学位论文-—热处理工艺与设备课程设计.doc

金属热处理工艺与设备
课程设计

题目： 高速、轻载或高速、中载，有冲击的小齿轮
齿轮外径100mm，厚度30mm

院系： 材料科学与工程
班级： 材料
姓名： gudong
学号： 201011~~~~
指导教师：

2013年 7月 12日
目 录
前 言 3
第一章 金属热处理课程设计简介 4
1.1课程设计的任务与性质 4
1.2课程设计的目的 4
1.3设计内容与基本要求 4
1.4设计步骤 5
1.5设计材料及零件要求 5
第二章 材料选择及基本参数 6
2.1 热处理零件的选材原则 6
2.2材料选择： 7
2.3材料基本参数 7
第三章工艺设计 8
3.1加工工艺设计 8
3.2热处理工艺设计 9
3.2.1材料的CCT及TTT图 9
3.2.2热处理工艺制度的制定 9
3.3热处理设备选择 15
3.3.1预备热处理设备的选择 15
3.3.2最终热处理设备的选择 16
第四章 结束语 19
参考文献 19

前 言
金属材料的热处理工艺设计及实验操作是一种重要的教学环节，通过金属材料热处理工艺的金相组织分析、性能检测等实验，可以培养学生掌握热处理实验方法、原理及相关设备，应用热处理的基本原理和一般规律对实验结果进行分析讨论，有助于学生解决问题、分析问题的能力。本课程设计是在《材料科学基础》﹑《金属热处理工艺学》﹑《失效分析》﹑《金属力学性能》等课程学习的基础上开设的，是理论与实践相结合的重要教学环节。通过该课程设计，可使学生在综合运用所学专业基础理论和专业知识能力方面得到训练，学会独立分析问题和解决问题的方法，提高工程意识和工程设计能力。
热处理工艺是整个金属材料工程的一个重要环节，它与工件设计及其它加工工艺之间存在密切关系。如何实现工件设计时提出的几何形状和加工精度，满足设计时所要求的多种性能指标，热处理工艺制定的合理与否，有着至关重要的作用。
现代工业的飞速发展对机械零部件﹑工模具等提出的要求愈来愈高。热处理不仅对锻造机械加工的顺利进行和保证加工效果起着重要作用，而且在改善或消除加工后缺陷，提高工件的使用寿命等方面起着重要作用。为获得理想的组织与性能，保证零件在生产过程中的质量稳定性和使用寿命，就必须从工件的特点﹑要求和技术条件，认真分析产品在使用过程中的受力状况和可能失效形式，正确选择材料；再根据生产规模﹑现场条件﹑热处理设备提出几种可行的热处理方案，最后根据其经济性﹑方便性﹑质量稳定性和便于管理﹑降低成本等因素，确定出一种最佳方案。

第一章 金属热处理工艺与设备课程设计简介
1.1课程设计的任务与性质
金属材料热处理工艺与设备课程设计是学生对热处理工艺的基础知识、原理及方法的综合应用及全面训练，进一步提高学生技能，达到本学科基本要求的重要教学环节。通过课程设计，可以培养学生初步的设计思想、分析问题和解决问题的能力，根据实际需要和要求，掌握金属材料（零件）的选材、加工、热处理设计、确定最终的工艺路线、热处理设备选用及热处理缺陷分析等流程的一般方法和步骤；初步培养学生的设计基本技能和对工程技术问题的严肃认真、负责的态度。进一步理解常用材料的组织的转变过程及热处理方法，通过课程设计能够更好地理解材料成分、组织、结构和性能相互之间的内在联系；通过本课程设计，使学生对所学习过的知识有一个系统的、健全的结构把握，能够有效地训练学生的逻辑思维能力，分析问题和解决问题的能力；通过课程设计，使学生了解从材料使用性能、成本要求、加工工艺性能等多方面考虑一个零件的热处理工艺。
1.2课程设计的目的
1、课程设计属于《金属热处理原理与工艺》课程的延续，通过设计实践，进一步学习掌握金属热处理工艺设计的一般规律和方法。
2、培养综合运用金属学、材料性能学、金属工艺学、金属材料热处理及结构工艺等相关知识，进行工程设计的能力。
3.培养使用手册、图册、有关资料及设计标准规范的能力。
4.提高技术总结及编制技术文件的能力。
5.是金属材料工程专业毕业设计教学环节实施的技术准备。
1.3设计内容与基本要求
1.3.1设计内容
根据使用性能要求完成某机器零件或工模具的选材、加工工艺流程、热处理工艺设计及缺陷检验等项目。包括选材依据、加工工艺流程及方法、热处理工艺路线及参数的确定、热处理设备的选择及操作、材料性能检测及缺陷检验与分析等。
1.3.2基本要求
1.课程设计必须独立的进行，每人必须完成不同的某一种钢材热处理工艺设计，能够较清楚地表达所采用热处理工艺的基本原理和一般规律。
2.合理地确定工艺方法、路线、参数，合理选择热处理设备并正确操作。
3.正确利用TTT、CCT图等设计工具，认真进行方案分析。
4.正确运用现代材料性能检测手段，进行金相组织分析和材料性能检测等。
5.课程设计说明书力求用工程术语，文字通顺简练，字迹工整，图表清晰。
1.4设计步骤
1.根据零件服役条件合理选择材料及提出技术要求。
2.零件按材料、形状、尺寸、重量和性能要求等确定其热处理工艺方法、路线及相关参数。
3.选择热处理设备及温度控制方式、冷却介质。
4.热处理工艺实例。
5.热处理后材料性能检测。
6.缺陷检验与分析。
一般根据零件使用性能及技术要求，提出所可能实施的几种热处理工艺方案，首先从其所可能达到的性能要求，工艺操作的繁简及质量可靠性等进行分析比较，再根据生产批量的大小，现有设备条件及国内外热处理技术发展趋势，进行综合技术经济分析，确定最佳热处理工艺方案。
1.5设计材料及零件要求
零件：高速、轻载或高速、中载，有冲击的小齿轮；
要求：渗碳,淬火,低温回火,HRC56—62；
大小：外径100mm；
材料：20钢。

第二章 材料选择及基本参数
2.1 热处理零件的选材原则
2.1.1使用性原则
使用性原则是零件在使用中应该具有的性能，这是保证零件完成规定功能的必要条件。在选材之前必须了解零件承受的负载类型及大小，所处工作环境和介质温度等服役条件。服役条件不同，性能要求也不一样。如：螺栓、拉杆等承受拉伸载荷的工件要求有较高的屈服强度和抗拉强度；承受交变载荷的半轴、曲轴等除了应具备良好的综合机械性能外，还应有高的疲劳强度；而冲模、齿轮、铣刀等则要求有高的表面硬度。
2.1.2工艺性原则
零件毛坯主要有铸件、锻件、焊接件和型材四种，熟悉材料的加工工艺过程和材料的工艺性能，使所选材料比较容易加工成工件，在选材时必须考虑材料的加工工艺性能。从原材料到成品件，不同的工作经过了不同的冷、热加工工艺，从工艺性出发，选材可按下列技术路线进行：
综合比较初选材料
提出对材料工艺性能的要求
制造加工工艺路线

不合格
初选材料

重选或修改

合格

确定材料

2.1.3经济性原则
选材要讲经济效益，即应计算所得与所费、投入与产出、有用效果与、劳动消耗，要对它们进行评价和比较，从中选择最合适的不一定是最好的或单价最贵的材料，以最好的消耗量得到最大的效益，这就是经济性原则。
2.2材料选择
选择20钢材料。
零件设计：试样为外径100mm的小齿轮。
齿轮主要用于传递扭矩和调节速度，其工作时的受力情况是：
1.由于传递扭矩，齿根承受很大的交变弯曲应力；
2.换挡，启动或啮合不均时，齿根承受一定冲击载荷；
3.齿面相互滚动或滑动接触，承受很大的接触压应力及摩擦力的作用。
按照工作条件的不同，齿轮的失效形式主要有以下几种：
1.疲劳段裂：主要从根部发生，齿轮最严重的失效形式，常常因为一齿断裂引起数齿或所有齿断裂；
2.齿面磨损：由于齿面相互接触摩擦，使齿厚变薄；
3.齿面接触疲劳破坏：交变应力作用下，齿面产生微裂纹，微裂纹的发展，引起点状剥落；
4.过载断裂：主要是冲击载荷过大造成的断齿。
根据齿轮的工作条件及失效形式，对齿轮的性能要求如下：
1.高的弯曲疲劳强度；
2.高的接触疲劳强度和耐磨性；
3.较高的强度和冲击韧度。

2.3材料基本参数
20钢材料简介
材料名称：优质碳素结构钢
牌号：20钢
标准：GB/T 699-1999
20 代表这种钢的含碳量在0.2左右。
20钢材料的性能及用途
性能：强度比15号钢稍高，很少淬火，无回火脆性。冷变形塑性高、一般供弯曲、压延、弯边和锤拱等加工，电弧焊和接触焊的焊接性能好，气焊时厚度小，外形要求严格或形状复杂的制件上易发生裂纹。切削加工性冷拔或正火状态较退火状态好、一般用于制造受力不大而韧性要求高的。
该钢属于优质低碳碳素钢，冷挤压、渗碳淬硬钢。该钢强度低，韧性、塑性和焊接性均好。抗拉强度为355~500MPa，伸长率≥24%。
用途：常用于制造受力不大，韧度较高的结构件和零件以及制造强度要求不太高的渗碳受磨零件,如焊接容器、螺母、螺钉、凸轮、齿轮等。

表1 20钢材料化学成分

牌号
化学成分（质量分数）%
C
Si
Mn
Cr
Ni
Cu
≤
20
0.17~0.23
0.17~0.37
0.35~0.65
0.25
0.30
0.25

表2 20钢材料力学性能
机械性质
硬度
（HB）
抗拉强度
Mpa
屈服强度
Mpa
伸长率
%
面积缩减
%
冲击功
（J）
156
≥420
≥250
≥25
≥55
无

第三章工艺设计
3.1加工工艺设计
材料的加工工艺路线是比较复杂的，根据对工件性能要求的不同，热处理在加工工艺路线中的位置通常有以下三种情况：
⑴ 毛坯→正火（退火）→机械加工→工件成品（一般工件）
⑵ 毛坯→预先热处理（正火、退火或调质）→粗加工→最终热处理（淬火、回火、化学热处理等）→精加工（要求较高的工件）
⑶ 毛坯→预先热处理→粗加工→淬火、回火或化学热处理→半精加工→稳定化处理或化学热处理→精加工→稳定化处理→工件成品（精密工件）
根据所选20钢材料的特点及性能要求，该材料的加工工艺路线为：
毛坯→预先热处理（正火、退火或调质）→粗加工→最终热处理（淬火、回火、化学热处理等）→精加工（要求较高的工件）

零件加工工艺具体步骤：铸造制坯→预先热处理（正火）→车削加工→滚、插齿→剃齿→热处理→磨削加工→修整。
铸造制坯
预先热处理（正火）:正火的目的是获得适合后序齿轮切削加工的硬度,防止机加工发黏和为最终热处理做组织预备，以有效减少热处理变形。
车削加工：了满足高精度齿轮加工的定位要求，齿坯的加工全部采用数控车床，既保证了内孔与端面的垂直度要求，又保证了大批量齿坯生产的尺寸离散小。从而提高了齿坯精度，确保了后序齿轮的加工质量。数控车床加工的高效率还大大减少了设备数量，经济性好。
滚、插齿：加工齿部所用设备采用普通滚齿机和插齿机，调整维护方便 。
剃齿：剃齿加工是根据一对螺旋角不等的螺旋齿轮啮合的原理，剃齿刀与被切齿轮的轴线空间交叉一个角度，它们的啮合为无侧隙双面啮合的自由展成运动。
热处理：精加工之前的最终热处理，按照零件所需达到的性能，最终热处理工艺为表面渗碳以获得一定得表面硬度，然后淬火加低温回火，使零件具备必须的韧度，以及稳定合理的心部组织。
磨削加工：主要是对经过热处理的齿轮内孔、端面、轴的外径等部分进行精加工，以提高尺寸精度和减小形位公差。
修整：这是变速器、驱动桥齿轮装配前对齿部进行磕碰毛刺的检查清理，以消除它们在装配后引起噪声异响。通过单对啮合听声音或在综合检查仪上观察啮合偏差来完成。

3.2热处理工艺设计
3.2.1 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。

3.2.2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。
l 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
温 度 ℃

保温

空冷
加热

时间/h

20钢正火工艺曲线
Ø 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。
Ø 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。
Ø 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。
Ø 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
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。
l 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150-250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58-64HRC。
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

Ø 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、的气氛，其中和及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。

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。

Ø 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。

Ø 淬火工艺制度的制定

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= （0.117—0.175）D=（0.117—0.175）×30=（3.51—5.25）min。

保温时间
保温时间可以由经验公式τ=αKD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=αKD=1.2×1×30=36min。

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，它直接影响到钢淬火后的组织和性能。冷却时应使冷却速度大于临界冷却速度，以保证获得马氏体组织；在这个前提下又应尽量缓慢冷却，以减少钢中的内应力，防止变形和开裂。为此，可根据C曲线图（如图8所示），使淬火工作在过冷奥氏体最不稳定的温度范围（650～550℃）进行快冷（即与C曲线的“鼻尖”相切），而在较低温度（300～100℃）时冷却速度则尽可能小些。

冷却介质
水冷，冷却速度较快，是奥氏体转变为细小的马氏体，试样的硬度对比与其他两种冷却方式也较高，而油冷的方式较空冷速度较快，所以试样的硬度比空冷的要大。

组织特点
材料及状态：20钢 
  处理：900℃加热保温后水淬 
组织及说明：低碳马氏体，又称板条状马氏体，硬度为46～47HRC。     
低碳钢淬火后可得到板条状马氏体组织，它的特征是:尺寸大致相同的条状马氏体定向平行排列，组成马氏体束或马氏体区域，在区域与区域之间位向差较大，一颗原始的奥氏体晶粒内可以形成几个不同取向的区域。 
  20钢通过加热后淬火、回火等处理，可以改善其力学性能和可加工性，以充分利用它的潜在性能，来制造强度和韧性要求较高的零部件。

20钢的低温回火处理
钢的回火是一个由淬火马氏体+残余奥氏体组织向铁素体和碳化物转变的扩散相变过程。
由于淬火后金属硬而脆，产生的表面残余应力会造成冷裂纹，回火可作为在不影响硬度的基础上，消除冷裂纹的手段之一。淬火钢的硬度高、脆性大，直接使用常发生脆断。所以必须进行低温回火处理。低温回火可以消除内应力，降低钢的脆性，对硬度降低不明显，因此低温回火后仍可保持钢件的高硬度。
选定20钢的回火温度为150—200℃。因为零件的有效厚度为30mm，所以确定回火保温时间为1.5h。然后在空气中冷却至室温。回火后硬度达58—63HRC，满足零件设计要求。

低碳钢回火硬度曲线

结论：低碳钢低温回火可以得到较高的强度及一定的塑性与韧性。

低碳钢回火后力学性能
当低于200℃回火时，强度与硬度下降不多，塑性与韧性也基本不变。这是由于此温度下仅有碳原子的偏聚而无析出。固溶强化得以保持的缘故。当高于300℃回火时，硬度、强度下降明显，塑性有所上升，冲击韧性下降至最低，见上图。这是由于薄片状θ碳化物析出于马氏体条间并充分长大，从而降低了冲击韧性，而α基体因回复和再结晶共同作用，提高了塑性， 降低了强度。

热处理工艺制度的制定：方案二
预先热处理
正火：由于20钢硬度太低，切削加工时易产生粘刀现象，切削加工性能较差。为此，在机械加工前，对其进行正火处理，将毛坯在最高温度950℃的中温箱式电阻炉加热至830～850℃，保温1.5h后在空气中冷却。使其硬度适当提高，有效地改善切削加工性，并为后续热处理做组织准备。

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

渗碳：完成齿轮的粗精加工后对其进行渗碳处理，增加零件表层的碳质量分数和碳浓度梯度，从而使齿轮获得高的表面硬度和耐磨性。零件渗碳后碳原子大量融入奥氏体中，大大提高了过冷奥氏体的稳定性，Ms点显著降低，溶入的C越多，渗碳后工件的后续热处理难度也越大。考虑到工件的耐磨性能，将表面碳质量分数控制在0.75%～0.85%为宜，可降低残余奥氏体的量，渗层碳浓度梯度平缓，渗层力学性能好。

渗碳工艺的制定
固体渗碳法原理：渗剂置于铸铁、低碳钢或耐热钢罐中，工件埋入渗剂，用该封好，按0.1mm/h渗速和渗层深度要求确定渗碳时间。
渗碳化学反应：、

渗碳剂的确定：BaCO3、CaCO3、木炭，（该组合20钢常用）。
查表 —渗碳温度对渗碳层深度的影响 选择渗碳温度为920—940℃，要得到所需渗碳层深度0.5mm，渗碳过程需进行3h。
查表—渗碳保温时间与渗碳层厚度的关系
渗碳温度920—940℃，该温度下，一般渗碳层深度时，平均渗速为0.1—0.15mm/h。根据该表确定零件在炉中的保温时间为4h能达到渗碳层深度为0.5mm的要求。
冷却方式：出炉空冷。渗碳过程以后20钢的表面硬度>60HRC。

渗碳后淬火

加热速度
加热温度
保温时间
冷却方式
90～100℃/h
1000℃
0.5h
油淬

淬火的目的是使在表面形成高碳马氏体或细粒状碳化物组织。
①加热速度：加热速度与正火时的加热速度相同，加热速度选择为90～100℃/h。
②加热温度：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。水淬时选择温度880～900℃，油淬时选择温度为900～920℃。
③加热时间与保温时间：
加热时间τ=KW= （0.117—0.175）D=（0.117—0.175）×30=（3.51—5.25）min
保温时间τ=αKD=1.2×1×30=36min。
④淬火冷却：采用常见的淬火冷却方式——油冷淬火，以油为冷却介质的淬火冷却，当冷至油温的时候将工件取出空冷。

低温回火
加热温度为150～200℃，保温1.5h。通过回火使工件内部组织转变为回火马氏体，稳定组织和工件的尺寸精度。

方案一与方案二的比较
比较（一）
方案一中渗碳工艺采用液滴式气体法，方案二中采用固体法。
固体法：效率低，劳动条件差，表面碳浓度难控制，但对加热炉要求低，易于操作。适用于多品种小批量生产和深层渗碳。
滴注式气体渗碳：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。液体滴剂用量大，生产成本较高。在井式炉中渗碳后直接出炉淬火，工件会氧化和脱碳，对随后不加工使用零件的质量有显著影响。

比较（二）
方案一中淬火冷却方式为水冷，方案二中淬火冷却方式为油冷。
经不同冷却速度的硬度

水冷后的组织 油冷后得到的组织

由上图可知，水冷和油冷均得到了细小的马氏体组织。
水冷，冷却速度较快，是奥氏体转变为细小的马氏体，试样的硬度对比与其他两种冷却方式也较高，而油冷的方式较空冷速度较快，所以试样的硬度比空冷的要大。
20钢淬透性低，水冷比油冷的淬透性好，保持内部的塑性和韧性，对于齿轮是比较有利的。

比较（三）
方案一淬火温度是900度，方案二是1000度

以上左图是1000度下的金相图，马氏体通常是硬而脆的组织，其实只有中碳或高碳钢在淬火后可得到既硬又脆的高碳马氏体组织，而低碳钢淬火后得到的低碳马氏体其强韧性却很好。目前很多工厂已广泛采用低碳钢或低碳低合金钢通过高温淬火和低温回火处理，以获得强韧性好的低碳马氏体组织，从而提高零件的力学性能和使用寿命，以满足生产要求和节省原材料。
右图是在900度下的金相图，得到的马氏体一般的板条状。尺寸大致相同的条状马氏体定向平行排列，组成马氏体束或马氏体区域，在区域与区域之间位向差较大，一颗原始的奥氏体晶粒内可以形成几个不同取向的区域。

最终方案：综合考虑技术性、加工零件的工艺性能、经济性、操作的可行性等各方面，最终选择方案一作为本组最终热处理方案。
3.3热处理设备选择
3.3.1预备热处理设备的选择
Ø 正火设备的选择
在本设计中的零件形状为圆柱形，形状规则且比较小，其预备热处理的目的为改善零件硬度和韧度，防止零件机加工发黏，还有细化组织，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。由于20钢材料的正火工艺中无需通过气体保护进行加热，所以可以采用空气气氛直接装炉加热；所以正火炉选择普通中温箱式电阻炉即可满足设计要求。
这类炉子由炉体和电气控制柜组成。炉体由炉架和炉壳、炉衬、炉门、电热元件及炉门升降机构等组成。电热元件多分布于两侧墙和炉底。炉内温度均匀度状态主要受电热元件布置，炉门的密封和保温等状态的影响。通常炉膛前端温度较低。工件在高中、温箱式电阻炉中加热主要靠电热元件和炉壁的热辐射。根据形状、尺寸以及生产批量选择型号为RX3—15—9的中温箱式电阻炉作为该凹模的正火热处理设备。

3.3.2最终热处理设备的选择
渗碳和淬火设备----密封箱式炉
渗碳目的：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。
组织：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。
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。
选择密封箱式炉的理由：
齿轮表面要求比较高，也属于精细的零件，所以在热处理过程中尽量减少它的氧化和脱碳。所以当工件在可控气氛中加热渗碳，并在同一设备中淬火，克服了加热和淬火分离在两个设备中进行的缺点，减小了齿轮的氧化和脱碳，既保证了产品质量，又改善了劳动环境和减少了环境污染。
投资中等，热处理质量稳定，全电脑控制，自动化作业，操作人员少，工作环境好，操作、维护及原料供应方便等优点,是实现优质、高效、节能、低成本和清洁生产的先进热处理设备。

密封箱式炉型号及主要技术参数
型号
最大装炉重量
/kg
炉内有效尺寸（长×宽×高）
/mm
最高使用温度
/℃
额定加热功率
/kw
淬火油槽体积
/
油槽加热功率
/kw
油槽使
用温度
/℃
UBE—200
200
300×760×350
950
48
2.7
18
150
UBE—400
400
600×900×600
950
63
4.0
24
150
UBE—600
600
760×1200×600
950
82
4.9
30
150
UBE—1000
1000
760×1200×800
950
120
8.0
48
150

根据零件尺寸特点及加工性能要求可知，选择型号UBE—200的密封箱式炉即可符合生产加工要求。

工作过程
前室用于置换装出料时所带入空气，同时确保工件从加热转移到淬火、缓冷的过程完全在保护气氛下进行
中间驱动装置，可将工件从前室推到加热室并立即返回到前室，或者将加热室的工件拉到前室进行淬火，驱动链及装置处于低温部位。驱动链的移动距离用凸轮开关控制
加热室由炉衬、辐射管、风扇、导风马弗、中炉门等组成。
一般加热温度为820～860℃。对用连续式气体渗碳炉或密填充箱式炉渗碳的齿轮，为细化晶粒在冷却装置中冷至600℃后，再重新加热至淬火温度。
以甲醇基为主的滴注式气氛,因气氛碳势可控,渗速比较高,工艺操作简便,在渗碳、碳氮共渗以及奥氏体和铁素体氮碳共渗等化学热处理中获得了较为广泛的应用。

注意事项
1.合理的操作规程。前室排气管应随排气量变化而改变排气口颈，当炉压增高时，应打开大口径排管；当气量减少、炉压下降时，应用小排管排气
2.前室结构防暴。前室在满足生产要求时尽量较小，前室内不应存在易存气体的死角，从加热室至前室的过道应在中间门下部。前室炉门下方设火帘和点火嘴
3.排气管要合适为防止在炉内形成负压而从排气管吸入空气，常在排气管顶端安装一个环型燃烧器，在其旁边设一点火引燃器。
4.防爆盖。常设于前室顶部
5.前世抽真空。可以避免可燃气体与空气混合爆炸
6.完善的报警系统。

低温回火—低温回火箱式炉
低温回火目的： 钢的回火是一个由淬火马氏体+残余奥氏体组织向铁素体和碳化物转变的扩散相变过程，低温回火可以消除内应力，降低钢的脆性，对硬度降低不明显，因此低温回火后仍可保持钢件的高硬度。
选定20钢的回火温度为150—200℃。因为零件的有效厚度为30mm，所以确定回火保温时间为1.5h。然后在空气中冷却至室温。回火后硬度达58—63HRC，满足零件设计要求。
低温回火箱式炉特点：低温炉多用于淬火钢件的回火加热，也可用于有色金属的热处理，如铝合金的固溶和时效处理。由于低温炉炉内温度较低，炉内的传热方式主要靠对流进行，因此常在加热炉内安放风扇装置来使对流均匀，缩短加热时间。
适合小工件的加热，比较简单和操作简单，经济性比较好。
工作原理:以电作为热源，将电流通入电热元件，借助于电热元件的电阻热效应来实现对工件加热的炉子。

第四章 心得体会
从零件的选材到加工工艺设计、热处理工艺设计（加热速度、加热时间、保温时间、冷却方式）再到各个工艺所需设备的选择，我初步学会了如何使用热处理相关工具书找到自己所需要的资料，对热处理这门课程有了更加系统、全面、深刻的认识，同时对自己也是一种能力上的培养。本次课程设计让我熟悉了热处理设计的程序而且了解了热处理设计的关键和最重要的地方，同时对热加工和对零件材料的热处理又有了更深刻的了解。

参考文献
[1]中国机械工程学会热处理学会编 热处理手册（热处理设备和功辅材料） 第四版 机械工业出版社
[2] 杨文杰 宋春梅 编. 金属材料热加工设备 .哈尔滨工业大学出版社
[3] 李国彬编 热处理规范与数据手册 北京 化学工业出版社
[4] 樊东黎 徐跃明 佟晓辉编 热处理技术数据手册 第二版 机械工业出版社

工艺卡片填写
通用热处理工艺卡

零件名称：齿轮
热处理工艺卡片
处理前要求：要求工件洁净，形状无突变，并且对厚度小的地方采用石棉防护。
零件号：
材料：20钢
工序号：
装炉方法及数量：根据热处理过程中相应炉型的有效加热范围和装炉时工件之间的间隔距离计算出相应热处理设备的装入量，工件在热处理设备中需要垫具保证其受热均匀，通过所选夹具装炉。在中温箱式电阻炉中的装炉量为10～12；在油淬真空炉中的装炉量为5。
热处理技术要求：
硬度：表面 56—63 心部40—47HRC
渗碳层深度： 0.5mm
允许变形量：0.5mm
工
步
号
名称
设备
工装、夹具
加 热
保 温
冷 却

温度/℃
时间/min
温度/℃
时间/min
介质
温度/℃
1
正火
RX3—15—9

880～920℃
360
880～920℃
120
空气
以≤30℃/h冷却至室温
2
渗碳
UBE—200

920～940℃
360
920～940℃
30
水淬
冷至油温空冷
3
淬火
RX3—15—9

770～800℃
240
770～8