热处理课程设计

.课程设计(说明书) 38CrMoALA锥齿轮热处理工艺设计学院：机械工程学院专业：材料成型及控制工程姓名：郭素墨学号：1012012120指导教师：姜英老师2013年7月目录一.热理处工艺课程设计的目的 (3)二.热处理工艺课程设计的任务 (4)三.材料论证 (4)四.正火 (6)五.调质 (13)六.去应力退火 (22)七.渗氮 (24)八.设计说明书的内容 (31)九.心得体会 (33)十.主要参考书 (33)一、热处理工艺课程设计任务书（09）学院机械工程学院专业材料成型及控制工程学生姓名郭素墨班级学号1012012120设计题目38CrMoALA 锥齿轮热处理工艺设计设计任务：技术要求材料：齿轮模数：2齿数：181、材料调质230—260HBS；2、渗氮层深0.2mm,表面硬度：950—1200HV。

指导教师（签字）年月日主管院长（签字）年月日二、热处理工艺课程设计的目的热处理工艺课程设计是材控专业热处理方向学生的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热处理知识去解决工程问题的能力，并使所学知识得到巩固和发展。

2、学习热处理工艺课程设计的一般方法，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。

三、选材论证牌号：38CrMoAl表138CrMoAl的元素含量及临界温度元素含量%临界温度℃C：0.38，Si：0.42，Mn:0.46，Cr：1.38，Mo：0.23，Al：0.28Ar1：675；Ac1：760，Ac3：885，Ms：360据美国相关资料对931个齿轮失效方式及原因统计结果表明，疲劳断裂占此轮总数的36.8%,约1/3以上，据首位，过载断裂约占24.4%，次之，这两项加起来断裂失效总计占61.2%，是齿轮失效的主要形式；其次是表面疲劳破坏，占总数的20.3%，而齿面磨损占总数的13.2%。

38CrMoAl是合结钢的其中一种,国内执行标准GB/T3077-1999。

38CrMoAl 是一种专用氮化钢,经过热处理和精加工后的38CrMoAl圆钢具有很高的表面硬度、耐磨性及疲劳强度,并具有良好的耐热性及腐蚀性38CrMoAl是钢中应用最广泛的钢，该钢经渗氮处理后，可获得恒的硬度，耐磨性好，具有良好的淬透性。

加入Mo后，抑制了材料的第二类回火脆性，心部具有一定的强韧性。

处理后尺寸精度高,通常38CrMoAl氮化后的表面硬度在920HV以上,预处理为调质(通常调质硬度要求≥260HB,262~302HB)。

38CrMoAl氮化速度较快,可以得到较深的氮化层深度,但氮化层的脆性相对较大,淬透性不高,因而不太适合制作承受冲击很大的零件。

表2齿轮选材序号齿轮种类性能要求钢材1低速低载：变速器齿轮挂轮架齿轮车溜板齿轮耐磨性为主，强度要求不高45、50、552中、高速，中载：车床变速器齿轮钻床变速器齿轮磨床齿轮、变速器齿轮高速机床进给箱变速器齿轮较高的耐磨性和强度40Cr、42CrMo42SiMn38CrMnAl38CrMoAl25Cr2MoV3高速，中、重载，有冲击载荷：机床变速器齿轮龙门铣电动机齿轮立车齿轮高强度、耐磨及良好的韧性20Cr20CrMo20CrMnTi20CrNi2Mo12CrNi34大断面齿轮高的淬透性35CrMo42CrMo50Mn260Mn2钢的缺陷：钢的低倍缺陷及其对性能的影响，钢的低倍缺陷有很多，常见的有以下几种：（1）疏松钢锭在凝固的过程中，由于枝晶之间区域内的熔体最后凝固收缩，以及放出气体导致产生许多细小孔隙和气体而造成的不致密性，称为“疏松”。

严重的疏松会使钢在锻造、轧制或热处理时产生破裂，降低刚的塑形与韧性，对零件的粗加工也有影响。

（2）偏析合金金属中各个区域化学成分的不均匀发布，称为“偏析”。

在化学成分上偏析带上杂质的含量较基体偏高，其中中碳钢最为明显。

一般来说，合金钢比较容易产生偏析，且比较严重。

合金钢中，由于合金的加入，使钢的流动性降低，气体析出更加困难，所以更易出现点状偏析。

（3）白点白点是钢中的内裂，白点主要出现在含有Cr、Ni、Mo、Mn等合金元素的钢中。

为此，在实际生产中，可在两方面采取工艺措施：一是在炼钢或浇注时，将钢中的氢少至最低限度；二是在固态下利用热处理方法减少钢中的氢气。

如采取等温退火或正火或高温回火的方法去氢处理。

（4）裂纹（内裂）金属局部破裂，称为裂纹。

它是在应力作用下某些薄弱部分发生局部破裂而形成的一种极不稳定的缺陷。

裂纹两侧凸凹不平，而且多数尾部是尖锐的。

发纹是钢中夹杂和气孔等缺陷在加工时延伸留下来的，表现为沿钢材的加工方向类似为头发丝般粗细的裂纹。

四．确定工艺路线、正火工艺流程：锻造→正火→粗机械加工→调质→半精机加工→去应力退火→精加工→渗氮→成品。

选用正火的原因：消除锻造应力，均匀组织、细化晶粒，改善。

因为正火主要用于碳钢铸、锻件，因为38CrMnAl含碳量为0.38%，且是锻件，故选用正火。

正火的目的：在于消除其锻件常存在晶粒粗大或晶粒大小不均匀等组织缺陷及内应力，使钢的强度、塑性和韧性达到技术要求即均匀组织、细化晶粒、消除内应力、改善切削加工工艺和表面加工质量等，为最终热处理做好组织准备。

经过锻打，材料其存储了大量变形能，增加了其内部组织的不稳定性，有向低能量状态转化的趋势；并且38CrMoAl中含有大量Cr、Mo、Al等使C曲线右移的元素，材料在淬火的过程中有往往会形成贝氏体，为了减少或抑制贝氏体的形成，在淬火之前先采用正火做预处理。

目前，防止白点的方法，主要是减少钢中的氢气，为此，在实际生产中，可在两方面采取工艺措施：一是在炼钢或浇注时，将钢中氢气减少至最低限度，二是在固态下利用热处理方法减少钢中的氢气。

如采取锻后缓慢冷却、等温退火或正火加高温回火的方法进行去氢处理。

4.1加热温度表338CrMnAlA钢工艺参数选择：940℃理由：因为38CrMnAlA钢是亚共析钢，其温度为Ac3+30～50℃；且其Ac3为885℃，故可选温度为940℃。

这样既可以细化晶粒，又有助于奥氏体成分均匀化，以改善切削加工性能并未淬火作良好的准备。

4.2加热方法选择：随炉温加热。

理由：随炉加热可以节省时间，减少工件在加热过程中的温差。

4.3加热速度正火加热首先是要得到奥氏体，就必须将材料加热到Ac3或Ac1以上30~50。

因为对于亚共析钢来说，若加热温度低于Ac3，则加热状态为奥氏体与铁素体二相组成，正火冷却后铁素体保存下来，使得淬火后硬度不均，强度下降。

Ac3以上30~50℃的目的是为了使工件心部在规定加热时间内达到Ac3点以上的温度，铁素体能完全溶于奥氏体中，奥氏体成分比较均匀，而奥氏体晶粒又不至于粗大。

金属材料和制品加热所需时间包括从室温到炉温仪表指示所需温度的升温时间，炉料表面和心部均匀（烧透）所需的均热时间以及内外达到温度后为了完成相变（对钢而言是实现奥氏体均匀化和碳化物溶解）所需要的保温时间三个部分所需的时间，即：T 加热=t 升温+t 均热+t 保温正火的加热时间应包括工件加热到预定正火温度，并使之在该温度下完成组织转变、碳化物溶解和奥氏体均匀化所需的时间，因此包括加热的时间和保温的时间。

当把升温时间和保温时间分别考虑时，由于正火温度高于相变温度，所以升温时间包括相变重结晶时间。

保温时间实际上只要考虑碳化物溶解和奥氏体成分稳定化所需的时间即可。

在具体的生产条件下，正火加热时间常用经验公式计算，常用的经验公式是：t=α*K*D 式中t—加热时间；（min）α—加热时间系数；（min∕mm）K—装炉修正系数；D—零件有效厚度；（mm）加热系数表示工件单位厚度需要加热的时间，其大小与工件尺寸、加热介质和钢的化学成分有关。

当碳钢工件D≤50mm，在800~960℃箱式电阻炉中加热时，α=1~1.2（min/mm）。

合金钢是碳素钢的1.3—1.8倍，合金元素含量多，就用大系数。

但在高温时(超过1000℃)，有效厚度大的，系数取下限值；有效厚度小的，系数取上限值。

装炉修正系数K 是考虑装炉量而确定的。

装炉量大时，K 值也取得较大，一般有实验而定；工件有效厚度D 的计算，可按下述原则确定：圆柱体取直径，正方形截面取边长，长方形截面取短变长，板件取板厚，套筒类工件取壁厚，圆锥体取离小头2∕3长度处直径，球体取球径的0.6倍作为有效厚度。

通过查热处理手册得常用钢的加热时间系数装炉工件系数。

表4：常用钢的加热时间系数工件材料工件直径，mm工件装炉方式修正系数（min∕mm）<600℃箱式炉750~850℃盐炉中加热或热800~900℃箱式炉或井式炉1100~1300℃高温盐炉碳钢≤50＞500.3~0.40.4~0.51.0~1.21.2~1.5合金钢≤50＞500.45~0.50.50~0.551.2~1.51.5~1.8表5齿轮的有效尺寸如下图所示D=12mm，α=1.8，k=1.5t=α*K*D=12*1.5*1.8=32min4.4加热介质选择：氮气理由：由于加热温度过高，零件容易氧化脱碳，氮气可以很好的防护，使金属烧损、性能降低。

4.5保温时间选择：30min理由：一般可按有效厚度1.5~2.5min/mm估算，但保温时间一般不超过10h，本零件的有效厚度为12mm，故可以选择30min。

保温的目的是为了使工件热透并得到比较均匀的奥氏体。

碳素材料每25mm保温30~60min，材料尺寸每增加25mm,保温时间增加30min,合金材料保温时间比碳素钢材料保温时间长。

38CrMnAlA钢是中碳合金钢，且有效尺寸是12mm,故保温时间取20min.故升温时间可12min。

4.6工艺曲线图1完全退火的工艺曲线图操作守则：a.严格控制加热温度和时间，并尽量减轻钢件的表面氧化脱碳；b.完全退火加热并透烧后，在大量装炉情况下，随炉缓冷或控制一定的冷却速度经济出炉温度。

4.7材料的组织性能4.7.1加热温度后的组织及性能1.正常温度的组织和性能粒状珠光体，硬度较高，具有良好的综合性能。

2.加热温度不足的组织及性能片状珠光体，大量铁素体，具有较高的硬度和强度，工件有较差的韧性和塑性，且易开裂。

3.加热温度过高的组织及性能粗大的珠光体和铁素体，具有较差的强度和硬度，但韧性和塑性高，温度严重过高时，容易氧化脱碳。

4.工件尺寸因素对热处理后的组织和性能的影响工件尺寸过大，心部和表面温差大，容易开裂，并产生应力。

4.7.2保温时零件的组织转变保温时，碳逐渐融入奥氏体中，碳的分布逐渐均匀。

4.7.3冷却到室温后的组织及性能1.正常冷却后的组织及性能组织为均匀的珠光体和铁素体，综合性能良好。