理后有较高的疲劳极限和抗多次冲击能力，低温冲击韧性良好。该钢适宜制造要求一定强度和韧性的大、中型塑料模具。 强度、淬透性高，韧性好，淬火时变形小，高温时有高的蠕变强度和持久强度。用于制造要求较35CrMo钢强度更高和调质截面更大的锻件，如机车牵引用的大齿轮、增压器传动齿轮、压力容器齿轮、后轴、受载荷极大的连杆及弹簧夹，也可用于 200
8、0m以下石油深井钻杆接头与打捞工具，并且可以用于折弯机的模具等。成分CSiMnCrMoNiPCuS42CrMo0.380.45%0.170.37%0.500.80%0.901.20%0.150.25%0.030%0.035%0.030%0.035%（1）C 钢中的主要元素，可产生古榕强化和硬化，增加淬透性（2）Si提高钢的淬透性和耐回火性，对钢的综合力学性能特别是弹性极限有力，还可增强钢在自然条件下的耐蚀性。（3）Mn扩大相区，形成无限固溶体。对铁素体和奥氏体均有较强的固溶强化作用。与S形成熔点较高的MnS，可防止因FeS而导致的热脆现象。强烈提高淬透性，能提高耐磨性。（4）Cr缩小相区，在-
9、Fe中无限固溶，可增加钢的淬透性并有二次硬化作用，提高耐磨性，使钢具有良好的高温抗氧化性和耐氧化性介质服饰的作用并增加钢的热强性。（5）Mo阻抑奥氏体向珠光体转变的能里很强，从而提高钢的淬透性，能降低或抑制其他合金元素导致的回火脆性，在较高的回火温度下形成弥散分布的特殊碳化物，二次硬化的作用提高热强性和蠕变强度。（6）Ni细化铁素体晶粒，对塑性韧性有所提高，特别是低温塑性。4 确定加工路线（冷、热加工）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
10、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。该零件结构简单，可以通过铸造铸出毛坯，通过机加工使其成型；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加工使其复合尺寸要求；接着调制使其达到硬度要求；再经过化学热处理（氮碳共渗）使表面获得一层化合物渗层，提高零件表面耐磨性和抗疲劳性能；最后经过研磨，以满足尺寸精度，即可得到所需的零件。可采用的工艺流程：提动阀座的整体加工工艺流程：下料锻造预备热处理一次机加工（粗加工）调制二次机加工（精加工）氮碳共渗。5 热处理工艺方法选择5.1 退火工艺的选择42CrMo经过铸造及粗加工后组织不均匀内应
11、力较大，易变形开裂，所以在精加工前需施以消除内应力稳定组织为目的的去应力退火。其内应力主要产生在有塑性到弹性变形的过渡阶段。因此在这个温度区间内，冷却速度愈慢，内应力就愈小。消除内应力的退火应该是将粗加工后铸件缓慢加热到高于塑性变形的温度范围内，然后保温，使铸件各部分组织均匀，内应力减小。故一般在选用低温去应力退火。5.2 调制工艺调制处理是使机械零件达到设计性能要求的关键。淬透性的大小直接影响刚的最后力学性能。调制钢热处理的第一步工序是淬火，一般合金调制钢都在油中淬火。处于淬火状态的钢，内应力大，脆性很大，不能直接使用，必须要进行第二步工序回火，其目的是消除内应力，增加韧性，调整强度，获得良
12、好的综合力学性能。该提动阀座应加热到(85010)，保温1.5h后，进行油淬，再在（58010），保温1h进行回火。6 制定热处理工艺制度6.1 退火工艺的制定将冷变形后的金属在低于再结晶温度加热，以消除内应力，但仍保留加工硬化效果的热处理。在实际生产中，热锻轧、铸造、各种冷变形加工、切削或切割、焊接、热处理甚至机器零部件的装配，在不改变组织状态、保留冷作、热作或表面硬化的条件下，将工件加热至Ac1一下某一温度，保温一定时间，然后缓慢冷却，以消除内应力，减小变形以及开裂倾向的热处理，统称为去应力退火。表 42CrMo加热和冷却的临界点Ac1Ac3Ms42CrMo730780360为了消除毛胚锻
13、造应力，降低硬度以及改善切削加工性能，同时均匀组织，细化晶粒，为了后续加热处理做准备。（1）退火温度，选用680700，退火温度是将工件加热到Ac1以下3050，42CrMo临界温度点为730，一般采用热炉装料，加热过程中工件内温差较大，为了缩短工件在高温时的停留时间，一般加热温度稍高。（2）退火保温时间，保温时间与钢的化学成分、工件形状、尺寸、炉子类型、装炉量等多种因素有关，一般按每毫米厚度保温1.5-2.5min估算。主轴的直径为13mm，考虑加工余量5mm，因而其有效厚度为20mm，保温时间为1.5h左右。6.2 调制工艺的制定（1）加热温度，亚共析钢淬火加热温度为Ac3+30-50，综
14、合考虑淬火加热温度应选用850。（2）淬火加热时间，应包括工件整个截面加热到预定淬火温度，并使之在该温度下完成组织转变、碳化物溶解和奥氏体成分均匀化所需的时间。常用经验公式为： =kD式中 加热时间，min；加热时间系数，min/mm；k装炉量修正系数；D工件有效厚度，mm。对于管型工件的有效厚度，当高度/壁厚1.5时，可按1.5壁厚计算，图中最大壁厚为16mm，考虑到圆锥部位的壁厚稍大一些，因而取最大壁厚为20mm。工件的有效厚度D=50mm,加热系数和装炉修正系数k分别见表3和表4，对于42CrMo，=1.0，k=1.0，则=1.01.050=50min,考虑到透热之后，还需要5-15mi
15、n的组织转变时间，因而我选择1.5h的保温时间。表3 常用钢的加热系数（min/mm）2工件材料直径/mm500.3-0.40.4-0.51.0-0.21.2-1.5低合金钢50500.45-0.50.5-0.551.2-1.51.5-1.8高合金钢高速钢0.35-0.400.3-0.350.3-0.350.65-0.850.17-0.20.16-0.18表4 工件装炉修正系数5 工件装炉方式修正系数K工件装炉方式修正系数K1.01.01.01.42.04.01.42.21.32.01.71.8（3） 冷却方法的选择，考虑到所给主轴的形状复杂，尺寸较大，淬火过程易发生形变或开裂，我选用中断淬火
16、法。把加热到淬火温度的工件，先在冷却能力强的盐水中冷却至接近Ms点，然后取出转入油冷，以达到在不同淬火冷却温度区间，有比较理想的淬火冷却速度。这样既保证了获得较高的硬度层和淬硬层深度又可减少内应力及防止发生变形或开裂。在水中停留时间为每5-6mm有效厚度约1s。由于出水温度难以掌握，须凭经验操作，当水中的工件抖动停止，在水中30S取出可放入油中油冷。另外，工件入水宜动不宜静，应按照工件的几何形状，作规则运动。静止的冷却介质加上静止的工件，导致硬度不均匀，应力不均匀而使工件变形大，甚至开裂。（4） 回火温度的确定：根据零件要求，调质后的硬度为235-265HBS,选择回火温度为（57010）。（
17、5） 回火时间的确定：回火时间一般从工件入炉后炉温升至回火温度时开始计算，一般为1-3h，在实践中常用工件的有效厚度估算，表5是单个工件的保温时间表，多个工件堆积可适当延长保温时间。由于工件的有效厚度是50mm，二十个工件同时加热，我选择保温时间为12h。表5 中、高温回火保温时间参数表2有效厚度/mm0.45%的中、高碳钢在正火过程中容易出现硬度过高现象。产生原因：冷却速度快，组织中珠光体片间距变细，碳化物弥散度增大；装炉量大，炉温不均匀。严格控制工艺参数，可消除硬度过高缺陷。（2）淬火畸变，产生原因：热处理前后组织比体积不同是引起体积变化的主要原因，加热温度不均，淬火冷却时的不同时性形成的
18、热应力和组织应力使工件局部发生塑性变形。消除方式：降低淬火加热温度对减少热应力和组织应力畸变都有作用，缓慢加热或对工件进行预热，可减少加热过程中的热畸变，合理捆扎和吊挂工件。根据工件的形状采用合理的淬入方式。（3）淬火开裂，产生原因：冷却不当，在Ms温度以下快冷，因组织应力大引起开裂，还可能是淬火后未及时回火，工件内部的显微裂纹在淬火应力作用下扩展成宏观裂纹。消除方式：正确进行预先热处理，避免正火、退火组织缺陷。合理选择淬火介质和淬火方法。易开裂工件，淬火后要及时回火。（4）感应淬火易出现硬度不足，产生原因：单位表面功率低，加热时间短，加热表面与感应器间隙过大，这些因素都使感应加热温度降低，淬
19、火组织中有较多的未溶铁素体。还可能是加热结束至冷却开始的时间间隙太长，喷液时间短，喷液供应量不足或喷液压力低，淬火介质冷却速度慢，使组织中出现非马氏体组织。消除方式：正确选择感应设备，严格按照工艺参数加工。11.2 氮碳共渗过程中可能产生的缺陷表8 氮碳共渗件的常见缺陷及防治方法6缺陷种类主要原因防治措施渗层深度不够1. 盐浴中盐含量过低2. 共渗温度低，时间短1. 保证盐浴成分；2. 保证足够的温度和时间3. 按正常工艺重新处理时间稍短表面疏松起皮1. 盐浴含盐量过高；2. 共渗温度过高，时间稍长；3. 盐活性太强严格按照工艺参数操作，重新盐浴到温后停置一段时间后再处理工件表面花斑1. 共渗
20、前工件表面不洁；2. 盐浴不洁；共渗温度低3. 工件重叠，靠近炉壁4. 冷却速度太慢1. 共渗前认真清洗工件；2. 保证盐浴清洁3. 避免工件重叠，靠近炉壁4. 选择合适冷却介质5. 按正常工艺重新处理时间稍短表面锈斑残盐清洗不够1. 加强清洗工件2. 在弱酸中短时间清理后，再短时间重新处理一下12 结束语通过这次热处理工艺设计，我在多方面都有所提高。完成这次课程设计的过程，是提供了一个自己把在课堂上学到的理论知识和实际生产相结合的一次实践平台。在完成设计的过程中，你需要考虑许多课堂上不需要考虑的东西比如说经济性、环保性等。同时不仅让我们把以前学到的许多专业课的知识都复习了一遍，而且仅仅这些还
21、不够，我们还得到图书馆、到网上的资源数据库里去查阅资料。通过分析零件图，制定合适的工艺路线，分析工艺路线的可行性、经济性和环保性，分析可能产生的缺陷并提供消除办法，分析工艺过程中组织性能变化和，制定预备处理和后续处理以及制定检测方法等，让我真正了解了一下一个零件生产出来前走过的路，专业知识也在不知不觉中得到了提高。同时，也让我看到了自己的不足，理论联系实际能力欠缺，分析问题能力欠缺，专业知识水平欠缺，今后还得更加努力的学习，弥补自己的不足，才能使自己在将来的工作岗位上得心应手。课程设计是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程。我们今天进行课程设计，实际上就是在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。参 考 文 献