40CrNiMoA拔叉齒輪熱處理工藝設(shè)計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上目錄40CrNiMoA拔叉齒輪熱處理工藝設(shè)計1 緒論1.1 熱處理工藝課程設(shè)計的意義熱處理工藝課程設(shè)計是高等工業(yè)院校金屬材料工程專業(yè)一次專業(yè)課程設(shè)計練習(xí)，是熱處理原理與工藝課程的最后一個教學(xué)環(huán)節(jié)。其目的是： 培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)的熱處理課程的知識去解決工程問題的能力，并使其所學(xué)知識得到鞏固和發(fā)展。 學(xué)習(xí)和熱處理工藝設(shè)計的一般方法、熱處理設(shè)備選用和裝夾具設(shè)計等。 進行熱處理設(shè)計的基本技能訓(xùn)練，如計算、工藝圖繪制和學(xué)習(xí)使用資料、手冊、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。1.2 課程設(shè)計任務(wù)及要求進行零件的加工路線中有關(guān)熱處理工序和熱處理輔助工序的設(shè)計。根據(jù)零件的技術(shù)要求，選定能實現(xiàn)技術(shù)要求的熱處

2、理方法，制定工藝參數(shù)，畫出熱處理工藝曲線圖，選擇熱處理設(shè)備，設(shè)計或選定夾具，填寫熱處理工藝卡。最后，寫出設(shè)計說明書，說明書中要求對各熱處理工序的工藝參數(shù)的選擇和各熱處理后的顯微組織，作出說明。1.3 熱處理工藝設(shè)計的方法熱處理工藝的最佳方案是在能夠保證達到根據(jù)零件使用和產(chǎn)品設(shè)計者提出的熱處理技術(shù)要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計的一種高質(zhì)量，低成本，低能耗，清潔，高效，精確的熱處理工藝方法。根據(jù)零件使用性能及技術(shù)要求，提出所可能實施的幾種熱處理工藝方法，通過綜合經(jīng)濟分析，確定最佳熱處理方案。確定熱處理方案后，首先應(yīng)根據(jù)零件的材料及技術(shù)要求，選擇熱處理設(shè)備，加熱溫度，保溫時間與冷卻方式。在此基礎(chǔ)上，制定編制熱處

3、理工藝規(guī)范，設(shè)計零件在有關(guān)熱處理工序使用的裝夾具及校直裝置等。最后主要編寫熱處理工序的操作守則。涉及新材料，新技術(shù)等特殊的熱處理工藝，可遵循實驗室、小批量生產(chǎn)實驗、生產(chǎn)驗證程序進行確定。2 材料的選擇和要求2.1 課題工件簡圖課題工件簡圖如圖2.1所示圖2.1拔叉齒輪的示意圖【1】2.2 技術(shù)要求齒輪齒部及30H11槽部滲氮調(diào)質(zhì)：250-280 HBS滲氮層深度：0.35-0.55mm表面硬度 ：850-950HV生產(chǎn)批量為：5件2.3 鋼材的介紹合金結(jié)構(gòu)鋼簡稱合結(jié)鋼，40CrNiMoA是合結(jié)鋼的其中一種，也稱合金鋼，它是在優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上，適當(dāng)?shù)丶尤胍环N或數(shù)種合金元素（總含量不超過5%

4、）而制成的鋼種。40CrNiMoA化學(xué)成分見表2.1。表2.1 40CrNiMoA鋼的化學(xué)成分3 （%）CMnSiCrNiMo0.370.440.500.800.200.400.600.901.251.750.150.25合金元素的作用如下：主要加入的元素是Cr、Mo、Ni，加Cr的主要目的是為了提高淬透性，并有二次硬化作用增加高碳鋼的耐磨性，還可以提高鋼的耐回火性和抗氧化性，提高鋼的熱強性。Mo的主要作用是提高鋼的淬透性，提高熱強性和蠕變溫度。并熱硬性，原因是在淬火后的回火過程中，析出了這些元素的碳化物，使鋼產(chǎn)生二次硬化。加Mn主要是降低鋼的下臨界點，增加奧氏體冷卻時的過冷度，細化珠光體組織

5、以及改善其力學(xué)性能。而Si是常用的脫氧劑，有固溶強化作用，提高鋼的淬透性，抗回火性，對改善綜合力學(xué)性能有利。2.4 40CrNiMoA鋼熱處理臨界溫度40CrNiMoA鋼熱處理臨界溫度及硬度范圍見表2.2表2.2 40CrNiMoA完全退火與正火加熱溫度及硬度范圍1相變臨界點/退火正火Ac1Ac3Ar1加熱溫度/硬度HB加熱溫度/硬度HB760810-8408802698909202202703 拔叉齒輪熱處理工藝設(shè)計3.1 拔叉齒輪加工工藝路線鍛造毛坯預(yù)備熱處理粗機械加工去應(yīng)力退火精機械加工調(diào)質(zhì)處理（淬火-高溫回火）氣體滲氮處理檢查3.2 預(yù)備熱處理等溫退火3.2.1 等溫退火目的及工藝等溫

6、退火的加熱溫度與完全退火時大體相同，冷卻時則在一下的某一溫度等溫，使之發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，然后出爐空冷到室溫。由IT圖可知，等溫退火可以縮短退火時間，所得珠光體組織，也更加均勻。具體工藝參數(shù)見表3.1表3.1 40CrNiMoA等溫退火工藝參數(shù)奧氏體化溫度/冷卻方式隨爐冷卻（）控制冷卻等溫退火由到冷速/溫度/時間/t83028704-66686498T溫度 3.2.2 等溫退火工藝曲線冷速8/h83010 64910 空冷4.5h8h0 時間/t圖3.1 等溫退火加工工藝曲線3.2.3 裝具的選擇相數(shù)為三，每次裝爐三件，每件之間有一定距離，使工件充分加熱，提高效率，裝具如圖3.2裝料口圖3.2裝具

7、3.2.4 熱處理爐的選擇根據(jù)工件的尺寸和重量，選擇高溫井式電阻爐，設(shè)備的技術(shù)參數(shù)見表3.2表3.2 RJ2-40-9型中溫井式電阻爐參數(shù)2型號RJ2-80-12額定功率/KW80額定電壓/V380額定溫度/1200相數(shù)3工作空間尺寸（直徑深）/mmmm8001000空路升溫時間/h3空路損耗功率/KW17最大裝載量/kg8003.2.5 檢驗：檢驗金相組織和硬度，方法見表3.3表3.3 檢驗方法4項目技術(shù)要求檢驗方法金相組織均勻珠光體用金相顯微鏡檢查，亞共析鋼等溫退火后的組織是鐵素體+珠光體，共析鋼是珠光體，過共析鋼是珠光體+滲碳體硬度硬度223HBS在模具試樣零件側(cè)面選取某點用布式硬度機測

8、量其硬度值是否達標(biāo)脫碳檢驗零件單面脫碳層深不大于加工余量度的1/3檢驗方法見GB/T224-1987鋼的脫碳層深度測定法規(guī)定進行變形檢驗變形量應(yīng)不影響其后的機械加工和使用性能工藝規(guī)定對拔叉進行測量3.3 淬火工藝3.3.1 淬火的目的以及工藝參數(shù)是使過冷奧氏體進行馬氏體或貝氏體轉(zhuǎn)變，得到馬氏體或貝氏體組織，然后配合以不同溫度的回火，以大幅提高鋼的強度、硬度、耐磨性、疲勞強度以及韌性等，從而滿足各種機械零件和工具的不同使用要求。淬火溫度：85010依據(jù)：Ac3+（3050）。加熱方法：采用當(dāng)爐溫加熱到850時，將工件裝進熱處理爐進行加熱。原因是加熱速度快，節(jié)約時間，便于批量生產(chǎn)。保溫時間： 4.

9、5h選定依據(jù)：加熱時間可按下列公式進行計算：t=KD4t為加熱時間（min或h）。為加熱系數(shù)3，合金鋼空氣電阻爐取1.3 1.6 min/mm，這里取1.5min/mm。D為零件有效厚度：其中D為160mm。K為裝爐條件修正系數(shù)3，通常取11.5，這里取1。由公式可知， t=KD=1.51.0160=240min，取4h。3.3.2 冷卻方法由于工件淬火溫度較高，淬火介質(zhì)選用油質(zhì)淬火劑，不會由于工件與油的接觸導(dǎo)熱提高油溫而降低冷卻能力。使工件能淬成馬氏體，又不致引起太大的淬火應(yīng)力。將加熱保溫后的工件，直接淬火機油中，80熱油對9001000（碳化物析出最敏感區(qū)）工件具有較快的冷卻速度。淬火后得

10、到細小晶粒的馬氏體組織。冷卻介質(zhì)為20號機械油。選擇依據(jù)：油的閃點是指油表面的蒸汽與空氣自然混合時，與火接觸而出現(xiàn)火苗的溫度，它的溫度的高低，對淬火零件的安全性有一定的影響。油的序號越高，則黏度越大，閃點越高。一般在150-300。常見礦物油的閃點見表3.4表3.4 常見礦物油的閃點油號閃點/101652017030180401903.3.3 熱處理爐的選擇根據(jù)工件的尺寸和重量，選擇高溫井式電阻爐，設(shè)備的技術(shù)參數(shù)見表3.5表3.5 RJ2-80-12型高溫井式電阻爐參數(shù)2型號RJ2-80-12額定功率/KW80額定電壓/V380額定溫度/1200相數(shù)3工作空間尺寸（直徑深）/mmmm80010

11、00空路升溫時間/h3空路損耗功率/KW17最大裝載量/kg80085010T溫度3.3.4 淬火工藝曲線0時間 t油冷4h圖3.3 淬火加工工藝曲線通過高溫回火獲得具有一定的強度、硬度和良好的韌性、塑性相配合的綜合機械性能。高溫回火，即調(diào)制處理，得到回火索氏體。具有較低的硬度、強度和較高的塑性和韌性?；鼗饻囟龋?0010，取600。保溫時間：4-5h依據(jù)：在空氣爐中回火，見表3.6表3.6 回火時間參考表4 （單位：min）零件的有效厚度/mm252550507575100100125125150高溫回火450650鹽爐103030454575759090120120150空氣爐407070

12、100100140140180180210210240注：合金鋼的保溫時間按上述表所列時間增加20-30%3.3.5 冷卻方式具有第二類回火脆性的合金鋼，經(jīng)450-650回火后在油或水中進行快冷，以免出現(xiàn)回火脆性。3.3.6 熱處理爐的選擇根據(jù)工件的尺寸和重量，選擇低溫井式電阻爐，設(shè)備的技術(shù)參數(shù)見表3.7表3.7 RJ2-55-6型低溫井式電阻爐參數(shù)2型號RJ2-55-6額定功率/KW55額定電壓/V380額定溫度/650相數(shù)3工作空間尺寸（直徑深）/mmmm700900空路升溫時間/h1.2空路損耗功率/KW7.0最大裝載量/kg7503.3.7 高溫回火工藝曲線T溫度60010圖3.4回火

13、加工工藝曲線4h油冷0時間 t 3.3.8 得到的組織得到回火索氏體，具有較低的硬度、強度和較高的塑性和韌性。3.3.9 檢驗需要檢驗金相組織、表面和心部硬度、工件的抗壓強度，見表3.8表3.8 檢驗方法4項目技術(shù)要求檢驗方法金相組織細小、均勻的回火索氏體組織用金相顯微鏡檢查硬度檢驗250280HBS通過加載將鋼球壓頭壓入被檢測的金屬零件表面，根據(jù)單位壓痕面積上所受的負荷大小來確定硬度值。 HB=P/F=P/Dt F：凹陷壓痕的面積 t：壓痕凹陷的深度檢測面應(yīng)是光滑平面?？箟簭姸葯z驗有一定的抗壓強度，bc150MPa試驗在普通萬能材料試驗機進行，當(dāng)對工件施加到150Mpa壓力時，仍未開裂的話，

14、說明它達到技術(shù)要求3.4 滲氮3.4.1 滲氮的特點 40CrNiMoA系中碳合金鋼滲碳后，表面硬度很高，1000-1100HV，相當(dāng)于65-72（HRC），具有良好的耐磨性，這種性能可保持在600左右不下降。特別是鋁元素的加入，滲氮后表面硬度很高，耐磨性很好； 具有高的疲勞強度和抗腐蝕性 氮化處理溫度較低（450-600），零件的變形極小，氮化后滲層直接獲得高硬度，避免了淬火引起的變形。3.4.2 選擇滲氮的目的提高工件齒部高的耐磨性及一定得強度，同時心部要有一定的塑韌性。此件采用兩段滲氮工藝，就是為了縮短滲氮周期，加快滲氮速度，降低滲層脆性。3.4.3 滲氮前的熱處理滲氮本質(zhì)上是一種時效強

15、化，是在氮化過程中完成的，所以滲氮后不需要再進行熱處理，而氮化零件的心部性能是由氮化前的熱處理決定的。 氮化前的熱處理一般都是調(diào)質(zhì)處理。在確定調(diào)質(zhì)工藝時的淬火溫度由鋼的Ac3決定，淬火介質(zhì)由鋼的淬透性決定，回火溫度的選擇不僅要根據(jù)心部硬度要求，而且還必須考慮其對氮化結(jié)果的影響。一般來說，回火溫度低，不僅心部硬度高且氮化層硬度也較高，因而有效深層深度也會有所提高（具體見以上淬火、回火工藝）。3.4.4 滲氮工藝參數(shù)滲氮溫度：第一段52010，第二段 54510。選擇依據(jù)：480-570。常用510-560，滲氮溫度越高，擴散速度越快，滲層越深。當(dāng)需要去應(yīng)力處理時，最高去應(yīng)力處理溫度應(yīng)低于調(diào)質(zhì)回火

16、溫度20-30，最高滲氮溫度應(yīng)低于去應(yīng)力處理溫度20-30滲氮時間：第一段15-20h，取18 h。第二段10-15h，取15h。 選擇依據(jù)：見下表3.10氣體滲氮工藝的確定原則。表3.9 滲氮時間階段溫度/時間/h氨分解率（%）深層深度/mm1520102025-350.40-0.7025451010-1535-50氨分解率：第一段25-30%，第二段40-50%。選擇依據(jù)： 滲氮溫度一定時，氨流量增大，分解率減?。话绷髁繙p小，分解率增大。不同溫度下氨分解率的合理范圍見下表3.9表3.10 氣體滲氮工藝的確定原則滲氮溫度/500520540550560氨分解率%25-3030-3535-40

17、40-4545-503.4.5 滲氮爐中的氣氛合水0.2%的液氨，用氨直接滲氮，使用方便。選用RN-75-6井式氣體滲氮爐，井式氣體滲氮爐結(jié)構(gòu)見圖3.4，設(shè)備的技術(shù)參數(shù)見表3.11表3.11 RN-75-6井式氣體滲氮爐參數(shù)2型號RN-75-6額定功率/KW75額定電壓/V380額定溫度/650相數(shù)3工作空間尺寸（直徑深）/mmmm8001300空路升溫時間/h23.4.6 滲氮工藝曲線54510T 溫度52010180出爐保持正壓氨分解率40-50%保持壓力氨分解率18-25%15h18h時間 t0圖3.5滲碳工藝曲線圖3.4.7 滲氮后的組織表層為氮化索氏體+細小網(wǎng)狀氮化物，心部為索氏體。

18、滲氮層表面是氮化物，在100金相顯微鏡下觀察到亮白色的就是通常所說的白亮層，為化合物層，為相；次層是基體上彌散分布的相，擴散層，黑色；與中心索氏體有明顯交界的是+組織。3.4.8 檢驗檢驗，如表3.11所示。表3.11 滲氮后的檢驗方法4檢驗項目檢驗內(nèi)容與方法滲氮層深度的測定金相法：在垂直表面的方向上做一金相磨面，腐蝕后，既可在放大鏡下，也可在顯微鏡下做滲層的測定，測定為0.35-0.55mm，符合要求滲氮層硬度的測定用維式硬度計或表面化洛氏硬度計測定，為850-950HV滲氮層脆性的測定根據(jù)維式硬度壓痕的形狀來確定滲氮層的脆性，一般定義一邊或一角有碎裂為2級，測定為2級，合格原始組織滲氮前原

19、始組織為回火索氏體淬火保溫850等溫退火830T 溫度3.5 總的熱處理工藝曲線氣體滲氮一段 二段520 545180出爐油冷15h18h高溫回火6004.5h油冷8h空冷時間 t4.5h649 0圖3.6總的熱處理工藝曲線4 熱處理工序中材料的組織、性能分析4.1 淬火工藝中的組織轉(zhuǎn)變 正常加熱冷卻：工件加熱到940后珠光體轉(zhuǎn)變成奧氏體，保溫時組織不變，晶粒細化，出爐油冷至室溫時，得到馬氏體+殘余奧氏體+碳化物（少量），具有很高的耐磨性和硬度。 加熱溫度不足時，即不能完全奧氏體化，會顯著降低工件的硬度。 加熱溫度過高時，表面粗大馬氏體+過多的殘余奧氏體，心部粗大馬氏體+鐵素體+索氏體，殘余奧

20、氏體過多，零件尺寸不確定，硬度及耐磨性降低，磨削時易于開裂。 冷卻速度過大時，大量的過冷殘余奧氏體冷卻到室溫易發(fā)生分解，工件易開裂。 冷卻速度過小時，可能出現(xiàn)貝氏體轉(zhuǎn)變，表面硬度會降低，韌性增大。4.2 回火工藝中的組織轉(zhuǎn)變 正常加熱冷卻：工件加熱到650后組織為馬氏體+碳化物，保溫時組織發(fā)生分解，析出碳化物。室溫時組織為回火索氏體。硬度高，塑性有所提高，但依然較低。 加熱溫度不足時，回火馬氏體+大量的殘余奧氏體+碳化物，表現(xiàn)出明顯的脆性。加熱溫度過高時，回火索氏體或回火屈氏體，強度、硬度降低，韌性顯著提高，可能出現(xiàn)二次回火脆性。 冷卻速度過大的，大量的殘余奧氏體來不及分解，強度、硬度降低；冷

21、卻速度過小時，殘余奧氏體的含量減少，回火馬氏體的量增加，工件易開裂。4.3 滲氮工藝中的組織轉(zhuǎn)變正常加熱冷卻：表層Fe4N相高度彌散分布在回火索氏體心部,調(diào)質(zhì)回火索氏體組織?；衔飳邮怯设F和氮的金屬化合物組成的薄層。主要有、+、+Fe3C、+Fe3C和+Fe3O4等幾種形式。相是面心立方晶格的金屬間化合物Fe4N,具有足夠的耐磨性和良好的韌性。相是六方晶格的金屬間化合物Fe2-3N,具有良好的耐磨性、抗蝕性和一定的韌性。一般認為，單相的化合物層不但具有高硬度，而且具有較好的韌性，其中相的韌性又勝過相，但若出現(xiàn)混合相+的化合物層則是脆性的。在化合物層以內(nèi)，隨著氮的擴散而形成擴散層。擴散層基本由氮

22、N+Fe3C組成。5 熱處理缺陷及措施5.1 淬火缺陷及其產(chǎn)生的原因及預(yù)防措施 硬度不足產(chǎn)生原因：亞共析鋼加熱不足，有未溶鐵素體；冷卻速度不夠；在淬火介質(zhì)中停留時間不夠；氧化和脫碳導(dǎo)致淬火后的硬度降低。預(yù)防措施：正確選擇并嚴格控制加熱溫度，保留時間和爐溫的均勻性；合理選擇淬火介質(zhì)；控制淬火介質(zhì)的溫度不超過最高使用溫度；定期檢查或更換淬火介質(zhì)。正確控制在淬火介質(zhì)中的停留時間。采取防氧化脫碳措施；采用下線加熱溫度；在600左右預(yù)熱，然后再加熱到淬火溫度，縮短高溫加熱時間。 軟點產(chǎn)生原因：原材料中存在帶狀組織或大塊鐵素體組織；冷卻不均。預(yù)防措施：合理選材，對有缺陷的鋼材進行預(yù)備熱處理，以消除缺陷；加

23、熱工件與介質(zhì)的相對運動或?qū)橘|(zhì)進行攪拌；保持淬火介質(zhì)的清潔；合理選擇淬火介質(zhì)。 畸變和開裂產(chǎn)生原因：淬火過程中某一瞬間熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的綜合作用大于鋼的屈服強度時，就會產(chǎn)生畸變；當(dāng)兩種應(yīng)力的綜合作用超過鋼的抗拉強度時，則引起開裂。預(yù)防措施：合理選擇鋼材與正確設(shè)計結(jié)構(gòu)；正確鍛造和進行預(yù)備熱處理；采用去應(yīng)力退火；合理的熱處理規(guī)范。5.2 回火缺陷及其產(chǎn)生的原因及預(yù)防措施 回火硬度偏高或偏低產(chǎn)生原因：回火溫度或低或高；保溫時間短；淬火組織中有非馬氏體組織（偏低）。預(yù)防措施：提高或降低回火溫度；按規(guī)定時間保溫；改進淬火工藝，重新淬火。 硬度不均勻產(chǎn)生原因：回火溫度不均勻；裝爐量大。預(yù)防措施：采用有氣流

24、循環(huán)的設(shè)備回火；適當(dāng)減小裝爐量。 回火畸變產(chǎn)生原因：由回火內(nèi)應(yīng)力而引起。預(yù)防措施：采用回火校正法校正。 回火脆性產(chǎn)生原因：回火間脆性回火；高溫回火引起第二類回火脆。預(yù)防措施：避開第一類回火脆性區(qū)回火；高溫回火后快速冷卻。 回火開裂產(chǎn)生原因：淬火后未及時回火行程顯微裂紋，在回火過程中開裂。預(yù)防措施：減小淬火應(yīng)力，淬火后及時回火。5.3 退火缺陷及其產(chǎn)生的原因及預(yù)防措施 過燒產(chǎn)生原因: 加熱溫度過高，使晶界局部熔化。預(yù)防措施: 報廢。 過熱產(chǎn)生原因: 加熱溫度過高，使奧氏體晶粒長大，冷卻后形成魏氏組織或粗晶組織。預(yù)防措施: 完全退火。 出現(xiàn)粗大塊狀鐵素體產(chǎn)生原因: 冷卻速度太慢。預(yù)防措施: 冷卻速

25、度控制在30以上。 奧氏體析出二次滲碳體產(chǎn)生原因: 退火溫度高，在緩慢冷卻過程中二次滲碳體會沿奧氏體晶界析出，并網(wǎng)狀分布。預(yù)防措施: 過共析鋼退火溫度不可高于Accm。5.4 氣體滲氮的缺陷及其產(chǎn)生原因及預(yù)防措施 滲氮層硬度低產(chǎn)生原因：滲氮溫度高；分段滲氮時，第一階段氨分解率偏高；使用新滲氮罐時未經(jīng)預(yù)滲氮；滲氮罐久用未退氮。預(yù)防措施：校正測溫儀表，嚴格控制滲氮工藝參數(shù)；嚴格控制氨分解率；加大氨氣流量；滲氮罐每滲氮10爐后，應(yīng)在800-860空載保溫2-4h，進行一次退氮處理。 滲氮層厚度不均勻產(chǎn)生原因：爐溫不均勻；爐氣循環(huán)不暢；裝爐量太大；工件表面有油污。預(yù)防措施：注意均勻裝爐；保持間隙，保證爐氣循環(huán)暢通；合理裝爐；認真清洗工件表面。 滲氮層深度淺產(chǎn)生原因：滲氮溫度低；時間不足；滲氮第二階段氨分解率低；滲氮罐久用未退氮；裝爐量太大，爐氣循環(huán)不良。預(yù)防措施：提高滲氮溫度；保證滲氮時間；提高氨分解率，按第二段工藝規(guī)范重新處理；滲氮罐每滲氮10爐后，應(yīng)在800-860空載保溫2-4h，進行一次退氮