热处理工艺与设备课程设计(编辑修改稿)

热处理工艺与设备课程设计(编辑修改稿)内容摘要：

热处理工艺设计 20 钢 材料 的 CCT 及 TTT 图 从 TTT 图可看出， 亚共 析钢过冷奥氏体在高温转变时首先转变为铁素体（ F），随着含碳量的减少， C 曲线位置往左移，同时 Ms、 Mf 往上移。 从该 材料 CCT 图可看出，随着过冷奥氏体冷却 方式的不同，得到的最终组织产生很大差异。 10 时间 /h 热处理工艺制度 的制定 因 为 20 号钢属于低碳钢，所以预先热处理采用正火处理，否则硬度太低，机加工发黏。 正火的主要目的是细化组织，改善钢的性能，获得接近平衡状态的组织 ，为后续机加工做准备。  预备热处理工艺制度的制订 根据所加工零件的性能要求以及所选 20 钢材料的性质，选择预先热处理方式为正火。 正火 钢号 加热温度/℃ 保温时间 /h 冷却方法 硬 度 /HB 20 880~920 1~3 静止空气中 冷却 ≤ 156 20 钢正火工艺曲线  加热速度 加热速 度主要与钢的成分、工件的尺寸和形状等因素有关。 为防止变形开裂，应该适当控制加热速度。 碳钢和低合金钢的中、小件的加热速度一般控制在100～ 200℃ /h；中、高合金钢形状复杂的或截面大的工件一般应进行预热或采用低温入炉进行随炉升温的加热方式，在温度低于 600～ 700℃是的加热速度为30～ 70℃ /h，高于此温度后控制在 80～ 100℃ /h。 根据本设计中零件尺寸及形状的实际情况，采用低温入炉加热，加热速度为 90～ 100℃ /h 能够达到目的。  加热温度 淬火 是将工件加热至 Ac3 或 Acm 以上 40~60℃，保温一段时间后，从 炉中取温 度 ℃ 加热 保温 空冷 11 出在空气中或喷水、喷雾或吹风冷却的金属热处理工艺。 其目的是在于使晶粒细化和碳化物分布均匀化，去除材料的内应力，降低材料的硬度 ，为接下来的加工做准备。 20 钢属于低碳钢，正火后硬度略高于退火，韧性也较好，可作为切削加工热处理。 20 钢的相变临界点 Ac1=735℃， Ac3 或 Acm=854℃， Ar1=682℃，Ar3=835℃。 所以确定加热温度为 900℃。 此时自由铁素体全部转化为奥氏体。  保温时间 工件在炉内要进行一段时间的保温，一方面是为了使工件能够很好地透热，另一方面使工件内部各部分的温度分布均匀一致，组织 状态均匀一致。 保温时间的确定也与钢的成分、工件的尺寸与形状等有关。 由于合金钢中碳化物内存在大量的合金元素，提高了碳化物的稳定性，使得合金碳化物即使在高温下也很难溶解，所以要进行长时间的保温， 通过查阅合金钢手册 20 钢 材料 的 正 火曲线取保温时间为 2h。  冷却方法 由《热处理工艺规范与数据手册》选择 20 钢预先热处理的冷却方式为静止在空气中冷却。 20 钢正火后组织 放大倍数： 100 浸蚀剂： 4%硝酸酒精 材料及状态： 20 钢 处理： 900℃加热后正火处理 12 组织及说明：白色基体为铁素体等轴晶，黑色块状为片状珠光体。 此为正火后的正常组织。  最终热处理工艺制度的制订 由于齿轮零件的工作环境要求零件具有一定的耐磨性、表面硬度，具有一定的韧度，所以在精加工之前必须对零件表面进行表面渗碳处理，以改善表面硬度和耐磨性，然后进行淬火 +低温回火处理。 低 温回火又称“消除应力回火”。 回火温度范围为 150250 摄氏度，回火后的组织为回火马氏体。 钢具有高硬度和高耐磨性， 使 内应力和脆性降低。 经渗碳和表面淬火的零件，回火后的硬度一般为5864HRC。 20 钢表面渗碳工艺的制定 渗碳是目前机械制造工艺中应用最广泛的一种化学热处理方法，其工艺特点是将低碳钢或低碳合金钢零件在增碳的活性介质（渗碳剂）加热到高温，使碳原子渗入表面层，继之以淬火并低温回火，使零件表层与心部具有不同成分、组织与性能。 低碳钢在渗碳后在缓慢冷却的条件下，渗碳层的组织基本上与 Fe— Fe3C 状态图上各相区相对应，即由表面到中心依次为过共析区（渗碳体成网状、粒状或块状），共析区，亚共析区（即过渡层），中心组织即为原始组织。 如图所示  液滴式气体渗碳 原理： 向渗碳炉内滴入液态碳氢（或碳氢氧）化合物，经过热解，形成 C，CO、及少 量 2CO 、 OH2 的气氛，其中 4CH 和 及 CO 在与炉罐及钢件表面接触时发生分解，析出活性碳原子渗入工件。 13 气体渗碳法由分解、吸收与扩散三个基本过组成。 首先是渗碳气氛在高温下分解活性原子，即 随后 ，活性碳原子被钢表面吸收而溶于奥氏体中，并向钢内扩散而形成一定深度的渗碳层。 选择液滴式气体渗碳的原因： 生产效率高，操作方便，容易实现自动化连续生产，渗层质量好，废气有污染，但是现在绝大多数都有了废气净化设备。 适应于大批量生产，且使用最为广泛。 在经济性上，也是比较合适的。 冷却方法：出炉空冷， 渗碳过程以后 20 钢的 表面硬度 60HRC。  渗碳后的淬火 淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到马氏体 或贝氏体组织，然后配合以不同温度的回火，以大幅提高钢的强度、硬度、 耐磨性、疲劳强度以及韧性等，从而满足各种机械零件和工具的不同使用要求。 也可以通过淬火满足某些特种钢材的的铁磁性、耐蚀性等特殊的物理、化学性能。  淬火工艺制度的制定  CHCH  24 2 CCOCO  22 COHHCO  2214 加热速度 加热速度与退火时的加热速度相同，加热速度选择为 90～ 100℃ /h。 一般在空气炉中的加热比在盐浴炉中加热要高 10～ 30℃，采用油、硝盐淬火介质时，淬火加热温度比用水淬火时要提高 20℃左右。 加热温度 钢的淬火加热温度与钢的含碳量有关，亚共析钢的加热温度为 Ac3+（ 30～50）℃；共析钢和过共析钢的淬火加热温度为 Ac1+（ 30～ 50）℃。 因为 20钢的Ac3点温度是 854℃，所以加热温度为 880～ 900℃。 加热时间与保温时间 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。 加热时间和保温时间一共由三部分组成：①升温时间；②透热时间；③组织转变时间。 钢的加热时间的经验公式 τ =KW 式中 τ —— 加热时间， Min 或 s； K—— 综合物理因素； F—— 工件的表面积。 KW使用 时间系数见下表： 由于本小组所选渗碳淬火设备为密封箱式炉，为气氛炉，以及齿轮有效厚度为 30mm，所以钢的加热时间为： τ =KW= （ — ） D=（ — ） 30=（ — ） min。 保温时间 保温时间可以由经验公式τ =α KD来加以确定。 其中为保温时间系数，可从工具书查得； k 为工件在炉中装炉形式所相应的修正系数； D 为工件的有效厚度。 根据本设计中零件的相关尺寸计算，其中 k 取 1，所以保温时间为： τ =α KD= 1 30=36min。 15 保温时间系数见下表单位为（ min/mm）： 冷却 冷却是淬火的关键工序，它直接影响到。