课程设计

前言

本书是根据学校机械装备系规定完成的毕业设计，围绕金属学与热处理基础作进一步的探讨与研究。

本书涵盖了机械类的工程力学、机械原理、金属学与热处理、焊接技能实训、热处理设备的应用等课程的主要知识，并对热处理工艺深一步研究。本书在编写过程中，既注重机械行业的基本知识，用尽量避开繁琐的公式推导，既注重热处理专业知识又注重实际生产与应用，更加增强了学生了思考能力，强化了工程应用，具有较强的实践能力和动手能力培养的可操作性。

本书在编写和审核过程中，得到了各参编老师及同仁的大力支持与热情地帮助，在此一并表示衷心的感谢。

由于编者水平有限时间仓促，书中不妥之处恳请读者批评指正。

编者

目录

前言

第1章蜗轮刀热处理工艺规程

1.1 结构图................................... 错误！未定义书签。

1.2 的工作条件和性能要求 (3)

1.3主要失效形式 (3)

1.4对的热处理技术要求 (3)

1.5、确定工件材料及最终热处理方式 (3)

1.5.1切削部分 (3)

1.5.2柄部 (4)

1.6 的热处理工艺制定 (5)

1.6.1加工过程 (5)

1.6.2制定热处理主要工序的工艺规程 (6)

1.7热处理缺陷及防止措施 (9)

1.8 热热处理过程中的质量检验 (10)

1.8.1 (10)

1.8.2 (10)

热处理工艺卡

第2章热处理工艺规程............... 错误！未定义书签。

2.1 .............................................. 错误！未定义书签。

2.2 .............................................. 错误！未定义书签。

2.3 .............................................. 错误！未定义书签。

1.1结构图

1.2蜗轮刀的工作条件和性能要求

圆弧齿带柄蜗轮滚刀在切削过程中刃口受到一定的切削压力。刃部与工件之间产生很大的摩擦力，工作一段时间后，刃口就会变钝。同时，由于摩擦作用将产生的大量的热量，引起刃口部分温度升高。再加上刃部被金属包围，散热难，升温快，磨损大，零件的硬度越高，切削用量越大，切削速度越快，则单位时间内产生的热量越高，刀具的温度也就越高，有时可达（500～600）℃。刃口部温度的高低是影响刀具性能和使用寿命的重要因素。所以蜗轮滚刀主要承受高的压应力、轴向力、扭转力和弯曲力以及很大的摩擦力和较小的冲击力。

为了切削加工，要求刃部要有较高的硬度、耐磨性及热硬性，刃部硬度在（63～66）HRC，热硬性在600℃时硬度在（61.5～62）HRC；柄部回火后硬度在（38～45）HRC。

1.3主要失效形式

由于摩擦力的作用使刃口变钝；它在切削金属时受较大的轴向力、扭转应力和弯曲应力，从而使蜗轮滚刀产生折断、崩刃等失效。故要求蜗轮滚刀有以下性能：高的硬度≥60HRC，刀具使用中不能变形。高的耐磨性，保证工件加工精度。高的热硬性≥600℃的温度下使用。高的硬度和适当的韧性，使用中不发生折断和崩刀现象。

1.4对蜗轮刀的热处理技术要求

（1）切削部分含碳量大于0.7%。

（2）切削部退火后硬度（207～255）HB、回火后（63～66）HRC，柄部回火后（38～45）HRC

（3）切削部热硬性600度时（61.5～62）HRC。

1.5确定工件材料及最终热处理方式

1.5.1切削部分

工具钢按化学成分可分为碳素工具钢、合金工具钢和高速钢三大类。与高速钢相比较，碳素工具钢价格较低，但热硬性较差，工作温度不大于250℃，淬透性低；而合金钢虽然比碳素钢热硬性好些，可工作温度也只能再300℃以下。由于本工件是在大负荷

高速切削和大进刀量的快速切削。这就要求刀具材料必须有高的热硬性及耐磨性，碳素工具钢及合金工具钢不能适应这些要求。生产实践证明，高速工具钢的切削速度比碳素钢和低合金钢高1～3倍，而耐用性增加7～14倍。高速工具钢中以钨系高速钢产量最多，故选用W18Cr4V为切削部分用钢。

表1-1 W18Cr4V的成分（%）

表1-2 W18Cr4V经（1200～1300）℃淬火、回火后的硬度、热硬性

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表1-3 W18Cr4V的临界点温度（℃）

技术要求，采用高温淬火后（550～560）℃多次回火。

经机械加工成型后，刀具所需要的硬度、强度、热硬性、耐磨性等使用性能均要经过淬火和回火获得，淬火是热处理的关键。但是回火是淬火后不可缺少的重要工序，因为淬火后的组织处于不稳定状态，内应力大，硬而脆。如果道具不经回火使用会发生崩刀、折断等现象，为了消除淬火应力，稳定组织，减少残余奥氏体，达到所需要的使用性能，所以均要进行（550～560）℃的多次回火。在考虑其工艺性和经济性的同时选择合适的刀具钢和正常的热处理工艺。

1.5.2柄部

柄部常用钢为45＃或40Cr，与40Cr相比较45＃碳素钢的性能较差，只能满足一般性能，但价格低廉，加工和焊接性较好，由于柄部受载荷不大，故选用45＃碳素钢。

表1-4 45＃的成分（%）

为了节约高速钢，非切削部分使用结构钢，根据技术要求，采用调质。调质的目的是得到柄部所需性能。选择合适的结构钢，在正常处理后，可达到（38～45）HRC的要求。

1.6 蜗轮滚刀的热处理工艺制定

1.6.1加工过程

锻造（高速钢）→退火→毛坯对焊→退火→机械加工成型→刃部淬火、回火→检查（硬度、金相）→柄部调质处理→检查（硬度）→校直→喷砂→防锈→最后检验（外观、硬度及挠度）→研磨后检查入库。

（1）锻造：

高速钢属于亚共晶钢，高速钢铸态组织和化学成分是极不均匀的，且有骨骼状的莱氏体，应先经过锻造，打碎骨骼状共晶碳化物，改善碳化物不均性。同时在锻造过程中，利用扩散作用是钢的化学成分趋于均匀。

（2）退火：

高速钢的退火是消除锻造应力，降低硬度，为下一步切削加工做准备。

（3）对焊：

连接刀具切削部分和柄部的最好方法是对焊。对焊是在对焊机上把两个毛坯的端部加热溶化然后焊接在一起。高速钢坯料对焊后进行退火，这是因为工件经过焊接以后焊缝中存在很大的组织应力及热应力，而且焊缝及热影响区的金相组织又与其余部分不一致，这样将导致焊接后的机械加工发生困难，同时也使淬火后易产生挠曲及开裂等缺陷。为了防止这些缺陷的产生，在焊接后应当进行退火。

1.6.2制定热处理主要工序的工艺规程

（1）刃部（W18Cr4V）高速钢：

①退火，等温球化退火

表1-6退火，等温球化退火的选择

到的组织为细珠光体加粒状碳化物。硬度：（207～255）HB。

选用的设备为RX2-25-13电阻炉，间隔平放，出炉时用铁钩。控温仪表采用EWY-103A园图电子电位差计。

②淬火

淬火通常包括预热、加热和冷却三步工序。淬火目的是增强工件的硬度及耐磨性。

淬火预热，由于高速钢含有较多的合金元素，导热性差，而且高速钢的淬火加热温度高，如果刀具直接加热至高温时，内外温差大，造成很大的热应力，使刀具在加热过程中产生变形。此外预热还可以防止和减少刀具在高温下的氧化和脱碳。

根据任务书要求，切削部分回火后（63～66）HRC，柄部回火（38～45）HRC高速钢的淬火温度高，可能产生的热处理缺陷很多，要细心谨慎操作！

淬火预热是指高速钢在加热前，常采用二次或三次预热来减小加热变形和氧化脱碳。第一次预热常用空气炉，预热温度为（500～550）℃，1～2min/mm，t1预=36x1.67=60min。第二次和第三次预热温度在（800～850）℃的盐浴炉中24s/mm进行。工作前校正炉子以防止盐浴的氧化脱碳。

须选用的设备为RX2-25-13型号的电阻炉，其最高温度为1350℃、外形尺寸为1500x1450x1850mm、炉内尺寸为600x250x300mm、装炉量为120kg，使用时须间隔平放，出炉时用铁钩。控温仪表采用EWY-103A园图电子电位差计。

淬火加热温度的确定：淬火加热温度应能最大限度地使合金元素溶于奥氏体中，同时又不使奥氏体晶粒过分长大，使其能够获得既有较高的硬度、热硬性，又有较好的塑性和韧性。因此W18Cr4V加热温度（1250～1300）℃。

因蜗轮滚刀是以高硬度和高热硬性为主，因此W18Cr4V加热温度取上限1280℃。淬火介质为油。

淬火加热时间确定：既能使合金碳化物充分溶解，又不使晶粒过分长大，盐炉加热时间系数为（8～15）s/mm。由于蜗轮滚刀尺寸较大，因此加热时间取下限，即：t=8x36x1.4=7min。

须选用的设备为100KW埋入式电极盐浴炉（外形尺寸1122x1064x854mm、炉膛尺寸350x300x592mm、装炉量6个）控温仪表选用DRZ-100型控温仪表。

淬火冷却方式：高速钢刃具的淬火性好，可采用油—空双液淬火或盐浴分级等温淬火。由于蜗轮滚刀形状复杂，为了减少变形和开裂，提高刀具的强度、韧性和切削性能采用的分级等温淬火。

第一次分级冷却温度（600±20）℃，停留时间为t=8x36x1.4即t=7min。

第二次分级冷却温度（375±25）℃，停留时间为t=8x36x1.4即t=7min。

盐浴为：20%NaCl+50%BaCl2+30%KCl。再投入（260±20）℃硝盐保持3小时空冷。

须选用的设备为50KW低温盐浴炉（外形尺寸1122x1064x854mm、炉膛尺寸350x300x592mm、装炉量6个），控温仪表选用DRZ-100型控温仪表。

高速钢的淬火后的组织为：马氏体和残余奥氏体加合金碳化物。

③清洗

清洗的主要目的清除刀具上面的盐分，避免残盐对刀具的腐蚀麻点。

须选用的设备为热水槽。数量6个，水温100℃。

④回火

为了消除淬火应力，稳定组织，减少残余奥氏体，达到所需要的使用性能，高速钢均要进行560℃保温1小时的三次回火。

回火温度的确定一般以获得最高的二次硬度，促进残余奥氏体充分转变和消除内应力为原则。回火温度（540～570）℃，保温时间1.5～2小时，3～4次回火。（经等温淬火的需4次回火），选560℃三次回火，回火硬度63HRC以上。（第一次回火前经400℃，30分钟的预热，目的是防开裂。每次回火后，都要在空气中冷至室温，再进行下一次回火，否则残余奥氏体消除不彻底，影响加工质量）

回火时间为硝盐炉1～1.5小时。

高速钢回火后的组织:回火马氏体和小颗粒状碳化物。

须选用的设备为RJJ-36-6低温井式回火炉。装炉量13个。控温仪表选用DRZ-100型控温仪表。

⑤检查

须检查设备洛氏硬度计。检查部位为刃部，测量其硬度值。

（2）滚铣刀（W18Cr4V）刃部热处理工艺曲线：

①柄部（45＃）调质处理：

淬火：温度Ac3+（30～50）℃，柄部未得到较好的机械性能，淬火尽量考虑提高淬透性，保证细晶粒前提下尽量选较高加热温度。故温度为（780+50）℃即830℃。

加热系数0.3～0.4/mm则保温时间t =0.35x29x1.4=14min。

冷却介质为水，这是因为碳钢的淬透性差。淬火后高温回火，使工件有良好的韧度。

须选用的设备为45千瓦盐浴炉，介质为50%NaCl+50%BaCl2。控温仪表选用WY-14型控温仪表。

回火:回火目的是消除应力，稳定组织，调整性能。

回火温度一般根据工件要求的硬度确定。因为当回或温度范围为（350～450）℃左右时，回火后的组织为回火屈氏体，硬度范围在（37～48）HRC。故选用回火温度为400℃，即满足柄部硬度（38～45）HRC。

井式回火电阻炉加热系数 1.0～1.5min/mm，附加时间一般为10～20min，则t保=ad+b=1.5x29+16.5=60min，即1小时的回火保温时间。空气中冷却。

须选用的设备为RJJ-36-6电阻炉，装炉量13个。控温仪表选用DRZ-100型控温仪

表。

检查：检查柄部硬度。设备，硬度计。

喷砂：其目的是去除铁锈氧化皮，起清洁作用。设备使用喷丸机。

滚铣刀（45＃）柄部工艺曲线：

图1.2 滚铣刀柄部（45＃）热处理工艺曲线

1.7热处理缺陷及防止措施

（1）萘状断口

萘状断口终断温度太高和变形量太小，接近临近形变。重复淬火前未经过中间退火或退火不充分。

防止措施须终断温度不能高于1000℃。毛坯摧毁前应充分退火。

（2）腐蚀

盐浴炉中有硫酸盐、硝酸盐杂质。高温出炉在空气中预冷时间太长，与空气中氧接触产生斑状麻点。

防止措施为严格控制热处理用盐的纯度，不允许有杂质混入，刀具要清洗干净，刀具喷砂。

（3）硬度不足

①淬火温度低于下限温度，加热时间短，马氏体含量低。

②预热时间短温度低，时间短。

③回火温度高，回火次数少。

④锻造和热处理过程中脱碳。

⑤分级等温温度过高，等温时间太长。

措施：高速钢分级淬火不高于650℃，采用防止氧化脱碳的措施。备：残余奥氏体

多可通过冷处理提高硬度；退火后重新淬火；脱碳层超过磨削量的工件，做次品或废品处理。

（4）氧化和脱碳

①盐浴中水、氧以及硫化物、硫酸盐、碳酸盐等杂质作用。

②氧化皮掉落在盐浴中。

③盐浴脱氧不良，捞渣不彻底。

④淬火夹具有铁锈。

措施：经常清洗电极和淬火夹具；定期更换旧盐。

1.8 热处理过程中的质量检验

1.8.1 高速钢：

高速钢淬火后硬的硬度HRC≥63；淬火后晶粒度的级别为8～9既可。

过热情况检验：一般刀具不允许过热。允许的过热程度为碳化物形状改变，沿晶界呈现半网状析出。

回火程度检验：侵蚀剂为4%硝酸酒精溶液，侵蚀温度为25℃，寝室时间为90秒。回火后的金相组织中不应看出晶界或白色的淬火马氏体。回火程度要求为充分。正常回火后基体组织为黑褐色。

1.8.2 柄部：

热处理过程中的检验：淬火后应进行质量检查，硬度≥45HRC，外观不应有裂纹。

最终检验：目测表面不应该有裂纹，碰伤，一般抽检率在15%左右硬度用布氏硬度机检查，其值应为（38～45）HRC，一般抽检率在10%左右。

沈阳职业技术学院毕业综合能力考核

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