热处理工艺课程设计-柱塞设计

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58—62HRC，芯部硬度为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910～940℃渗碳，870℃淬火，180～200℃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58—62HRC

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

C Mn Si Cr S

0.17～0.23 0.8～1.10 0.17～0.37 1.00～1.30 ≤0.035

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。

3.2.3320CrMnTi钢相变点

相变点 Ac1 Ac3 Ar1

温度 730℃ 820℃ 690℃

4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。

5.1.3加热温度

20CrMnTi钢Ac3 约为825℃，通常的正火加热温度为Ac3+(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920～940℃。

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=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2-7 碳钢和合金钢在各种介质中的加热系数（α值)

钢材

每1mm有效厚度的加热时间

空气电阻炉盐浴炉

碳钢 0.9～1.1min 25～30s

合金钢 1.3～1.6min 50～60s

15～20s（一次预热）高速钢 --- 8～15s（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。这里采用空冷。

5.1.6最终组织

细珠光体+铁素体晶粒度：5~6级

5.1.7正火工艺曲线

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。 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900℃~950℃。选择气体渗碳，加热920~940℃.

温度℃

930℃

60min

时间min

空冷

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/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=5~7h 5.2.5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 ---- 1 CH3OH→CO+2H2 稀释剂

乙醇 C2H5OH 46 2 C2H5OH→[C]+CO+3H2 渗碳剂

异丙醇C3H7OH 30 3 C3H7OH→2[C]+CO+4H2 强渗碳剂

乙醚C2H5OC2H5 24,7 4 C2H5OC2H5→3[C]+CO+5H2 强渗碳剂

丙醚CH3COCH3 29 3 CH3COCH3→2[C]+CO+3H2 强渗碳剂

乙酸乙酯CH3COOC2H

44 2 CH3COOC2H3→3[C]+CO+5H2 渗碳剂

煤油航空煤油，

灯用煤油

主要成850℃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

强渗碳剂

分:C9-C14和C11-C17

900~950℃使用，高温下理论分解

式为：n1(C11H24-C13H36)→n2CH4+n2[C]+n3H2

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

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，起材质、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CO

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。

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。

5．3．2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760—780℃。5．3．3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（τ

）、透热时间

（τ

2）以及组织转变所需时间（τ

）组成。τ

+τ

由设备功率、加热介质以及工

件尺寸、装炉数量等决定，τ

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

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=30mi

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。

5．3．4冷却方式

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。

5．3．5淬火后组织

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 5．3．6淬火工艺曲线

5.4回火 5．4. 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。

920---940℃滲碳

直接淬火

保温5—10min

保温5—7h

空冷

温度

20CrMnTi 淬火工艺时间

5．4．2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℃.

5．4．3加热方式

采取到温加热方式，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。

5．4．5保温时间

保温时间：90min.

空气回火炉保温时间表

有效厚度/mm ≦20 20～40 40～60 60～80 80～100

保温时间/min 30～60 60～90 90～120 120 ～150 150～180

5．4．6冷却方式

出炉空冷。

5．4．7回火组织

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。

5．4．8回火工艺曲线

6 热处理设备选择 6.1正火的设备

根据工件尺寸及加热温度，参照手册选取Rx3-30-9型中温箱式电阻炉

150—200℃

20CrMnTi 回火工艺曲线时间

保温90min

空冷

温度

中温箱式电阻炉产品规格及技术参数

型号功

率

/kW

电压

相

数

最高工

作温度

/℃

炉膛尺寸

（长宽高）

/mm

炉温850℃时的指标

空载损

耗/kW

空炉升温

时间/h

最大装

载量/k

RX3-15-9 15 380 1 950 600×300

×250

5 2,5 80

RX3-30-9 30 380 3 950 950×450

×350

7 2,5 80 6.2渗碳设备

选用RQ3-15-9型号的井式气体渗碳炉。

6.3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。

6.4回火设备

为了防止工件回火时氧化采用真空回火炉.

7 工装设计（夹具、辅具等）

热处理夹具的选择原则为：

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复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。

③符合使用要求：保证装卸零件方便和操作安全。

热处理夹具：

由于柱塞零件尺寸较小，为92mm，属于短轴，要求表面淬硬层有一定深度，表面要完全淬透，又由于零件不易悬挂，因此可以将工件放在如下图所示的挂具，在保证工件表面硬度和淬硬层要求的前提下又便于工件的取放，淬火所用垫具，挂具如下图所示：

7.2 清洗设备的选择

零件在热处理前需清除锈斑、油演、污垢、切削冷却液和研磨剂等，以保证不阻碍加热和冷却，不影响介质和气氛的纯度。以防零件出现软点、渗层不均匀、组织不均匀等影响热处理质量的现象。热处理后也常需清洗，以去除零件表面残油、残渣和炭黑等附着物，以保障热处理零件清洁度、防锈和不影响下道工序加工等要

求。根据零件对清洁度要求、生产方式、生产批量及工件外形尺寸选用相应的清洗设备。

一般清洗机常用于清除残油和残盐，可分为间歇式和连续式两种。前者有清洗槽、室式清洗机，强力加压喷射式清洗剂等；后者有传送带式清洗机及各类生产线、自动线配置的悬挂输送链式、链板式、推杆式和往复式等各类专用清洗设备。室式清洗机它主要用于批量不大的中小零件。输送带式清洗机，适用于批量较大的小型零件。根据生产特点，小批量的中小型零件，可以选用室内清洗机。

8 检验设备及方法选择

8.1 外观检查

一般热处理工件均用肉眼或低倍放大镜观察表面由无裂纹、烧伤、碰伤、麻点、腐蚀、锈斑等。重要工件检查裂纹可用碰力、着色、超声波探伤等方法。对表面允许喷砂铸工件可浸油后喷砂直接观察

8.2 硬度检查

1.正火、退火、调质零件的硬度检查用布氏硬度计。渗碳包括渗层表面，防渗部位及心部硬度，一般用洛氏硬度。淬火处理零件用洛氏硬度计。对于本件硬度检查标准如下：预先热处理：退火件检查按图纸或工艺文件规定的硬度值剂检查方法进行硬度检查。最终热处理：应使硬度值达到所要求的58~63HRC。

2.如果上述硬度计无法检验时，用超声波硬度计检查。对于要求不严格的淬火件可用挫刀与标准试样进行比较。

3.注意硬度检查的位置，应在零件的主要部位，根据工艺流程或由检验人员确定，一般为1-3处，每处不少于三点，但必须注意，不得破坏工作面。

4.检查硬度时应正确操作硬度计。被检验零件表面必须平滑，不能有氧化皮或油污。检验前零件可用砂纸或挫刀磨光。打硬度时零件应放平，使被测零件的被测面垂直于压的轴线。

8.3 金相检查

低碳合金钢正火后组织为均匀分布的珠光体和铁素体。若组织中有点状和细片状珠光体及粗片状珠光体，都是不正常组织。碳化物网要求小于等于2级，珠光体为2—5级。

渗层碳化物的形态及分布，残留奥氏体数量，有无反常组织。心部组织是否粗大及铁素体是否超出技术要求等，一般在显微镜下400倍观察。

淬火后一般得到马氏体组织，由于奥氏体化温度不同，马氏体形态的大小不一样，一般分为8级，1级属于奥氏体化温度偏低，淬火组织是是隐晶马氏体+细针状马氏体和不大于5%的铁素体。而8级属于过热组织，是粗大的板条状马氏体+片状马氏体。正常淬火是2至4级，其组织委细小的板条马氏体+片状马氏体。之后用金相显微镜观察，确定所属等级。

8.4渗层深度

打断试样，研磨抛光，用硝酸酒精溶液侵蚀直至显出棕色渗碳层。用带刻度尺的放大镜测量。

9 热处理缺陷分析

9.1 正火缺陷分析

1.网状碳化物

过共析钢正火冷却速度不够快时，碳化物呈网状或断续王状分布在奥氏体晶界。可加快冷却速度，采用鼓风机冷却等。

2粗大魏氏体组织

加热温度过高，奥氏体晶粒粗大，冷速又较快的中碳钢中常出现粗大魏氏体组织，其铁素体呈片状羽毛或三角形分布在原奥氏体晶粒内。可通过正火使晶粒细化。

3.带状组织

亚共析钢中的铁素体和珠光体呈带状交替分布。

4.零件产生较大的内应力和变形

零件形状复杂，由于正火冷却速度较快，使零件产生较大的内应力和变形，甚至开裂。可采取退火消除。

9.2 渗碳缺陷分析

1.表层粗大块状或网状碳化物。产生原因是：渗碳剂活性太高或渗碳保温时间过长。可降低渗剂活性，当渗层要求较深时，保温后期是的那个降低渗剂活性。

2.表层大量残留奥氏体。产生原因是：淬火温度过高，奥氏体中碳及合金元素含量较高。可降低渗碳剂活性，降低淬火温度。

3.渗层深度不够。产生原因是：炉温低；渗层活性低；炉子漏气或渗碳剂的成分不正常。应加强炉温校验，及炉气成分或渗碳剂成分的监测。

4.渗层过高。产生原因是：碳势偏高，温度过高或渗期太长、可降低碳势，检查炉温。调整工艺。

5.渗层深度不均匀。产生原因是：炉温不均匀；炉内气氛循环不良；升温过程中工件表面氧化；炭黑在工件表面沉积；工件表面氧化皮等没有清理干净。应重新进行热处理

6.开裂。是渗碳后慢冷时组织转变不均匀所致。应重新做。

9.3淬火缺陷分析

（1）形状畸变。原因：1）加热温度不均匀，形成的热应力引起畸变。2）淬火冷却的不同时性形成热应力和组织应力引起畸变和残余应力松弛。

减少畸变途径：1）降低淬火加热温度；2）缓慢加热或对工件预热；3）静止加热法；4）采取等温淬火或分级淬火等

（2）淬火开裂。原因：1）冷却不当；2）严重表面脱碳引起网状裂纹；3）淬火加热温度过高，引起晶粒粗化。4）过烧裂纹；5）淬火后未及时回火等