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中北大学课程设计说明书第1页共24页1.前言热处理工艺课程设计是《材料科学基础》﹑《金属工艺学》﹑《材料力学性能》以及《金属材料学》等课程学习的基础上开设的，它是金属材料工程专业一个重要的实践性教学环节，对提高学生综合应用所学知识解决工程实际问题以及创新设计的能力具有重要作用。课程设计不但能使我们巩固学过的专业知识，而且还能为我们走上工作岗位打下良好的基础。课程设计的任务是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，选择或选定装夹具，作出热处理工艺卡。现代工业的飞速发展对机械零部件﹑工模具等提出的要求愈来愈高。热处理不仅对锻造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。热处理工艺的最佳方案是在能够保证达到根据零件使用性能和由产品设计者提出的热处理技术要求的基础上，设计的一种高质量、低成本、低消耗、清洁、高效、精确的热处理工艺方法。为获得理想的组织与性能，保证零件在生产过程中的质量稳定性和使用寿命，就必须从工件的特点﹑要求和技术条件，认真分析产品在使用过程中的受力状况和可能失效形式，正确选择材料；再根据生产规模﹑现场条件﹑热处理设备提出几种可行的热处理方案，最后根据其经济性﹑方便性﹑质量稳定性和便于管理﹑降低成本等因素，确定出一种最佳方案。合理的热处理工艺不但可以强化金属材料，充分挖掘材料性能潜力，降低结构重量、节省和能源，而且能够提高机械产品质量，大幅度延长机器零件的使用寿命。确定热处理工艺方案后，首先应根据零件的材料特性及技术要求，选择热处理加热设备、加热、保温时间与冷却方式。在此基础上，制定编制热处理工艺规范，设计零件在有关热处理工序使用装夹具及校直装置等。最后，编写主要热处理工序的操作守则。通过课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才是真正的知识，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。中北大学课程设计说明书第2页共24页2.零件图分析图1是本次课程设计给定的零件图。图1S7332螺纹磨床丝杆示意图技术要求：淬火层深度5.5～6mm，硬度≥56HRC。2.1服役条件S7332螺纹磨床采用滚珠丝杆，5级精度。丝杆一般在机床上由两点或几个支点来支撑运行进行旋转运动，推动螺母及连接的滑板等零件进行平移。丝杆于螺母的螺纹牙齿侧面相对滑行，丝杆每转一周则推进一个螺距，螺母存在很大的摩擦力，螺母与丝杆齿形面易于磨损，而且一根丝杆仅仅一部分磨损严重，引起螺距误差进而影响精度。2.2失效形式滚珠丝杆工作时常承受弯曲、扭转、疲劳、冲击，同时在滑动与转动部位承受摩擦作用，其工作表面承受较大的接触应力，杆件本身也承受着较大的扭转应力。滚珠丝杆主要的失效形式是解除疲劳破坏（既疲劳剥落，俗称麻点），同时也存在机械损伤磨损。2.3性能要求丝杆整体要有一定的刚度要求和强度，在工作中不能产生大的挠度和塑性变形，因此必须具有较好的综合力学性能和高的尺寸稳定性。同时其相关工作部位（滚道、轴径）也要求具有高的磨损抗力,高的接触疲劳强度既具有高硬度、高强度与足够的耐磨性。还要求丝杆在工作过程中，具有传动灵敏平稳、定位精度和重复精度高等要求；对于在腐蚀介质和较高温度下工作的丝杆，还要求具有耐腐蚀性和耐热性等。中北大学课程设计说明书第3页共24页3.材料选择3.1材料的选择根据螺纹磨床丝杠的服役条件,为保证高精度及高的精度保持性,必须具有高硬度、高耐磨性和尺寸稳定性。一般精密淬硬丝杠常选用9Mn2V、CrWMn、GCr15等合金工具钢制造。由于9Mn2V钢淬透性好，淬火畸变倾向小，淬火硬度高(可达58HRC以上)，加工的表面粗糙度值低、磨削裂纹倾向小，因此选用9Mn2V钢制造螺纹磨床丝杠可以保证其耐磨性和尺寸稳定性。3.2材料中的化学成分及作用表1给出了9Mn2V钢的化学成分。其中各化学元素的作用如下：表19Mn2V钢的化学成分(质量分数％)牌号化学成分（重量百分比）碳(C)锰(Mn)镍(Ni)硅(Si)磷(P)硫(S)铬(Cr)铜(Cu)钒(V)9Mn2V0.85～0.951.70～2.00≤0.25≤0.40≤0.03≤0.03-≤0.300.10～0.25（1）碳钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当碳量0.23%超过时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%。碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。（2）锰主要是为了提高钢的淬透性。加热时，锰的碳化物(Fe、Mn)3C易于溶解，晶粒易于长大，增加了钢材的过热敏感性。锰引起马氏体相变点Ms降低，淬火后残余奥氏体较多，故淬火变形相应较小。（3）钒钒可以无限量固溶入铁中，并阻止沃斯田铁晶粒的成长，钒在钢中有脱酸除氧之能力，故含钒之钢其断面结晶密实，此外钒的作用还有：a．能提高淬火温度。b．改善硬化能，高温淬火加热时，能防止其晶粒生长。c．有助於钢之结晶组织细微化。中北大学课程设计说明书第4页共24页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。热处理是指采用适当的方式对金属材料或工件进行加热、保温和冷却以获得预期的组织结构与性能工艺。9Mn2V钢是一种合金工具钢,用其制造丝杠进行表面淬火时,其原材料的碳化物网及显微组织对淬火质量影响较大。通常要求其碳化物网的级别不大于3级，显微组织为珠光体2～4级。因此在毛坯化验时,如发现碳化物网级别超标，必须进行球化退火处理。显微组织则可以通过球化退火达到要求。丝杠在表面淬火后，为进一步提高硬度和耐磨性，稳定尺寸,减小工件在后序加工中的畸变，可以在淬火后进行冰冷处理，使工件内部的残留奥氏体尽量转变为马氏体。由于丝杠磨削加工量大，在磨削过程中产生的热量大易产生二次回火现象，将导致局部组织变化,同时产生较大的磨削应力，若不及时给予消除,会导致丝杠畸变，故在粗磨后必须进行低温时效。因此，9Mn2V钢丝杠的加工工艺过程一般为：下料→正火→球化退火→粗车及粗磨外圆→中频淬火→热矫直→深冷处理→回火→磨外圆及粗磨螺纹→低温时效→精磨→低温时效。5.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目的是改善加工性能、消除内应力和为最终热处理准备良好的金相组织。其热处理工艺有退火、正火、时效、调质等。1、调质处理：一般后面要进行表面淬火处理，其预备热处理的目的是为了使工件表面淬火前得到强韧性结合优良的心部性能，降低使用过程中的心部疲劳开裂；2、正火处理：一般后面进行的是化学热处理（渗碳+淬火）或者调质热处理，其预备热处理的目的就是细化晶粒、消除机加应力、均匀不平衡组织等，为后面的最终热处理奠定良好的组织基础；3、退火处理：后面最终热处理一般都是调质处理，其作为预备热处理的目的就是为了消除应力以及降低表面硬度。正火与退火工艺相比，其主要区别是正火的冷却速度稍快，所以正火热处理的生产周期短。故退火与正火同样能达到零件性能要求时，尽可能选用正火。大部分中、低碳钢的坯料一般都采用正火热处理。一般合金中北大学课程设计说明书第5页共24页钢坯料常采用退火，若用正火，由于冷却速度较快，使其正火后硬度较高，不利于切削加工。综上所述，9Mn2V材质的丝杆采用正火加球化退火处理。5.2中间热处理的选择9Mn2V钢丝杆选择深冷处理后回火：将淬火后的工件，在零度以下的低温介质中继续冷却到零下70℃待工件截面冷到温度均匀一致后，取出空冷，可使残余奥氏体全部或大部分转变为马氏体。因此，不仅提高了工件硬度、抗拉强度，还可以稳定工件尺寸。9Mn2V钢经深冷处理，深冷处理可使淬火马氏体析出高度弥散的超微细碳化物，随后进行200℃低温回火后这些超微细碳化物可转变为碳化物。未经深冷处理的马氏体，在低温周火后，仅在某些局部区域析出有少量碳化物。9Mn2V采用低温化学热处理方法,在保持9Mn2V钢高硬度和高耐磨性的基础上，大大提高其使用寿命。5.3最终热处理的选择最终热处理的目的是通过适当的热处理使工件的硬度、耐磨性和强度等力学性能能够满足工件的技术要求。5.3.1渗碳渗碳是将钢件置于具有足够碳势的介质中加热到奥氏体状态并保温，使其表面层形成一个富碳层的热处理工艺。根据所使用的介质的物理状态，可以将渗碳分为气体渗碳、液体渗碳和固体渗碳三类。冲击活塞的渗碳处理在井式气体渗碳炉中进行，渗碳处理过程炉膛排气阶段采用大量甲醇排除炉内空气，渗碳剂则使用煤油，剂量100滴/min，渗碳温度为930℃，渗碳阶段时间为10h，扩散阶段时间为3h，渗碳层含碳量控制在0.95%～1%。5.3.2回火其目的主要是为了稳定组织，减少或消除淬火应力，提高钢的塑性和韧性，获得强度、硬度和塑性，根据回火的温度不同，回火可分为高温回火、中温回火、低温回火，经过回火的钢随着回火温度的升高，硬度越低。对于9Mn2V钢，渗碳处理之后，为了减少冲击活塞在淬火后残余奥氏体的存在，将其进行了一次高温回火，高温回火处理后再重新加热淬火，淬火后紧接着在180℃低温回火6h。5.3.3淬火中北大学课程设计说明书第6页共24页钢的淬火是将钢加热到临界温度（Ac3或Ac1）以上，保温一定时间使之奥氏体化后，以大于临界冷却速度的冷速进行冷却的一种工艺过程。对于9Mn2V钢采用淬火温度850℃，淬火介质为矿物油。5.3.4时效为了消除精密量具或模具、零件在长期使用中尺寸、形状发生变化，常在低温回火后（低温回火温度150～250℃）精加工前，把工件重新加热到100～150℃，保持5～20小时，这种为稳定精密制件质量的处理，称为时效。对在低温或动载荷条件下的钢材构件进行时效处理，以消除残余应力，稳定钢材组织和尺寸，尤为重要。时效处理分自然时效和人工时效，人工时效就是冬菇炖鸡肉所说的，人工时效指的是把粗加工后的零件放在自然的环境里3～5年后在进行精加工，称为自然时效。根据9Mn2V钢材质的丝杆性能及技术要求，采用低温时效处理。6.制订热处理工艺制度金属材料和铁制品退火、正火和淬火保温时间由设备加热方式、零件尺寸、钢的成分、装炉量和设备功率等多种因素确定。加热所需时间包括从室温到炉温仪表指示达到所需温度的升温时间、炉料表面和心部温度均匀所需的均热时间以及内外达到温度后为了完成相变所需的保温时间三个部分。但在实际生产中，只有大型工件或装炉量很多情况下，才把升温时间和保温时间分别进行考虑，一般情况下把升温时间和保温时间统称为加热时间。在具体生产条件下，加热时间常用经验公式计算，常用经验公式为：t=a×k×D。表2为常用钢的加热系数。表2常用钢的加热系数工件材料工件直径/mm750-850℃盐炉中加热或预热800-900℃箱式炉或井式炉中加热1000-1300℃高温盐炉中加热碳钢≤50500.3-0.40.4-0.51.0-1.21.2-1.5合金钢≤50500.45-0.500.50-0.551.2-1.51.5-1.8式中，t——加热时间（min或s）；a——加热系数（min/mm或s/mm）；D——工件有效厚度（mm）；K——炉装方式修正系数。根据表3零件形状系数，表4炉装修正系数和丝杆尺寸，S7332螺纹磨床丝杆的有效厚度为D0=74.5×1=74.5mm。中北大学课程设计说明书第7页共24页表3各种截面的零件形状系数形状形状系数球、正方体0.75圆棒、方棒1.0板（宽b、厚a）①b≤2a；1.50②2ab≤4a；1.75③b4a；2.0管①两端开口短管≤2.0②一端封闭管2-4③长管或两端封闭管4表4炉装方式修正系数工件装炉方式修正系数Ｋ工件装炉方式修正系数Ｋ1.01.01.01.42.04.01.42.21.32.01.71.8S7332螺纹磨床丝杆为高精度、高要求的零件，装炉量不宜太多，但为了提高生产效率，应根据炉膛空间合