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 (1)

3.1 设计任务 (1)

3.2 设计方案 (2)

3.2.1 12CrNi3叶片泵轴的设计的分析 (2)

3.2.2 钢种材料 (2)

3.3设计说明 (3)

3.3.1 加工工艺流程 (3)

3.3.2 具体热处理工艺 (4)

3.4分析讨论 (11)

第四章

结束语 (13)

参考文献 (14)

12CrNi3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3.1 12CrNi3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 3.1 12CrNi3钢的化学成分

C Si Mn S P Cr Ni Cu

化学成

分

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Ac

3

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：

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）温

度

/

℃

RX3-15-9 15 950 380 3 650×300

80

×250

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

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：

图3.3 工装主视图、俯视图尺寸图

型号

额定功率额定温度额定电压相数 工作区尺最大装载质量RQ3-25-9 25 950 380 3 ф300×450

50 1700 RQ3-35-9 35 950 380 3 ф300×600

100 1850 RQ3-60-9 60

950

380

3

ф450×600

150

2650

103700/T

800√t

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/min 3.2.3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。

① 12CrNi3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Ac 1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。

o

温度/℃

时间/h

煤油/（滴

/min

甲醇/（滴

淬火加热温度

+（30-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Ac

1

+（30-50）℃，且一般在空气炉中加热比在盐浴50）℃；亚共析钢的加热温度为Ac

3

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/ 633 460 490

特性时间/s 2.25 4.8 4.75

800400冷却/s 3.15 5.05 5.25

800300冷却/s 4.55 7.2 8.85

加热与保温时间

炉中的工件应在规定的加热温度范围内保持适当的时间，以保证必要的组织转变和扩散。加热与保温时间一共有三部分组成：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。

常用的经验公式为：τ=α2K2D 式中：τ——加热时间，min；

α——加热时间系数，min/mm； K——装炉量修正系数；Ｄ——工件有效厚度，mm。

对于圆柱形工件的有效厚度，但高度大于直径时，可按直径为有效厚度进行计算，图１中的工件的毛坯直径为40mm，即工件的有效厚度为Ｄ＝40mm，加热系数α和装

炉修正系数Ｋ见下表，对于12CrNi3合金渗碳钢，α＝1.2，Ｋ＝2.0，则τ＝12×1.32×40≈30min ，考虑到透热之后，因而我选择0.5h 的保温时间[4]

。 ②12CrNi3叶片泵轴的低温回火 回火温度

低温回火温度为180℃，保温1h 。回火中的主要组织为回火马氏体。回火马氏体既保持了钢的高硬度，高强度和良耐磨性，又适当提高了韧性。经淬火并低温回火后得到隐晶回火马氏体和均匀细小的粒状碳化物组织，具有很高的硬度和耐磨性，同时降低了钢的淬火应力和脆性[5]

。 回火时间

从工件入炉后炉温升至回火温度时开始计算。回火时间一般为1-3h ，

本设计中的零件的有效厚度为40mm ，选择回火炉为井式电炉，与渗碳炉使用一种炉。回火保温时间如图表3.5

表3.5 回火保温时间参考

低温回火（150-250℃） 有效厚度/mm

＜25 25-50 50-75 75-100 100-125 125-150 保温时间/min

30-60 60-120

120-180

180-240

240-270

270-300

回火工艺曲线如图3.5：

图3.5 回火工艺曲线

温度/℃

时间

/h

3.2.4 热处理后检验方法

外观检测和方法选择

工件表面不能有淬火裂纹,锈蚀和影响使用性能的缺陷。一般通过磁粉探伤或其他无损检测设备。

金相组织检验

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。

表面淬火后的金相组织按马氏体大小分为10级，4到6级是正常组织，为细小马氏体，1到3级是粗大或中等大小的马氏体，因淬火加热温度偏高引起，7到10级组织中有未溶铁素体或网状托氏体。之后用金相显微镜观察，确定所属等级。

3.2.5 热处理工艺曲线图

时间/h

图3.6 热处理工艺曲线总图

4.分析与讨论

4.1 材料的组织性能

12CrNi3钢在860℃第一次淬火加热时，碳化物的熔解少，基体的含碳量在0.10%-0.17%左右，Cr在0.6%-0.9%，硫和磷的碳化物熔解更少，Ni为主要元素。12CrNi3叶片泵轴由900℃～920℃渗碳→780℃～800℃油淬→(-40℃)～(-70℃)冰冷处理→150℃～200℃回火（低温）后，渗碳层硬度HRC≥58。渗碳层碳化物扩散层较浅，约0.15mm。淬透性d≤50mm，心部组织较粗大。渗碳层碳化物扩散层较深，约0.30mm～0.45mm，渗碳层硬度由表及里递减平缓，心部组织较细小。明显的变形量产生于热处理工序，尤其是在渗碳淬火冷却过程中，渗碳淬火处理时，稍有不慎会受到一些不良因素的影响，使工艺加工质量出现异常波动，未及时发现就可能造成这一天加工的整批泵轴变形超差，甚至全部报废。需要着重控制的几个主要因素是：

①渗碳轴的表面碳浓度，渗层深度会对渗层组织的膨胀系数产生影响，渗碳轴的表面碳浓度、渗层深度不同时，其公法线的变形就不一样。如果渗碳时不对炉气碳势及工艺过程进行严格控制，每炉零件的表面碳浓度、渗层深度都不一样．而且波动很大，就会造成轴变形没有规律。

②装炉方式：工件各部位冷却的不同步，决定了工件存在内应力，在一定条件下会产生变形。

③淬火温度：共渗温度与淬火温度对变形有很大影响，共渗温度与淬火温度越高，花键孔的收缩量越大，且淬火温度的影响更明显。这是因为淬火温度越高，产生的组织应力越大、变形越大，但淬火温度不宜过低，否则共渗层会出现非马氏体组织，对零件的性能不利。

④淬火介质：淬火介质的冷却特性是影响泵轴缩孔的重要因素。如果能合理地选择淬火介质，可把淬火泵轴的缩孔控制在工艺，条件规定的范围内。通过长期摸索，得到合适的热处理工艺，可以将变形量控制到最小。

4.2 热处理缺陷分析

硬度过高，其产生的可能原因：①冷却速度快，组织中珠光体片间距变细，可以通过调整冷却方式或冷却介质来预防；②保温时间短，组织均匀化为完成，可以适当延长保温时间；③装炉量大，炉温不均匀，可以适当减小装炉量。重新退火，严格控制工艺参数，可消除硬度过高缺陷

过热及过烧，其产生的原因如下：加热温度过高，使晶界氧化或局部熔化。防止措施：（1）防止零件在加热过程中产生过热现象，根据选用的设备制定正确合理的热处理工艺参数；（2）在操作过程中严格控制加热温度、保温时间，或采取预热等降低加热速度的措施，尽可能消除晶粒长大的因素。

氧化、脱碳，产生原因：加热时炉温较高，过剩空气量大，炉内气氛呈氧化性。对策：①避免加热温度过高，避免保温时间过长②控制炉气为中性或还原性气氛③铸件表面涂防氧化涂料或石灰④采用防护罩或铁屑、木炭，将铸件与炉气隔离

裂纹，产生原因：①铸件入退火炉前有较大内应力；②铸件入炉时炉温过低，或低温时加热速度过快，产生的热应力较大。对策：严格控制入炉温度，低温阶段加热速度应缓慢

变形，产生原因：①支垫不良（支点少，未垫实）；②加热温度不均匀，冷速过快，热应力过大；③摆放不正，或工件与工件互相挤压；对策：①合理增加支点，仔细垫实；薄壁箱体类件上部避免压工件；②铸件成垛装炉，支垫面不得有飞边、毛刺、凸起物；③入炉前，先划线检查；装炉时，针对变形情况支压④刚出炉件不得吊放在风中冷却。

回火缺陷的原因和控制

回火硬度偏高：由于回火不足，即回火温度低、回火时间不够。可以提高回火温度、延长回火时间来解决。

回火硬度低：由于温度过高或淬火组织中有非马氏体。可以降低回火温度和淬火工艺来解决。

回火硬度不均匀：回火炉温不均、装炉量过多造成。

网状裂纹：回火加热速度过快，表层产生多项拉应力。可以采用较慢的回火加热速度。

回火开裂：淬火后未及时回火形成显微裂纹。可以减少淬火应力，并在淬火后及时回火。

四.结束语

通过分析可知，12CrNi3钢经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，但该钢有回火脆性倾向和形成白点的倾向。目前导致模具损坏的因素很多，但主要的还是锻造工艺或热处理工艺不尽合理而造成的。12CrNi3是高级渗碳钢，与15Cr、20Cr钢相比，其强度、塑性、淬透性均高。主要用来制作重负荷条件下要求高强度，高硬度和高韧性的主轴及要求中心韧性很高或承受冲击负荷、表面耐磨、热处理变形小的轴、杆以及在高速和冲击负荷下工作的各种传动齿轮、调节螺钉、凸轮轴。零件的综合性能处理与组成其本身的元素基体外，最主要的影响因素是热处理工艺。通过良好的热加工工艺，可以有效的将合金材料的综合性能提高。从而使零件的寿命得以延长，从而获得更好的效益。

参考文献

[1] 陈光等. 航空燃气涡轮发动机结构设计. 北京：北京航空学报出版社，1988

[2] 徐颖强.赵宁.吕国志.航天硬化泵轴材料性能研究.机械科学技术，2002,21 （4）:602～606

[3] 崔忠圻.覃耀春.金属学与热处理，2007,5：123～124，283～284.

[4] 陈宗民．统计方法在铸造工序及产品质量中的应用[J].铸造设

备研究，2003，f51：22～25．

[5] 杨满.实用热处理技术手册，机械工业出版社，2008,6： 119-120

[6]热处理标准化技术委员会.金属热处理标准应用手册.机械工业出版社.1994-8

[7]吉泽升，张雪龙.热处理炉.哈尔滨工程大学出版社.1999-1

热处理工艺卡产品型号12CrNi3叶片泵

轴

零（部）件图号A3 产品名称叶片泵零（部）件名称叶片泵轴

简图：材料牌号12CrNi3 零件重量1kg

工艺路线锻造→正火→机加工→渗碳→淬火→回火→矫直→机加工

技术条件检验方法

硬化层深度0.7-1.0mm 金相法检测

硬度58-63HRC 洛氏硬度检测58-63HRC合格

金相组织表面：回火M+碳化物

心部：P

光学金相显微镜

力学性能表面高硬度高耐磨性，心

部韧性好

维氏检测

允许变形量≤0.15mm 同轴度检验

工序号工序名称设备装炉方式

及数量

装炉

温度℃

加热

温度℃

加热时间

h

保温时间

h

冷却工时

（h）

介质温度℃时间h

1 正火RX3-15-9 随挂具装

炉

12个/批室温920 2 2 空气室温- -

2 渗碳RQ3-60-9 930 930 - 4 空气800 - -

3 淬火淬火槽800 800 - 0.5 油室温- -

4 回火RQ3-60-9 室温180 0.

5 1 空气室温- -

编制人周万宇编制日期2015.12.25 审核日期2015.12.25

1