课程设计论文--12CrNi3叶片泵轴的热处理工艺设计

目录第一章热处理工设计目的..............................................1第二章课程设计任务..................................................1第三章热处理工艺设计方法............................................13.1设计任务...................................................13.2设计方案...................................................23.2.112CrNi3叶片泵轴的设计的分析............................23.2.2钢种材料................................................23.3设计说明....................................................33.3.1加工工艺流程............................................33.3.2具体热处理工艺..........................................43.4分析讨论...........................................11第四章结束语..................................................13参考文献.......................................................1412CrNi3叶片泵轴的热处理工艺设计一.热处理工艺课程设计的目的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。二.课程设计的任务进行零件的加工路线中有关热处理工序和热处理辅助工序的设计。根据零件的技术要求，选定能实现技术要求的热处理方法，制定工艺参数，画出热处理工艺曲线图，选择热处理设备，设计或选定装夹具，作出热处理工艺卡。最后，写出设计说明书，说明书中要求对各热处理工序的工艺参数的选择依据和各热处理后的显微组织作出说明。三.热处理工艺设计的方法1.设计任务12CrNi3叶片泵轴零件图如图3.1图3.112CrNi3叶片泵轴2、设计方案2.1.工作条件叶片泵是由转子、定子、叶片和配油盘相互形成封闭容积的体积变化来实现泵的吸油和压油。叶片泵的结构紧凑，零件加工精度要求高。叶片泵转子旋转时，叶片在离心力和压力油的作用下，尖部紧贴在定子内表面上。这样两个叶片与转子和定子内表面所构成的工作容积，先由小到大吸油再由大到小排油，叶片旋转一周时，完成两次吸油与排油。泵轴在工作时承受扭转和弯曲疲劳，在花键和颈轴处收磨损。因此，要求轴有高的强度，良好的韧性及耐磨性。2.1.1失效形式叶片泵轴的主要失效形式是疲劳断裂，在花键和轴颈处可能发生工作面的磨损、咬伤，甚至是咬裂。2.1.2性能要求根据泵轴的受力情况和失效分析可知,叶片泵轴主要是要求轴具有高的强度，良好的韧性及耐磨性，以保证轴在良好的服役条件下长时间的工作。2.2钢种材料12CrNi3A钢属于合金渗碳钢，比12CrNi2A钢有更高的淬透性，因此，可以用于制造比12CrNi2A钢截面稍大的零件。该钢淬火低温回火或高温回火后都具有良好的综合力学性能，钢的低温韧性好，缺口敏感性小，切削加工性能良好，当硬度为HB260～320时，相对切削加工性为60%～70%。另外，钢退火后硬度低、塑性好，因此，既可以采用切削加工方法制造模具，也可以采用冷挤压成型方法制造模具。为提高模具型腔的耐磨性，模具成型后需要进行渗碳处理，然后再进行淬火和低温回火，从而保证模具表面具有高硬度、高耐磨性而心部具有很好的韧性，该钢适宜制造大、中型塑料模具。12CrNi3高级渗碳钢的淬透性较高,退火困难。由于不渗碳表面未经镀铜防渗,因此渗碳后进行低温回火,降低硬度,便于切去不渗碳表面的渗碳层。材料加工成叶片泵轴需进行复杂的化学热处理，使心部硬度为HRC31～HRC41，表面硬度不低于HRC60，从而使泵轴表面有较高硬度，心部呈现一定的韧性，以适应泵轴的工作环境；并且严格规定了表层的含碳量、组织均匀性、晶粒度及化学热处理等[1]。3.设计说明3.1加工工艺流程叶片泵轴的制造工序基本上相同，对于不同的钢种，在其热处理时有些许差异。一般都采用棒料经锻造—正火—机加工—渗碳—淬火—回火—矫直—机加工。12CrNi3钢的化学成分见表3.1[2]成分分析：表3.112CrNi3钢的化学成分化学成分CSiMnSPCrNiCu含量%0.10～0.150.17～0.370.30～0.60允许残余含量≤0.035允许残余含量≤0.0350.60～0.902.75～3.15允许残余含量≤0.030钢的含碳量可保证形成大量的合金碳化物，淬火加热时，一部分融入奥氏体中，提高其稳定性，同时也使马氏体中的合金元素含量增加，保证其硬度；而未溶的碳化物则起细化晶粒、提高韧性的作用．并提高钢的耐磨性。Cr是12CrNi3合金钢中主要的合金元素，它使钢的淬透性大大增加，提高其回火稳定性，并产生二次硬化现象。铬与碳形成高硬度的碳化物，加热时未溶的碳化物可细化晶粒、提高钢的耐磨性的作用。锰和硅是炼钢过程中必须加入的脱氧剂，用以去除溶于钢液中的氧。它还把钢液中的氧化铁还原成铁，并形成氧化锰和二氧化硅。锰除了脱氧作用外，还有除硫作用，即与钢液中的硫结合成MnS,从而在相当大成度上消除硫在钢中的有害影响。这些反应产物大部分进入炉渣，小部分残留与钢中，成为非金属夹杂物。脱氧剂中的锰和硅会有一部分溶于钢液中，冷至室温后即溶于铁素体中，提高铁素体的强度。硅溶于铁素体中后有很强的固溶强化作用，显著提高钢的强度和硬度。Ni也是12CrNi3合金钢中的主要元素。它的存在提高了钢的强度，而不降低其塑性，改善了钢铁的低温韧性降低了钢铁的临界冷却速度，提高铁的淬透性扩大奥氏体区，是奥氏体化的有效元素[2]。3.2具体热处理工艺3.2.1试样热处理工艺正火目的：正火使晶粒细化和碳化物分布均匀化，去除材料的内应力，降低零件硬度，提高切削性能，为渗碳做预处理。因为12CrNi3合金钢淬透性较高，退火困难，因此一般不用退火。正火工艺加热温度：920℃±10℃，根据化学成分计算Ac3温度：Ac3=910-203C0.5-13.2Ni+44.7Si+104V+31.5Mo+13.1W≈874℃，故正火选择（Ac3+30-50℃）即920℃±10℃。正火保温时间：加热保温时间经验公式：t=αKD,α-加热系数，空气电阻炉-合金钢α取1.3-1.6（min/mm）；K为装炉修正系数，取1-1.5；D-工件的有效厚度（mm），当高度（h）/壁厚（δ）≤1.5时，以h计。故最终保温时间：t=αKD=1.6×1.5×40=96min，取2h。正火后的组织：P+少量F正火曲线：温度/℃时间/h920℃2h空冷o正火炉如表3.2表3.2箱式电阻炉型号参数型号名称额定功率（kw）额定温度（℃）额定电压（v）相数工作区尺寸（mm）最大装载量（kg）RX3-15-9159503803650×300×25080正火炉选择RX3-15-9箱式电阻炉，使用电加热，节约成本正火工装如图3.2：图3.2正火工装尺寸图注：壁厚为10mm装炉量：12个/批3.2.2渗碳处理12CrNi3合金钢渗碳处理一般在初磨之后，精磨之前。其渗碳温度一般在920～940℃表面渗碳处理:将含碳的钢放到碳势高的环境介质中,通过让活性高的碳原子扩散到钢的内部,形成一定厚度的碳含量较高的渗碳层,再经过淬火\回火,使工件的表面层得到碳含量高的钢,而心部因碳含量保持原始浓度而得到碳含量低的合金钢,合金钢的硬度主要与其碳含量有关,故经渗碳处理和后续热处理可使工件获得外硬内韧的性能.渗碳处理的作用是:提高表面层的耐磨性,同时保持心部有高的耐冲击能力,即强韧性。渗碳后的冷却方式一般采用空冷[3]。渗碳温度：920-940℃，（Ac3+30-50℃）目前生产中，经常使用的气体渗碳温度范围是900-940℃。取930℃，此温度既可以满足渗层深度要求，又能缩短渗碳所需时间。低于此温度范围渗碳速度过低；而超出此温度范围太多会使奥氏体晶粒粗大，降低零件的力学性能。[6]渗碳方式：采用滴注式气体渗碳。把含碳有机液体滴入或注入气体渗碳炉内，含碳有机液体受热分解产生渗碳气氛，对工件进行渗碳。滴注式气体渗碳设备简单，多用煤油作渗碳剂，成本低廉，主要应用于周期式气体渗碳炉[7]渗剂选择：甲醇和煤油。保温时间：4h。根据哈里斯公式：D=算出D=3.45h，故渗碳时间取4h。渗碳炉如表3.3：表3.3井式渗碳炉型号根据零件尺寸选择RQ3-60-9设备性能、规格、温度、加热方式：额定功率60KW，额定温度950℃，使用电加热。渗碳淬火工装主视图，俯视图如图3.3：型号额定功率（KW）额定温度（℃）额定电压（V）相数工作区尺寸（mm）最大装载量（kg）质量（kg）RQ3-25-9259503803ф300×450501700RQ3-35-9359503803ф300×6001001850RQ3-60-9609503803ф450×6001502650103700/T800√t图3.3工装主视图、俯视图尺寸图装炉量：12个/批渗碳淬火曲线如图3.4:图3.4渗碳淬火曲线装炉排气时，连滴甲醇3～5滴后调整到130～140滴/min3.2.3淬火+低温回火热处理钢的淬火与回火是热处理工艺中最重要，也是用途最广泛的工序。淬火可以显著提高钢的强度和硬度。为了消除钢的残留内应力，得到不同强度，硬度和韧性配合的性能，需要配以不同温度的回火。所以淬火和回火又是不可分割的，紧密联系在一起的两种热处理工艺。淬火的主要目的是使奥氏体化后的工件获得尽量多的马氏体，然后配以不同温度的回火获得各种需要的性能。o温度/℃时间/h煤油/（滴/min）甲醇/（滴/min）930℃强渗扩散130～140800℃0.5油淬炉内降温10010013013013020～40130～14022①12CrNi3叶片泵轴的淬火。淬火加热规范决定了奥氏体的实际晶粒度及碳化和合金元素的固溶度．对马氏体的形态及回火的性能(硬度、强度、塑性、回火稳定性、淬火回火时的体积变形)都有显著的影响。当加热到Ac1温度(约810℃)以上时。原始组织索氏体和碳化物转变为奥氏体和碳化物。随着加热温度升高，合金碳化物继续向奥氏体中溶解．增加了奥氏体中C和Cr的浓度，淬火马氏体的硬度增加，其耐磨性也越强，冲击韧度逐渐升高。12CrNi3泵轴的淬火在井式炉中加热至930±10℃滴注甲醇或煤油渗碳，时间为4h，降温至800±10℃，保温0.5h,直接淬冷于油槽中。淬火加热温度钢的淬火加热温度与钢的含碳量有关，共析钢和过共析钢的淬火温度为Ac1+（30-50）℃；亚共析钢的加热温度为Ac3+（30-50）℃，且一般在空气炉中加热比在盐浴炉中加热高10-30℃，综合考虑淬火加热温度印在区间810±10℃，在此选800℃。淬火介质：通过对比，最终选用N1（10号）机械油。依据：本着淬火烈度最低的原则，该冷却介质冷却能力适中适合12CrNi3小件零件的淬火工艺处理。其低温区冷却能力远小于水，可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。可供选择的几种冷却介质的冷却能力见于表3.4表3.4几种冷却介质的冷却能力注：油温20冷却能力普通淬火油N1机械油N3机械油特性温度