熱處理原理與工藝課程設計

1、* * 大 學熱處理原理與工藝課程設計 題目： 50Si2Mn彈簧鋼的熱處理工藝設計 院（系）：機械工程學院專業(yè)班級：*學號：*學生姓名：*指導教師：*起止時間：2014-12-15至2014-12-19課程設計任務及評語院（系）：機械工程學院 教研室：材料教研室學 號*學生姓名*專業(yè)班級*課程設計題 目50Si2Mn彈簧鋼的熱處理工藝設計課程設計要求與任務一、課設要求熟悉設計題目，查閱相關(guān)文獻資料，概述50Si2Mn彈簧鋼的熱處理工藝，制定出熱處理工藝路線，完成工藝設計；分析50Si2Mn彈簧鋼的成分特性；闡述50Si2Mn彈簧鋼淬火、回火熱處理工藝理論基礎(chǔ)；闡述各熱處理工序中材料的組織和性

2、能；闡明彈簧鋼的熱處理處理常見缺陷的預防及補救方法；選擇設備；給出所用參考文獻。二、課設任務1.選定相應的熱處理方法；2.制定熱處理工藝參數(shù)；3.畫出熱處理工藝曲線圖；4分析各熱處理工序中材料的組織和性能；5.選擇熱處理設備三、設計說明書要求設計說明書包括三部分：1）概述；2）設計內(nèi)容；3）參考文獻。工作計劃集中學習0.5天，資料查閱與學習，討論0.5天，設計6天：1）概述0.5天，2）服役條件與性能要求0.5天，3）失效形式、材料的選擇0.5天，4）結(jié)構(gòu)形狀與熱處理工藝性0.5天，5）冷熱加工工序安排0.5天，6）工藝流程圖0.5天，7）熱處理工藝設計1.5天，8）工藝的理論基礎(chǔ)、原則0.5

3、天， 09）可能出現(xiàn)的問題分析及防止措施0.5天，10）熱處理質(zhì)量分析0.5天，設計驗收1天。指導教師評語及成績成績： 學生簽字： 指導教師簽字： 年 月 日* 大 學 課 程 設 計 說 明 書 目 錄一、概述-11. 課程設計的目的-12. 課程設計的任務-13. 課程設計的題目-14. 課程設計的內(nèi)容及步驟-1二、熱處理工藝課程設計的內(nèi)容及要求-11、零件的技術(shù)要求及選材-12、化學特點和性能-23、制定熱處理工藝路線-34、工藝參數(shù)-35、熱處理工藝曲線-76、分析各熱處理工序中材料的組織和性能-77、缺陷分析-88、選擇熱處理設備-109、測溫儀器和溫度控制方式-10三、收獲和體會-

4、11四、參考文獻-11第一部分 概述1、課程設計的目的 熱處理工藝課程設計是高等學校金屬材料工程專業(yè)一次專業(yè)課設計練習，是熱處理原理與工藝課程的最后一個教學環(huán)節(jié)。其目的是： （1）培養(yǎng)學生綜合運用所學熱處理課程的知識去解決工程問題的能力，并使其所學知識得到鞏固和發(fā)展。 （2)學習熱處理工藝設計的一般方法，熱處理設備的選用等。 （3）進行熱處理設計的基本技能訓練，如計算、工藝圖繪制和學習使用設計資料、手冊、標準和規(guī)范。因此，本課程設計要求我們綜合運用所學知識來解決生產(chǎn)實踐中的熱處理工藝制定問題，包括工藝設計中的細節(jié)問題，如設備的選用，夾具的設計等。要求我們設計工藝流程，這需要查閱大量的文獻典籍。

5、如何靈活使用資料、手冊，怎樣高效查找所需信息，以及手冊的查找規(guī)范和標準等，均不是一蹴而就的事情，需要我們在實踐中體會并不斷地總結(jié)，才能不斷進步。2、課程設計的任務根據(jù)技術(shù)要求，選定相應的熱處理方法，制定熱處理工藝參數(shù)，畫出熱處理工藝曲線圖，分析各熱處理工序中材料的組織和性能，選擇熱處理設備。3、課程設計的題目 50Si2Mn 彈簧鋼的熱處理工藝第二部分 熱處理工藝課程設計的內(nèi)容及要求1、零件的技術(shù)要求及選材 熱處理態(tài)及硬度: HRC42-45 變形要求： 1% 組織： 馬氏體+回火托氏體 其它：能承受極限載荷10000N，單圈剛度=1500N/mm，工作極限載荷下 的單圈變形量=6mm，許用應

6、力740MPa.彈簧選材的原則是：首先滿足功能要求，其次是強度要求，最后才考慮經(jīng)濟性。 碳素彈簧鋼是彈簧鋼中用途廣泛，用量最大的鋼類。鋼中含0.60%0.90%的碳和0.3%1.20%的錳，不再添加其它合金元素，使用成本相對較低。碳素彈簧鋼絲經(jīng)適當?shù)募庸せ驘崽幚?，可以獲得很高的抗拉強度，足夠的韌性和良好的疲勞壽命。但碳素鋼絲的淬透性低，抗松弛性能和耐蝕性能差，彈性模量的溫度系數(shù)較大(高達300×10-6/)，適用于制造截面較小，工作溫度較低(120>)的彈簧。 合金彈簧鋼一般含0.45%0.70%的碳和一定量的Si，Mn，Cr，V，W及B等合金元素。合金元素的加入改善彈簧鋼的抗

7、松弛性能，提高鋼的韌性，同時顯著提高鋼的淬透性和使用溫度，適用于制造較大截面，較高溫度下使用的彈簧。2、50Si2Mn 彈簧鋼的化學特點和性能要求由于彈簧是在彈簧范圍內(nèi)工作，不允許產(chǎn)生永久變形。彈簧鋼應具有優(yōu)良的綜合性能，如力學性能 (特別是彈性極限、彈性極限、屈強比)、抗彈減性能(即抗彈性減退性能，又稱抗松弛性能)、疲勞性能、淬透性、物理化學性能(耐熱、耐低溫、抗氧化、耐腐蝕等)。為了滿足上述性能要求，彈簧鋼具有優(yōu)良的冶金質(zhì)量(高的純潔度和均勻性)、良好的表面質(zhì)量(嚴格控制表面缺陷和脫碳)、精確的外形和尺寸。表一：50Si2Mn 彈簧鋼的成分鋼號CSiMnCrNiPS50Si2Mn0.560

8、.641.502.000.600.900.701.000.350.0400.040 、C:每種合金元素形成碳化物時都要有一定數(shù)量的碳與之化合，含碳量低會使部分合金元素失去析出硬化的機會；含碳量過高，多余的碳會和鐵形成化合物或其他穩(wěn)定性差的碳化物，從而降低鋼的可加工性及韌性。 、W：鎢是提高高速鋼回火穩(wěn)定性和耐熱性的主要元素。在馬氏體中，鎢原子和碳原子的結(jié)合力很大，提高了馬氏體在受熱時的分解穩(wěn)定性，使鋼在高達550600時仍能保持高的硬度。鎢的碳化物在高溫加熱時有力的起到阻止晶粒長大的作用。高速鋼淬火后在560回火時，碳化物析出并作均勻彌散分布；鋼中殘余奧氏體在回火后冷卻時轉(zhuǎn)為馬氏體，將產(chǎn)生二次

9、硬化作用。這些都能進一步提高鋼的耐磨性和切削性能。 、Cr：鉻可提高鋼的淬透性和回火穩(wěn)定性，促進W、V等碳化物的析出硬化。V：釩也是提高高速鋼回火穩(wěn)定性和耐熱性的元素。釩的碳化物硬度高，晶粒細，有較強的抗集聚能力，隨著釩含量增加，鋼的耐磨性大幅度提高，但可磨削性顯著降低，增加了刃磨困難。為此釩的含量一般不超過3%。 、Si：有助于提高鋼的耐熱性和熱硬性，但韌性較差。 、Al: 鋁的作用和鈷相似，并有容易形成致密氧化膜而起著防止沾刀的作用。 、S、N：加入少量的硫，可以得到易切削的高速鋼；加入少量的氮，可以增加鋼的紅硬性，提高刀具的切削性能。3、制定熱處理工藝路線 原材料檢查前期預處理下料（剪斷

10、）料頭鍛扁加熱卷繞成型 淬火（淬火介質(zhì)為油）中溫回火（帶芯棒）初步檢驗整形去應力退火（帶芯棒）檢驗噴砂立定處理斷面加工檢驗表面防腐處理4、工藝參數(shù)加熱溫度：鋼：小于A1 碳鋼及低合金鋼：550650高合金鋼：600750 鑄鐵：500550加熱速度：100150/h 保溫時間：35min/mm 冷卻速度：50100/h（1）正火 正火是將鋼加熱到Ac3或ACcm以上3050并保溫一定時間，然后出爐在空氣中冷卻的熱處理工藝。與完全退火相比，二者的加熱溫度及保溫時間相同，但正火冷卻速度較快，轉(zhuǎn)變溫度較低，發(fā)生偽共析轉(zhuǎn)變。正火工藝參數(shù)示意圖如下（2）淬火加中溫回火 將工件加熱保溫后，在水、油或其它無

11、機鹽、有機水溶液等淬冷介質(zhì)中快速冷卻。淬火后鋼件變硬，但同時變脆。為了降低鋼件的脆性，將淬火后的鋼件在高于室溫而低于710的某一適當溫度進行長時間的保溫，再進行冷卻，這種工藝稱為回火。（3）淬火加熱方式及加熱溫度的確定原則淬火一般是最終熱處理工序。因此，應采用保護氣氛加熱或鹽爐加熱。只有一些毛坯或棒料的調(diào)質(zhì)處理(淬火、高溫回火)可以在普通空氣介質(zhì)中加熱。因為調(diào)質(zhì)處理后尚須機械切削加工，可以除去表面氧化、脫碳等加熱缺陷。但是隨著少、無切削加工的發(fā)展、調(diào)質(zhì)處理后僅是一些切削加工量很小的精加工，因而也要求無氧化，脫碳加熱。 淬火加熱一般是熱爐裝料。但對工件尺寸較大，幾何形狀復雜的高合金鋼制工件，應該

12、根據(jù)生產(chǎn)批量的大小，采用預熱爐(周期作業(yè))預熱，或分區(qū)(連續(xù)爐)加熱等方式進行加熱。 1：淬火加熱溫度： 淬火加熱溫度，主要根據(jù)鋼的相變點來確定。對亞共析鋼，一般選用淬火加熱溫度為Ac3+（3050)，過共析鋼則為Ac1+(3050)。之所以這樣確定，因為對亞共析鋼來說，若加熱溫度低于Ac3，則加熱狀態(tài)為奧氏體與鐵素體二相組成，淬火冷卻后鐵素體保存下來，使得零件淬火后硬度不均勻，強度和硬度降低。比Ac3點高3050的目的是為了使工件心部在規(guī)定加熱時間內(nèi)保證達到Ac3點以上的溫度，鐵素體能完全溶解于奧氏體中，奧氏體成分比較均勻，而奧氏體晶粒又不致于粗大。對過共析鋼來說，淬火加熱溫度在Ac1Ac3

13、之間時，加熱狀態(tài)為細小奧氏體晶粒和未溶解碳化物，淬火后得到隱晶馬氏體和均勻分布的球狀碳物。這種組織不僅有高的強度和硬度、高的耐磨性，而且也有較好的韌性。如果淬火加熱溫度過高，碳化物溶解，奧氏體晶粒長大，淬火后得到片狀馬氏體(孿晶馬氐體)，其顯微裂紋增加，脆性增大，淬火開裂傾向也增大。由于碳化物的溶解，奧氏體中含碳量增加，淬火后殘余奧氏體量增多，鋼的硬度和耐磨性降低。高于Ac1點3050的目的和亞共析鋼類似，是為了保證工件內(nèi)各部分溫度均高于Ac1。 2：注意：確定淬火加熱溫度時，尚應考慮工件的形狀、尺寸、原始組織、加熱速度、冷卻介質(zhì)和冷卻方式等因素。 在工件尺寸大、加熱速度快的情況下，淬火溫度可

14、選得高一些。因為工件大，傳熱慢，容易加熱不足，使淬火后得不到全部馬氏體或淬硬層減薄。加熱速度快，工件溫差大，也容易出現(xiàn)加熱不足。另外，加熱速度快，起始晶粒細，也允許采用較高加熱溫度。在這種情況下，淬火溫度可取Ac3+(5080)，對細晶粒鋼有時取Ac3+100。對于形狀較復雜，容易變形開裂的工件，加熱速度較慢，淬火溫度取下限。 考慮原始組織時，如先共析鐵素體比較大，或珠光體片間距較大，為了加速奧氏體均勻化過程，淬火溫度取得高一些。對過共析鋼為了加速合金碳化物的溶解，以及合金元素的均勻化，也應采取較高的淬火溫度。例如高速鋼的Ac1點為820840，淬火加熱溫度高達1280。 考慮選用淬火介質(zhì)和冷

15、卻方式時，在選用冷卻速度較低的淬火介質(zhì)和淬火方法的情況下，為了增加過冷奧氏體的穩(wěn)定性，防止由于冷卻速度較低而使工件在淬火時發(fā)生珠光體型轉(zhuǎn)變，常取稍高的淬火加熱溫度。 二、淬火加熱時間的確定原則 淬火加熱時間應包括工件整個截面加熱到預定淬火溫度，并使之在該溫度下完成組織轉(zhuǎn)變、碳化物溶解和奧氏體成分均勻化所需的時間。因此，淬火加熱時間包括升溫和保溫兩段時間。在實際生產(chǎn)中，只有大型工件或裝爐量很多情況下，才把升溫時間和保溫時間分別進行考慮。一般情況下把升溫和保溫兩段時間通稱為淬火加熱時間。當把升溫時間和保溫時間分別考慮時，由于淬火溫度高于相變溫度，所以升溫時間包括相變重結(jié)晶時間。保溫時間實際上只要考

16、慮碳化物溶解和奧氏體成分均勻化所需時間即可。在具體生產(chǎn)條件下，淬火加熱時間常用經(jīng)驗公式計算，通過試驗最終確定。常用經(jīng)驗公式是 式中 t加熱時間，(min)； a加熱系數(shù)，(minmm)； K裝爐修正系數(shù)； D零件有效厚度(mm)。 加熱系數(shù)口表示工件單位厚度需要的加熱時間，其大小與工件尺寸、加熱介質(zhì)和鋼的化學成分有關(guān)。裝爐量修正系數(shù)X是考慮裝爐的多少而確定的。裝爐量大時，K值也應取得較大，一般由實驗確定；工件有效厚度D的計算，可按下述原則確定：圓柱體取直徑，正方形截面取邊長，長方形截面取短邊長，板件取板厚，套筒類工件取壁厚，圓錐體取離小頭23長度處直徑，球體取球徑的06倍作為有效厚度D。 三、

17、淬火介質(zhì)及冷卻方式的選擇與確定 淬火介質(zhì)的選擇，首先應按工件所采用的材料及其淬透層深度的要求，根據(jù)該種材料的端淬曲線，通過一定的圖表來進行選擇。其選擇方法已在本章淬透性一節(jié)講述。若僅從淬透層深度角度考慮，凡是淬火烈度大于按淬透層深度所要求的淬火烈度的淬火介質(zhì)都可采用。但是從淬火應力變形開裂的角度考慮，淬火介質(zhì)的淬火烈度愈低愈好。綜合這兩方面的要求，選擇淬火介質(zhì)的第一個原則應是在滿足工件淬透層深度要求的前提下，選擇淬火烈度最低的淬火介質(zhì)。（4）中溫回火（350500） 中溫回火后的組織為回火托氏體，它是由尚未發(fā)生再結(jié)晶的針狀鐵素體和彌散分布的極細小的片狀或粒狀滲碳體組成，其形態(tài)仍為淬火馬氏體的片

18、狀或板條狀。中溫回火的主要目的是為了獲得高的屈強比，高的彈性極限，高的韌性，回火托氏體的硬度為3545HRC。中溫回火主要用于處理各種彈簧、鍛模。所以我們在工藝中選擇中溫回火。（5）去應力退火 定義：為了去除由于塑性形變加工、焊接等造成的以及鑄件內(nèi)存在的殘余應力而進行的退火。 冷形變后的金屬在低于再結(jié)晶溫度加熱，以去除內(nèi)應力，但仍保留冷作硬化效果的熱處理，稱為去應力退火。 在實際生產(chǎn)中， 去應力退火工藝的應用要比上述定義廣泛得多。熱鍛軋、鑄造、各種冷變形加工、切削或切割、 焊接、熱處理，甚至機器零部件裝配后，在不改變組織狀態(tài)、保留冷作、熱作或表面硬化的條件 下，對鋼材或機器零部件進行較低溫度的

19、加熱，以去除（全部或部分的）內(nèi)應力，減小變形、開裂。進行去應力退火時，金屬在一定溫度作用下通過內(nèi)部局部塑性變形(當應力超過該溫度下材料的屈服強度時)或局部的弛豫過程(當應力小于該溫度下材料的屈服強度時)使殘余應力松弛而達到消除的目的。在去應力退火時，工件一般緩慢加熱至較低溫度(灰口鑄鐵為500550，鋼為500650，有色金屬合金沖壓件為再結(jié)晶開始溫度以下)，保持一段時間后，緩慢冷卻，以防止產(chǎn)生新的殘余應力。去應力退火并不能完全消除工件內(nèi)部的殘余應力，而只是大部分消除。要使殘余應力徹底消除，需將工件加熱至更高溫度。在這種條件下，可能會帶來其他組織變化，危及材料的使用性能。（6）50Si2Mn彈

20、簧鋼的熱處理工藝曲線是：加熱溫度：鋼：小于A1碳鋼及低合金鋼：550650高合金鋼：600750鑄鐵：500550加熱速度：100150/h保溫時間：35min/mm冷卻速度：50100/h550650空冷溫度時間A1 圖一：50Si2Mn彈簧鋼熱處理工藝曲線圖5、分析各熱處理工序中材料的組織和性能（1）淬火 對亞共析鋼來說，若加熱溫度低于Ac3，則加熱狀態(tài)為奧氏體與鐵素體二相組成，淬火冷卻后鐵素體保存下來，使得零件淬火后硬度不均勻，強度和硬度降低。比Ac3點高3050的目的是為了使工件心部在規(guī)定加熱時間內(nèi)保證達到Ac3點以上的溫度，鐵素體能完全溶解于奧氏體中，奧氏體成分比較均勻，而奧氏體晶粒

21、又不致于粗大。對過共析鋼來說，淬火加熱溫度在Ac1Ac3之間時，加熱狀態(tài)為細小奧氏體晶粒和未溶解碳化物，淬火后得到隱晶馬氏體和均勻分布的球狀碳物。這種組織不僅有高的強度和硬度、高的耐磨性，而且也有較好的韌性。如果淬火加熱溫度過高，碳化物溶解，奧氏體晶粒長大，淬火后得到片狀馬氏體(孿晶馬氐體)，其顯微裂紋增加，脆性增大，淬火開裂傾向也增大。由于碳化物的溶解，奧氏體中含碳量增加，淬火后殘余奧氏體量增多，鋼的硬度和耐磨性降低。高于Ac1點3050的目的和亞共析鋼類似，是為了保證工件內(nèi)各部分溫度均高于Ac1。 （2）中溫回火中溫回火后的組織為回火托氏體，它是由尚未發(fā)生再結(jié)晶的針狀鐵素體和彌散分布的極細

22、小的片狀或粒狀滲碳體組成，其形態(tài)仍為淬火馬氏體的片狀或板條狀。中溫回火的主要目的是為了獲得高的屈強比，高的彈性極限，高的韌性6、缺陷分析 （1）疏松疏松是鋼不致密的表現(xiàn)，多出現(xiàn)于鋼錠的上部，在化學成分上疏松點的碳、硫、磷含量比集體偏高。根據(jù)疏松在橫斷面上的分布位置，將疏松分為一般疏松和中心疏松。（1）一般疏松。鋼材橫截面上組織不致密，腐蝕后整個截面上呈分散的小孔隙和暗黑色小圓點。 （2）中心疏松。鋼材橫截面上軸心區(qū)域組織不致密，腐蝕后有聚集的小孔隙、凹陷的暗黑點和中心變黑的現(xiàn)象。（2）縮孔 在鋼材橫截面的軸心區(qū)域，浸蝕后顯現(xiàn)出不規(guī)則的皺折縫隙或空洞，周圍集聚嚴重的疏松、偏析和非金屬夾雜物。由于

23、熱加工的影響，縮孔的位置常常造成偏心。在鋼材的縱向截面上，縮孔表現(xiàn)為非結(jié)晶構(gòu)造的條帶和疏松，有時存在雜質(zhì)。正常情況下，鋼錠在切除冒口時即可將冒口切去，但若縮孔較深或產(chǎn)生二次縮孔，以及鋼錠切頭量過少使縮孔未能切凈，鋼中仍會存在部分縮孔，或因此引起的二次裂紋，稱為縮孔殘余。（3）偏析 偏析是指鋼中化學成分分布不均勻的現(xiàn)象。在化學成分上，偏析帶上的碳、硫、磷以及其它雜質(zhì)的含量較基體較高，其中以碳的增高為最顯著。經(jīng)浸蝕后可能見到的偏析主要有方框形偏析、中心偏析和點狀偏析。（1）方框形偏析。在鋼材的橫截面上，腐蝕后顯現(xiàn)出由致密的暗黑色小點組成的顏色較深的方框形，方框以內(nèi)的組織較外部不致密。由于熱加工變形

24、的影響，方框有時變成不規(guī)則的“”形、“×”形乃至任意形狀。（2）中心偏析。在鋼材橫截面的中心部位，腐蝕后顯現(xiàn)出形狀不規(guī)則的深暗色斑點。 （3）點狀偏析。在鋼材的橫截面上，腐蝕后顯現(xiàn)出分散的、不同形狀、不同大小、略有低陷的暗黑色斑點，在鋼材的縱斷面上呈暗色條帶，嚴重時往往伴有氣泡出現(xiàn)。（4）夾雜鋼中的夾雜分為三類：金屬夾雜、非金屬夾雜和翻皮。（1）金屬夾雜。在鋼材的橫截面上，浸蝕后顯現(xiàn)出邊界清晰、與基體金屬顏色明顯不同的異形金屬塊。（2）非金屬夾雜。在鋼材的橫截面上，浸蝕后表現(xiàn)為有一定深度又不規(guī)則的小空洞，有時可見到白色或其它顏色的夾雜顆粒，分布無一定規(guī)律。（3）翻皮。在鋼材橫截面上，

25、浸蝕后可見到亮白色或暗色的、彎曲且不規(guī)則的細長帶，缺陷內(nèi)部及周圍常常有非金屬夾雜和氣孔。在縱向截面上，顯示為不同顏色的非結(jié)晶構(gòu)造的條紋。，嚴重時呈層狀。（5）白點在鋼材的橫截面上，浸蝕后可見到直的、彎曲的或鋸齒形的細長裂紋，位置多在1/31/2半徑（或壁厚）處，也有的處于中心位置。白點的位置與鋼材及鍛件的冷卻條件有關(guān)，冷卻越快白點越接近表面，冷卻緩慢則白點趨向中心。冷卻快形成的白點數(shù)量多長度短，冷卻慢形成的白點數(shù)量少長度較長。在縱向斷口上，白點多顯示為圓形或橢圓形的銀白色斑點，直徑從零點幾毫米至十幾毫米乃至幾十毫米。（6）裂紋（1）軸心晶間裂紋。軸心晶間裂紋是鋼錠凝固結(jié)晶時產(chǎn)生的熱裂紋，在熱軋

26、和鍛壓時未能焊合而遺留在成材中，在鋼材橫截面的中心區(qū)域，浸蝕后顯示為蜘蛛網(wǎng)狀裂紋。（2）發(fā)紋。發(fā)紋是鋼中夾雜和氣孔等缺陷在加工時延伸而形成的，它表現(xiàn)為沿鋼材的加工方向的類似頭發(fā)絲粗細的裂紋。（7）去應力退火常見缺陷 溫度高了，燒化了，組織不正常了是缺陷，吊裝中磕碰，溫度低了，內(nèi)應力沒有消除。 7、熱處理設備的選擇 （1）前期預處理和熱處理都是用的是真空爐 50Si2Mn彈簧淬火前應上硼砂，以防脫碳（操作方法：將彈簧加熱到400-500時出爐淬入100-150硼砂飽和水溶液中，停留片刻，待表面涂上一層硼砂后，再入爐加熱），調(diào)質(zhì)后應噴砂上油。 彈簧淬火時，應水平方向淬入冷卻液，一般在油中可以不運動，但對較大彈簧在油中應運動一段時間，然后靜止冷卻。 淬火油使用溫度要求為20-60。 （2） 清洗設備：廢水池。 （