热处理课程设计课程设计

课程设计(说明书)

螺纹磨床丝杠热处理工艺设计

学院：机械工程学院 专业：材料成型及控制工程 姓名：薄美玉 学号：1012012078 指导教师：姜英 2013年7月1

目录

一、热处理工艺课程设计的意义及目的┈┈┈┈┈┈┈┈1 二、设计任务

2.1给定零件┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 2

2.2技术要求┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 2

2.3 选材论证┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈3

三、热处理工序

3.1 工艺流程┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 4 3.2 热处理工艺参数设定┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈4

四 工艺曲线 五、热处理后检验

5.1 热处理后检验方法┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 10 5.2热处理规范及操作守则┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 11

六 、热处理材料组织、性能分析┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 14 七 、加热设备┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈19八 、心得体会┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 20 九、参考书籍┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 22 十、热处理工艺卡┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 22

一、热处理工艺课程设计的目的及意义

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。 二、设计任务：

2.1给定零件：

2.2技术要求:淬火后硬度≥56HRc,淬硬层深5.5—6mm，径向圆跳动≤0.7mm;

2.3选材9Mn2V

选材论证：

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丝杠精度等级及工作条件 普通精度 轻载 （7级及其以下） 中载 高精度 （6级及其以上） 轻载 重载 钢号 45,50 Y45MnV 40Cr,45,Y40Mn T10A,T12A,45,40Cr 9Mn2V,CrWMn,T12A 38CrMoAlA,35CrMo,20CrMnTi 0Cr17Ni4Cu4Nb 热处理 正火或调质 碳氮共渗，硫氮碳共渗 调质，球化退火 淬火 渗氮 固溶处理+时效

丝杠整体要有一定的刚度和强度，在工作中

高温 不能产生大的挠度和塑性变形，因此必须具有较好的综合力学性能和高的尺寸稳定性。同时其相关工作部位（滚道、轴径）也要求具有高的磨损抗力，高的接触疲劳强度即具有高硬度、高强度与足够的耐磨性。还要求丝杠在工作过程中，具有传动灵敏、平稳、定位精度和重复精度高等要求；对于在腐蚀介质和较高温度下工作的丝杠，还要求具有耐腐蚀和耐热性等。

螺纹磨床丝杠高精度时，对工作频繁又能承重载时选用9Mn2V。由于9Mn2V钢淬透性好,淬火畸变倾向小,淬火硬度高(可达58HRC以上),加工的表面粗糙度值低、磨削裂纹倾向小,因此选用9Mn2V钢制造螺纹磨床丝杠可以保证其耐磨性和尺寸稳定性。

和碳素工具钢相比，低合金工具钢的淬透性比较高，热处理变形较小，耐磨性较好，所以可以制造工具尺寸较大、形状比较复杂。精度要求相对较高的模具。9Mn2V钢中由于含较多的Mn元素，提高了淬透性，该钢的油淬临界直径约为30mm。Mn的存在使马氏体相变临界点Ms降低，在室温下有比较多的残余奥氏体（约20%~22%），所以淬火时变形比较小。适量的V能克服Mn的缺点，降低钢的过热敏感性，细化晶粒，并且少量的VC碳化物提高了钢的耐磨性。可以克服T10钢的淬透性低、变形大的缺点，又没有CrWMn钢的网状碳化物难以消除的缺陷。

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9Mn2V钢的化学成分

C Si Mn V 0.85~0.95 ≤0.40 1.70~2.00 0.10~0.25 钢号

9Mn2V P

≤0.030 S ≤0.030

3热处理工序 3.1工艺流程

下料→调质处理→粗车及粗磨外圆→中频感应加热表面淬火→热矫直→深冷处理→低温回火→磨外圆、粗磨螺纹→低温时效→精磨→低温时效→研磨及超精磨。

3.2热处理工艺参数设定

3.2.1 调质处理：

调质处理目的：消除工件表面淬硬层内的游离铁素体，均匀组织，是工件整体获得良好的综合力学性能。

加热方法：热炉装料。理由：缩短加热时间，节省能源。加热介质：盐浴加热。理由：减小开裂倾向。

淬火加热温度为780~820℃。

淬火加热温度确定依据：9Mn2V为过共析钢低合金工具钢，淬火加热温度在Ac1~Accm范围时，加热状态为细小奥氏体晶粒和未溶解碳化物，淬火后得到隐晶马氏体和均匀分布的球状碳化加热温度物。这种组织不仅有高的强度和硬度、高的耐磨性，而且有很好的韧性。如果淬火加热温度过高，碳化物溶解，奥氏体晶粒长大，淬火后得到片状马氏体，其显微裂纹增加，脆性增大，淬火开裂倾向也增大。由于碳化物的溶解，奥氏体中含碳量增加，淬火后残余奥氏体量增多，钢的硬度和耐磨性降低。因此加热温度设定为780~820℃。

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保温时间1~2h： 直径 低合金钢 ≤50 ＞50 保温时间 800~900℃ 750~850℃ 1.2~1.5 0.45~0.5 1.5~1.8 0.5~0.55 冷却方法：分级淬火法

理由：分级淬火减少了马氏体转变时截面上的温度差，热应力降低，还由于工件各部分温度趋于均匀，使马氏体转变的不同时现象减少。

淬火温度选择在250℃附近。分级淬火后处于奥氏体状态的工件具有较大塑（相变超塑性），因而创造了进行矫直和矫正的条件。 冷却介质：油冷

随着油温的升高，油会变稀，而增加流动性，冷却能力加强，改进了淬火效果。在200~300℃马氏体转变区冷却非常缓慢，减少了工件的变形和开裂倾向。

冷却介质：为得到较高硬度的马氏体组织选择在油中冷却，对于淬透性较好的9Mn2V钢选用普通淬火油即可。

9Mn2V钢的淬火临界直径

20~40℃水中冷却的临界直径／mm

50~52

矿物油中冷却20℃,5%NaCl水溶液中冷却的临界的临界直径／直径／mm mm 33 54

9Mn2V

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油淬表面硬度与有效厚度的关系 <3 4~10 10~20 20~30 30~50 50~80 80~120 材料/淬火后 硬度值截面

9Mn2V 61~61~66 61~66 61~65 60~64 52~58 58~61 66 油淬

淬火后回火温度500~650℃

理由：淬火后采用高温回火，以得到回火索氏体组织，进而获得良好的综合机械性能。

硬度与回火温度的关系 回火温度／℃ 硬度HRC 未回火 62

100

200

250

300

350

400

500

600

61.5 60 58

55 52 48 40

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3.2.2中频感应加热表面淬火

∮60mm外圆采用850℃中频加热，自来水冷却淬硬；∮74.5mm淬硬采用定时加热，传到升温至880℃后利用压缩空气进行冷却。

中频感应加热后零件表面的硬度高，心部保持较好的塑性和韧性，呈现低的缺口敏感性，故冲击韧性、疲劳强度和耐磨性等有很大的提高。淬层深度可以满足设计要求。同时，感应加热表面淬火的机械零件脆性小，还能提高零件的力学性能（如屈服点、抗拉强度、疲劳强度），同样经过感应加热表面淬火的钢制零件的淬火硬度也高于普通加热炉的淬火温度。

感应加热方法：同时加热淬火 加热时间：th=3s

额定功率：100KW 频率2500HZ

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电压400V，电流120A 感应淬火冷却方式：喷射冷却 淬火介质：自来水

喷射密度：（10~40）*10-6m3/cm2·s，水温为15~30℃，

喷水冷却时间根据公式tc=(1~2)th(s) th—同时加热淬火法的加热时间，s 3.2.3深冷处理

中频淬火后应进行—70℃×2h的冷处理，

目的：为了消除或减少残余奥氏体，以防止工件在使用过程中由于残余奥氏体的继续转变而导致尺寸精度发生变化，所以采用深冷处理。深冷处理可使淬火马氏体析出高度弥散的超微细碳化物，随后进行低温回火后，这些超微细碳化物可转变为碳化物。而未经深冷处理的马氏体，在低温回火后，仅在某些局部区域析出有少量的碳化物。

冷处理就是将淬火冷却至室温的工件继续冷却至零摄氏度以下，使残余奥氏体转变为马氏体的处理方法。冷处理适用于要求硬度高、耐磨性好的精密零件。工件经冷处理可达到以下目的：

a提高淬火钢的硬度

b稳定工件尺寸，防止在使用和保管中发生畸变； C.提高钢的铁磁性；

D.提高渗碳零件的抗疲劳性能。

生产中常用的冷处理温度一般在-40~-80之间，属于冰冷处理范围，对于某些特殊用途的零件可采用更低的冷处理温度。冷处理的保温时间与工件大小、批量多少及处理方法有关，以工件表里温度达到均匀一致为原则。一般在成批处理时，保温时间为0.5~2h。应注意的是：1）工件的冷处理要在淬火后立即进行。时间间隔一般不超过0.5~1h，这是因为在室温下停留过长的时间，残余奥氏体会处于稳定，会降低冷处理的效果；2）工件经冷处理后必须立即回火，以获得稳定的回火马氏体，并使残余奥氏体进一步转变。零件经冷处理后，残余奥氏体较冷处理前显著减少，并使硬度较前有所提高。

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3.2.4低温回火

在200~240℃回火6~8h。 回火时间依据：

回火时间是从工件入炉后炉温升至回火温度时开始计算的。可参考经验公式：

t= Kn + An*D

式中

t—回火时间；（min）

Kn—回火时间基数；

An— 回火时间系数； D—零件有效厚度；（mm）

通过查热处理手册得Kn 和 An的推荐值见表3-7

表3-7：Kn及An的推荐值

表3-6 回火条300℃以上 件 箱式炉 盐浴炉 Kn An 120 1 0.4 120 1 300~450℃ 箱式炉 20 盐浴炉 15 0.4 450℃以上 箱式炉 盐浴 炉 10 1 3 0.4 目的：使表面获得高硬度、高耐磨性及高疲劳强度，减少内应力，降低脆性。

3.2.5、低温时效

低温时效是在中频淬火及半精加工之后进行的，其主要作用是消除残余磨削应力及稳定淬火后的残余奥氏体。一般选择低于中频后低温回火温度。

为了保证丝杠的高精度，使变形量控制在最小程度，还需在180oC的低温

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回火炉中进行低温、较长时间的时效处理，进一步消除残余内应力。其保温时间为12h，然后出炉空冷。据有关资料介绍，工件内的应力松弛能力主要决定于加热温度，在一定温度下应力的松弛又主要发生在开始一个阶段，继续延长低温时效时间至12h，应力松弛的曲线趋于平缓。

进行两次180℃×12h的人工时效。由于时效温度较低，一般在油浴炉或空气炉中进行，保温后在空气中冷却。

目的：低温时效就是低温去应力处理，稳定尺寸。对于精密丝杠而言，为 了消除精机械加工及磨削加工所产生的应力，保证高的精度需要采用2次或2次以上的低温时效处理。

四、工艺曲线

温度（C°）调质中频淬火780-800C°850C°°水2h油650C空冷1h冷冷2h-70C°冷处理低温回火200C°6h空冷低温时效180C°12h空冷二次低温时效180C°12h空冷时间（h）热处理工艺曲线图

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五、检验方法 5.1热处理后检验方法

1、使用态的显微组织应为细针状回火马氏体+均匀分布的碳化物。 2、中频感应加热表面淬火后，淬硬层深度应为5.5~6.0mm，硬度应≥56HRC,径向圆跳动0.7mm。

5.2热处理规范及操作守则

5.2.1调质操作

一、工件浸入淬火介质应遵循的守则

1、工件浸入淬火介质前在空气中预冷可以减少畸变，预冷时间t=12+(3~4)d，d是危险截面厚度。

2、工件在淬火介质中应根据其形状，沿不同方向作适当移动，以提高介质的冷却速度和减少工件畸变。

3、轴类和圆筒形工件，从加热炉中取出后，应预冷片刻，垂直浸入淬火槽。 4、淬火后的工件应及时回火，通常室温停留时间不超过4小时。 5、回火时，在回火脆性范围内，采用油冷。 完毕后续操作注意事项：

1、当炉温达到达到工艺温度时，用吊车将以准备好的工件料架吊进炉内，盖好锅盖后，炉温略有下降，待升至工艺温度记录加热时间。

2、到达加热时间后，打开炉门，用铁钩将轴逐根勾出迅速进入硝盐槽冷却，冷却时上下窜动。

3、因轴细长，冷却后可能变形超差，所以从冷却槽取出后立即清理表面，进行热矫直。

4、热矫直后清洗干净进行回火，回火后检查硬度，硬度合格后再进行矫直。校直后检查直线度，达到技术要求后转下道工序。 二、质量检验方法：

1、外观检查，工件表面不允许有裂纹和有害的伤痕（必要时可用磁粉检测或其他无损检测方法检测）

2、用布氏硬度、洛氏硬度或维氏硬度测量硬度。表面硬度硬度必须满足技

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术要求，表面硬度的误差范围，根据不同类型如下表:

淬、回火件硬度要表面硬度误差范围HRC 求范围 单件

<35 35~50 >50

同一批件 <35

35~50

>50

特殊重要件 3 3 3 5 5 5 重要件 4 4 4 7 6 6 一般件 6 5 5 9 7 7

3、金相组织，观察显微组织，淬火组织是否是马氏体，回火后组织是否是索氏体组织。

5.2.2中频感应加热表面淬火

一、感应加热淬火操作要点：

1、连续淬火时，工件直径较大，可采用预热-加热法，即利用感应器或工件反向移动预热，然后立即正向移动连续加热淬火。

2、当要求的淬硬层深度超过现有设备所能达到的透热深度时，可采用前述方法加深硬化层深度。

3、阶梯轴应先淬直径小的部分，然后淬直径大的部分。 4、为了加热均匀，应尽可能使工件旋转。 5、工件不得有油污和毛刺。 6、不得空载加热。

7、各电参数不得超过允许的最大值。

8、加热时，不得触碰工件和感应器，以免灼伤。

9、加热时，工件与感应器不得互相触碰，以免感应器击穿和击伤工件。 10、感应器不得歪扭变形，以保持原有形位精度。 二、 感应淬火质量检查

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1）外观检验

工件表面不得有热河形式的裂纹；不得有后序加工余量1／3的锈蚀和灼伤等缺陷。一般工件100%目测检验；重要工件应100%进行无损检测。 2）表面硬度检验

淬火区域范围的检验，依据硬度计测得的硬度确定，或根据淬火区的颜色用卡尺或钢直尺测定。形状复杂或无法用硬度计测量的工件，可用硬度笔或锉刀进行检测。

3）有效硬化层深度检验

形状简单的工件硬化层深度波动范围 有效硬化层硬化层深度波动范围／ 有效硬化硬化层深度波动范围／深度／mm mm 层深度／mm mm 单件 同一批次 单件 同一批件 ≤1.5 0.2 0.4 3.5~5.0 0.8 1.0 1.5~2.5 0.4 0.6 >5 1.0 1.5 2.5~3.5 0.6 0.8 4）金相组织检验

感应淬火后的金相组织，按马氏体大小分10级。其中，4~6级，即细小马氏体为正常组织；1~3级为粗大或中等大小的马氏体，是由于加热温度偏高造成的；7~10级组织中有未溶铁素体或网状托氏体，是由于加热温度偏低或冷却不足产生的。 5）变形度检验

感应淬火、回火后的变形量，根据工件图样和工艺文件的规定检验。其中，轴类工件的直线度不得超过加工余量的1／3. 6）硬化区和硬化层

不同形状结构的工件，表面淬火后的合理硬化区和硬化层深度，应符合以下规定：

轴类工件端头在一次加热淬火时，允许有2~3mm的过渡区；连续加热是

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允许有2~8mm的过渡区。

局部淬火的工件允许误差为±3mm。

阶梯轴高频感应淬火后，允许在阶梯处有一定宽度的未淬硬区，即直径差小于10mm时未淬硬区小于5mm；直径差为10~20mm时未淬硬区小于8mm；直径大于20mm时未淬硬去小于12mm.

淬火部分带槽的轴，在槽两端应倒角2~3mm。如不能倒角，则两端允许有<8mm的软带，其硬度可低于图样规定下限15HRC。

如果淬火部分有槽或孔，而孔或槽距轴段小于8mm时，则允许该处小于8mm不淬硬。

有空刀槽的轴，距空刀槽处允许有不大于5mm的软带，其硬度可低于图样规定下限15HRC。

轴的端面与轴均需要淬火时，允许一个表面上有8mm的回火带，或允许有一面距边缘5mm不淬硬。 5.2.3冷处理操作要点

1、认真清理工件，工作不得有水、油污、杂物等； 2、工件未冷至室温时，不得进行冷处理，以防工件开裂； 3、工件冷处理前，先用冷水冲洗数分钟，再放入冷冻室；

4、为减少冷却过程中的应力，对形状复杂及尺寸较大的工件，应在室温下装入冷却设备中，与设备一起冷至处理温度；

5、由于冷处理使工件的内应力增加，工件处理后应在空气中使其缓慢升温至室温后，再进行回火；

6、操作中应穿戴劳动保护用品，用长柄工具取放工件，防止冻伤； 7、水、油浴液态氧接触时会发生激烈反应而爆炸，应严格禁止水油与液态氧接触。

六、热处理材料组织、性能分析

6.1 组织分析

1、调质淬火后组织为马氏体，如果加热温度不足或冷却速度过慢，就有可能生成非马氏体组织如铁素体、托氏体等。温度过高，可能产生过烧、过热、 加

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热温度超过该钢正常淬火温度，钢中奥氏体晶粒显著粗大，超过技术要求的晶粒度，淬火后获得粗大马氏体组织。过共析钢加热温度过高，淬火后残留奥氏体量过多。淬火介质冷却能力不够或冷却操作不合理，致使形成部分珠光体类组织。淬火后再进行回火，渗碳体会发生聚集长大。当回火温度高于400℃时，碳化物即已开始聚集和球化；当温度

高于600℃时，细粒状碳化物将迅速聚集并粗化。碳化物的球化、长大过程是按照小颗粒溶解、大颗粒长大的机制进行的。最后回复或再结晶了的 相加颗粒状渗碳体的混合组织为回火索氏体，具有良好的综合机械性能。

2、中频感应淬火后，零件表面获得高硬度的马氏体组织，而心部仍然保持韧性和塑性较好的回火索氏体组织。如果加热温度过低，则所得表面硬度不足且淬层很薄。

3、深冷处理，深冷处理可使淬火马氏体析出高度弥散的超微细碳化物。 低温回火，使孪晶马氏体中过饱和碳原子沉淀析出弥散分布的 碳化物，既可提高钢的韧性，又保持了钢的硬度、强度和耐磨性；低温回火以后得到回火马氏体及在其上分布的均匀细小的碳化物颗粒。减少了残余奥氏体的量，得到较好的综合机械性能和尺寸稳定性。感应淬火+低温回火后保温时零件的组织转变 为回火索氏体，经感应淬火+低温回火转化为回火马氏体。感应淬火+低温回火后冷却到室温后的组织及性能，感应淬火+低温回火后冷却到室温后的组织为回火马氏体，保证主轴表面的高硬度，高耐磨性，高疲劳强度减少内应力，降低脆性。

6.2 热处理缺陷及控制方法

6.2.1淬火畸变类型及其形成原因

1、体积变化，热处理前后各种组织比体积不同是引起体积变化的主要原因。由马氏体→贝氏体→珠光体→奥氏体的比体积依次减少。

2、形状畸变，工件各部位相对位置或尺寸发生变化。引起的原因可能是a加热温度不均，形成的热应力引起畸变或工件在炉中放置不合理，在常温下常因自重产生蠕变畸变。B.加热时，随加热温度升高，钢的屈服强度降低，已存在于工件内部的残留应力（冷变形，机加工等）达到高温下的屈服强度时，就会引起工件不均匀塑性变形而造成形状畸变和残留应力松弛。C.淬火冷却时的不同时性形成的热应力和组织应力使工件局部塑性变形。

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