柱塞热处理工艺课程设计
柱塞热处理工艺课程设计
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，提高工程设计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三个，（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。
要想设计出合理的热处理工艺，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达到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，我们通过分析这种因素后才能确定出一种最佳的方案。
2 零件图分析
图1 柱塞零件图
2.1 零件的服役条件
该零件是一个柱塞泵柱塞的零件，该零件是细小的轴类零件，形状规则，尺寸精度、形位精度要求均较高。柱塞和套筒是柴油机喷油泵最主要构件，在使用时，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 零件的实效条件
对于材料来说，其失效形式主要有：断裂、疲劳脱落及磨损等形式。
2.3 零件的性能要求
柱塞在使用过程中要求表面硬度高，为满足这一条件，可选用含碳量较低的合金结构钢，低碳合金结构钢用于渗碳件，通过表面渗碳淬火获取所需材料，使其表面具有较高硬度，而心部硬度不高，具有较高韧性。
3 材料的选择
合金结构钢常用于机器零件用的合金钢，常采用的合金元素Mn、Cr、Si、Ni、W、V、Ti、B等，这些元素可增加钢的淬透性，并使晶粒细化，这样可以是大截面零件经调质处理后，在整个截面上获得强韧结合的力学性能，同时，因淬透性的
提高，可采用冷却烈度较小的油类来淬火，从而减少淬火时的裂纹和变形倾向。3.1 选材
20Cr钢常用来制造负荷不大、小尺寸的一般渗碳件，如小轴、小齿轮、活塞销等，也可在调质状态下使用，制造工作速度较大并承受中等冲击载荷的零件。这个钢在渗碳时易过热，表面也容易出现渗碳体网。
20CrMnTi是应用最广泛的合金渗碳钢，用于截面在30mm以下、高速运转并承受中等或重载荷的重要渗碳件，如汽车、拖拉机的变速齿轮、轴等零件。
20Cr2Ni4钢用作大截面、较高载荷、交变载荷下工作的重要渗碳件，如内燃机车的主动牵引齿轮、柴油机曲轴等。
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58-62HRC，心部硬度为30-45HRC。此外，20CrMnTi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重载及冲击、摩擦的重零件，因此选用20CrMnTi钢是比较合适的。
3.2 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
表1 化学成分表
3.2.2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能和硬度。
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 20CrMnTi钢相变点
表2 的相变点
4 确定零件加工路线
加工工艺主要包括机械加工和热处理工艺。机械加工是指通过机械加工精确去除多余材料的加工工艺。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——预备热处理——机械加工——渗碳——淬火——回火——机械加工。
5 热处理工艺方法的选择
5.1 预备热处理
对预备热处理的改进主要有等温退火或等温正火以及先退火后正火等工艺方法。等温退火或等温正火是先将钢加热到43点以上，然后冷却到等温温度进行等温处理。再以不同冷却速度进行退火或正火的预处理工艺。退火后再正火可以使坯体组织细小均匀。而通过等温正火可以消除带状组织、降低硬度，对齿轮的加工处理及性能都有好的影响。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。所以在此选用正火对低碳钢进行预备热处理。
5.2 渗碳方法
渗碳的目的是使机器零件获得高的表面硬度、耐磨性及高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度，渗碳后淬火、回火，心部保持良好韧性的同时提高工件的表面强度、耐磨性和硬度。
因此采用甲醇-煤油滴注式渗碳法（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水、二氧化碳和甲烷、碳氧化，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。然后采用遇冷淬火加回火的最终热处理。
5.3 最终热处理
一般以淬火+回火，作为最终热处理工艺。淬火提高硬度，但是塑性会降低。而回火可以改善塑性。一般分为高、中、低温回火。不同回火可以获得不同塑韧性的材料。通常，淬火+高温回火称之为调质处理，应用广泛。
20CrMnTi钢的最终热处理工艺为了提高表面硬度，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。因此采用淬火。
20CrMnTi钢回火时可以使马氏体分解，转变成回火马氏体，淬火内应力得到部分消除，淬火时产生的微裂纹也大部分得到愈合。因此低温回火可以在很少降低硬度的情况下使钢的韧性得到显著提高，并提高钢的强度和耐磨性，使轴得到优异的机械性能。并且可以稳定组织，使工件在使用过程中不发生组织转变，降低或消除淬火内应力，以减少工件的变形并防止开裂，从而保证工件的形状、尺寸不变，因此采用低温回火。
6 热处理工艺方法的选择
6.1 正火工艺的选择
6.1.1 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100～200℃/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600～700℃时加热速度为30～70℃/h，高于此温度后控制在80～100℃/h.根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50～100℃/h能够达到目的。
6.1.2 加热温度
20CrMnTi钢Ac
3约为825℃，通常的正火加热温度为Ac
3
+(30～50) ℃.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930℃。
6.1.3 保温时间
选定的依据：加热时间可按下列公式进行计算： T=a×K×D。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）/2，可得D=23mm
T=1.6×1.4×(16+5+5+22+5+5)=58min≈60min
表3 热处理工件装炉系数
6.1.4 冷却速度与最终组织
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。这里采用空冷。
6.1.5 最终组织
正火所得到的组织是珠光体型组织或者说是铁素体和渗碳体的机械混合物。
正火的珠光体是在较大过冷度下得到的，因而对亚共析钢来说，析出的先共析铁素体较少，珠光体数量较多，珠光体的片层间距较小。 晶粒度：5～6级。 6.1.6 正火工艺曲线
图2
6.2 渗碳工艺的制定
6.2.1 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100～200℃/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600～700℃时加热速度为30～70℃/h ，高于此温度后控制在80～100℃/h 。根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50～100℃/h 能够达到目的。 6.2.2 渗碳温度
由式 D =0.162×e （?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900℃~950℃。选择气体渗碳，加热940℃. 6.2.3 渗碳时间
温
9360
空
渗碳深度d可按下式近似计算：
d=kt?D/√t?D/β
式中d——渗碳深度
k——渗碳速度因子
t——渗碳时间
D——扩散系数
β——碳传递系数
经验计算按0.15~0.2mm/h来计算时间。渗层为0.8~1.2mm,则渗碳时间T=5~6h,取300min。
6.2.4 渗碳方法
甲醇-煤油滴注式渗碳法（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，煤油的裂解产物为CH4和[C]，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5 常用有机液体的渗碳特性
表6 强渗时间、扩散时间及渗碳层深度
注：若渗碳后直接降温淬火，则扩散时间包括降温及降温时停留时间。‘
图3 煤油-甲醇滴注式渗碳工艺曲线
6.2.5 冷却方式与渗碳后的组织
随炉降温或将工件移至等温槽中预冷，然后直接淬火。
组织为，表面：碳化物+珠光体+铁素体
心部：珠光体+铁素体
6.2.6 滴注式渗碳操作要点及注意事项
⑴.渗碳工件表面不得有锈蚀、油污及其他污垢。
⑵.同一炉渗碳的工件，其材质、技术要求、渗后热处理方式应相同。
⑶.装料时应保证渗碳气氛的流通。
⑷.炉盖应盖紧，减少漏气，炉内保持正压，废气应点燃。
⑸.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。
⑹.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。
6.3 淬火
6.3.1 淬火温度
淬火温度：760～780℃
依据：20CrMnTi为低碳钢，加热温度T=Ac1+30～50℃.故为770℃。
6.3.2 加热时间和保温时间的确定
加热与保温时间由零件入炉到达指定工艺温度所需升温时间（τ1）、透热时间（τ2）以及组织转变所需时间（τ3）组成。τ1+τ2由设备功率、加热介质以及工件尺寸、装炉数量等决定，τ3则与钢材的成分、组织以及热处理技术要求等有关。
计算加热时间一般由工件的“有效厚度”乘以加热系数，即：
t=α×K×D
式中，t——加热时间（min或s）
α——加热系数（min/mm或s/mm)
D——工件有效厚度（mm）
K——工件装炉条件修正系数，通常用1.0～1.5
计算得到加热时间t=30min
该公式是淬火加热、保温时间的经验公式，当工件形状简单时，采用到温如炉加热方式，及公式计算出的时间为保温时间。由于工件是渗碳后直接淬火，该公式计算的保温时间依然适用。
6.3.3 冷却方式与淬火后组织
选择淬火冷却方式为油淬，在保证淬硬层深度的前提下，减小工件变形开裂倾向。
组织为，表面：高碳马氏体+碳化物+残余奥氏体
心部：低碳马氏体+残余奥氏体
6.3.4 淬火工艺曲线
温
度
时间
图4 淬火工艺曲线6.4 回火
6.4.1 回火目的
低碳钢回火时可以使马氏体分解，转变成回火马氏体，淬火内应力得到部分消除，淬火时产生的微裂纹也大部分得到愈合。因此低温回火可以在很少降低硬度的情况下使钢的韧性得到显著提高，并提高钢的强度和耐磨性，使轴得到优异的机械性能。并且可以稳定组织，使工件在使用过程中不发生组织转变，降低或消除淬火内应力，以减少工件的变形并防止开裂，从而保证工件的形状、尺寸不变。
6.4.2 回火温度
回火温度：160±10℃.
由于20CrMnTi钢主轴要求表面具有很高的硬度、耐磨性，同时要求心部具有较好的塑性和韧性。因此低温回火可以满足性能要求，故选择低温回火。T取160±10℃。
6.4.3 加热方式
采取快速加热方式，可以减少工件加热时间，回火后硬度下降较低，即加热到160℃后将工件放入电阻炉。
6.4.4 保温时间
保温时间：90min.
表7 空气回火炉保温时间表
6.4.5 冷却方式与回火组织
出炉空冷
。
组织为，表面：回火马氏体+碳化物+残余奥氏体。
心部：回火马氏体+残余奥氏体。
6.4.6 回火工艺曲线
图5 回火工艺曲线
7 热处理设备选择
7.1热处理设备选型的原则
1) 少品种大批量生产的热处理设备的选型：对于少品种大批量热处理件的生产，
应依据工艺要求，优先考虑组建各类全自动热处理生产线，选用安全可靠、生产率高、运行成本低的连续式热处理设备。
2) 批量生产的热处理设备的选型 ：对于批量热处理件的生产，原则上应以连续
式热处理生产线为主；但由于热处理件的品种规格较多，工艺和生产量常需调整，因此所选设备应便于工艺和生产调整。
3) 多品种单件生产的热处理设备的选型：对于多品种单件热处理的生产，宜选用
周期式热处理设备，或以周期式热处理设备组建局部机械化、自动化联动线的方式。
150—20CrMnTi 回
时
保温
空
温度
℃
汽车齿轮类渗碳零件，大批量生产时，一般选用推杆式连续渗碳淬火自动线；中批量生产时，选用密封箱式炉组成联动线；小批量生产时，应优先选用密封箱式炉完成神探淬火，尽量避免使用井式渗碳炉，致使工件在空气介质中入油淬火带来的表面氧化脱碳。
7.2 正火的设备
因为正火温度在920-940℃范围内，所以采用中温炉即可，根据工件尺寸及加热温度选择Rx3-30-9型中温箱式电阻炉。这类炉子的炉料一般在空气中加热，无装出料机械化装置，供小批量的工件淬火、正火、退火等常规热处理。
图6 Rx3-30-9型中温箱式电阻炉
表8 中温箱式电阻炉产品规格及技术参数
7.3 渗碳设备
对于渗碳设备选用井式渗碳炉，这类炉子的结构实际上是在井式炉炉膛中再加一密封炉罐，专为周期作业的渗碳、渗氮、碳氮共渗等所用。因此选用井式气体渗碳炉RQ3-25-9。
图9 RQ3-15-9型号的井式气体渗碳炉
表9 井式气体渗碳炉产品规格及参数
7.3 淬火设备
渗碳后的零件采用从渗碳温度随炉降温到适宜的淬火温度，经一段保温均热后直接淬火（水或油）的热处理工艺。因此淬火设备与渗碳炉相同。
7.4 回火设备
为了防止工件回火时氧化采用真空回火炉.
8 工装设计（夹具、辅具等）
8.1 热处理夹具的选择原则
①符合热处理技术条件：保证零件热处理加热，冷却，炉气成分均匀度，不致使零件在热处理过程中变形。
②符合经济要求：在保证零件热处理质量符合热处理技术要求时，确保设备具有高的生产能力。夹具应具有质量轻，吸热量少，热强度高及使用寿命长的特点。