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40Cr连杆正火-调质热处理工艺设计

精品资料

辽 宁 工 业 大 学
工艺 课程设计（论文）

题目： 40Cr连杆正火-调质热处理工艺设计

院（系）：
材料科学与工程学院
专业班级：
材料103
学号：
100208091
学生姓名：
董国建
指导教师：
商剑
起止时间：
2013-7-1~2013-7-12

课程设计（论文）任务及评语
院（系）：材料科学与工程学院　　　　　　　 教研室：材料科学与工程教研室
学 号
100208091
学生姓名
董国建
专业班级
材料103
课程设计（论 文）题 目
40Cr连杆正火调质热处理工艺设计
课程设计（论文）要求与任务
一、课设要求
熟悉设计题目，查阅相关文献资料，概述相关零件的热处理工艺，进行零件的服役条件与失效形式分析，提出硬度、耐磨性、强度等要求。完成工艺设计。阐述40Cr连杆正火调质热处理工艺理论基础，选择设备、仪表和工夹具，阐述连杆热处理质量检验项目、内容及要求；阐明连杆热处理常见缺陷的预防及补救方法；给出所用参考文献。
二、课设任务
1.主动连杆材料的选择（要求在满足零件使用性能的前提下，兼顾经济性和工艺性，合理选择材料）；
2.给出40Cr的C曲线；
3.给出40Cr连杆冷热加工工艺流程图；
4.制定40Cr连杆正火调质热处理工艺。
三、设计说明书要求
设计说明书包括三部分：1）概述；2）工艺设计；3）热处理工艺卡；4）参考文献。设计说明书结构见《工艺设计模板》。
工作计划
集中学习0.5天，资料查阅与学习，讨论1.5天，设计7天：1）概述0.5天，2）服役条件与性能要求0.5天，3）失效形式、材料的选择0.5天，4）结构形状与热处理工艺性0.5天，5）冷热加工工序安排0.5天，6）工艺流程图0.5天，7）热处理工艺设计2天，8）工艺的理论基础、原则0.5天，9）设计工夹具0.5天，10）可能出现的问题分析及防止措施0.5天，11）热处理质量分析0.5天，设计验收1天。
指导教师评语及成绩

成绩： 学生签字： 指导教师签字：

年 月 日

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目 录
1连杆热处理工艺概述 1
2 连杆的热处理工艺设计 2
2.1连杆的服役条件和失效形式 2
2.2 连杆技术要求及示意图 2
2.3连杆材料选择 3
2.4 40Cr的化学成分 4
2.5 40Cr的C曲线 4
2.5 连杆的加工工艺流程图 5
2.6 40Cr连杆的正火、调质热处理工艺 5
2.7 40Cr连杆的正火、调质热处理工艺理论 7
2.8 40Cr连杆热处理的设备、仪表和工夹具选择 8
2.9 40Cr连杆的热处理质量检验项目、内容及要求 11
2.10 40Cr连杆的热处理常见缺陷的预防及补救方法 12
3 热处理工艺卡 13
3.1 40Cr连杆正火工艺卡 13
3.2 40Cr连杆淬火工艺卡 14
3.1 40Cr连杆回火工艺卡 15
4 参考文献 16

1连杆热处理工艺概述
汽车连杆是发动机中一个重要的连接零件，在工作时它承受冲击性的、周期变化的拉应力和装配时的预应力，要求它具有足够的强度、冲击韧性和抗疲劳性能。40Cr屈服强度及淬透性均比40钢高，临界淬透直径:油中约为15-40 mm, 水中约为 28-60 mm。断面尺寸在＜50mm时， 油淬无自由铁素体析，故有较高的疲劳强度，当含水碳量下限时，经淬火和回火后，除能获得较高的强度外，还有良好的韧性，水淬时，形状复杂的零件容易形成开裂，在450-680mm回火时，有第二类回火脆性倾向，但可随着截面尺寸的减少而减弱，白点敏感性较大，所以锻后宜缓冷，冷变塑性中等，冷顶锻前最予以球化处理，正火或调质后，可削性很好，正火后可削性也较好。

2 连杆的热处理工艺设计
2.1连杆的服役条件和失效形式
2.1.1 服役条件
（1）连杆机构中两端分别与主动和从动构件铰接以传递运动合理的杆件。在发动机工作过程中，连杆要承受膨胀气体的作用，还要承受纵向和横向的惯性力。在一个复杂的应力状态下工作。它既收交变的拉压应力，又受弯曲应力。因此连杆负载种类为疲劳冲击。
（2）连杆受到的应力状态主要受拉应力和压应力。
2.1.2 失效形式
连杆的主要损坏形式是疲劳断裂和过量变形。通常疲劳断裂的部位是在连杆上的三个高应力区域。连杆的工作条件要求连杆具有较高的强度和抗疲劳性能；又要求具有足够的钢性和韧性。
2.2 连杆技术要求及示意图
2.2.1技术要求
具有良好的综合力学性能，即高的强度，良好的塑性和韧性。
（1）在力学方面，钢材经调质处理后，性能应能达到零件要求的性能指标。根据大多数调质件对力学性能要求来看，其性能指标在如下范围内。
σb ： 600-1200MPa
σs ： 320-800MPa
σs /σb ： 50-60%
δ ： 10-20%
Ψ ： 40-50%
布氏硬度： 170-320HB
（2）在工艺性能方面，除应具有良好的锻造性和切削加工性以外，最重要的是淬透性，以尽量提高钢件的淬透性。

2.2.2 连杆示意图
图1为汽车连杆零件示意图。

图1 汽车连杆示意图
2.3连杆材料选择
连杆的工作条件要求连杆具有较强的强度和抗疲劳性能，又要求具有足够的钢性和韧性。连杆加工工艺中其材料一般采取45钢，40Cr或40MnB等调质钢，合金钢虽具有很高强度，但对应力集中很敏感。所以，在连杆外形，过度圆角等方面需严格要求，还应注意表面加工质量以提高疲劳强度，否则高强度合金钢的应用并不能到达零件的工艺分析。
钢的性能决定于钢的组织，而钢的组织又与其淬透性有直接关系。实践证明，完全淬透适当回火后，钢具有最好的综合力学性能。当零件完全淬透时，不论碳钢或合金钢，要回火到相同硬度，其抗拉强度、屈服强度和疲劳强度也基本相同。对于调质钢来讲，加入合金元素主要是为了提高钢件的淬透性，因此常加入合金元素有Mn，Si，Cr，Mo，B等提高钢的强度和韧性，增加淬透性。
因此，连杆可选用40Cr合金钢。

2.4 40Cr的化学成分
（1）碳含量：中碳Wc：0.25-0.5%，保证处理后具有足够的强度，良好的塑性和韧性。碳含量太低，强度硬度不足；太高，塑性，韧性降低；为到达两者兼顾，取中碳范围。一般碳素调质钢的淬透性低，含量偏上限；合金调质钢淬透性好，随着合金元素增加，含碳量趋于下限。
（2）合金元素：主加Cr，Ni，Mn，Si，Al等，提高淬透性，调质处理后有良好的综合力学性能；辅加W，Mo元素，防止高温回火脆性，细化晶粒，提高回火稳定性。加入放置第二类回火稳定的元素：含Ni，Cr，Mn的合金调质钢，高温回火慢冷是以长生第二类回火脆性。在钢中加入Mo，W可以防止第二类回火脆性，其适合含量约为0.15%-0.30%Mo或0.8%-1.2的W。
2.5 40Cr的C曲线
图2是40Cr的C曲线。

图2 40Cr的C曲线
2.5 连杆的加工工艺流程图
连杆加工工艺流程图如图3所示。
精加工
喷丸
调质
正火
下料
锻造

图3 连杆加工工艺流程图
2.6 40Cr连杆的正火、调质热处理工艺
制造调质钢40Cr连杆采用的热处理工艺包括预备热处理的正火和最终热处理的调质处理。
2.6.1 锻造工艺规范
查阅《热处理工艺规范数据手册》可以找出40Cr钢工艺的加热温度、始锻温度冷却方式，本设计具体的锻造工艺参数如表1所示。
表1 40Cr锻造工艺规范
项目
加热温度/℃
开始温度/℃
终止温度/℃
冷  却
钢锭
850-870
1250-1350
835-870
缓冷
钢坯
800-820
1200-1300
835-840
缓冷

2.6.2正火工艺曲线
正火为调质处理做准备，将工件放入箱式正火炉中进行正火。加热温度Ac3+（30-50）℃。而40Cr材料的Ac3是820℃由此确定加热温度为850-870℃。确定保温时间为120min，冷却方式为空冷。图4为正火的工艺曲线图。
850-870℃
120min
空冷
时间/min
温度/℃

图4 正火的工艺曲线图

2.6.3调质工艺曲线
（1） 淬火工艺的制定
工件进入调质线进行工艺处理，淬火加热温度Ac3+（30-50）℃，而40Cr材料的Ac3是820℃，由此确定加热温度为850-870℃，确定保温时间80min，冷却方式为油冷。图5为淬火工艺曲线图。

850-870℃

80min
油冷
时间/min
温度/℃

图5 为淬火工艺曲线图

（2） 回火的制定
高温回火温度为500-650℃，确定保温时间为60min；冷却方式为空冷。图6为高温回火工艺曲线。
空冷
时间/min
温度/℃
500-650℃
60min

图6 高温回火工艺曲线

2.7 40Cr连杆的正火、调质热处理工艺理论
2.7.1 正火工艺原理
正火是指将钢材或钢件加热到 Ac3或Accm以上30-50℃ ，保持适当时间后，在静止的空气中冷却的热处理的工艺。钢件在Ac3线以上正火处理，正火的目的是细化晶粒，减少组织中的带状程度并调整好硬度以便机械加工，经过正火后的钢材具有等轴状的细晶粒，对珠光体钢也可以800℃左右进行一次退火以代替正火，可得到同样的效果，既细化晶粒，同时又改善了切削加工性。正火的方法是将工件加热到一定温度下，保温后，在空气中冷却。正火的目的与退火相似，由于在空气中冷却，冷却速度稍大，正火后得到的组织比退火的更细硬度也高一些。与退火相比，正火生产周期短、生产率高，所以应尽量用正火替代退火
2.7.2调质工艺原理
1、淬火
钢的淬火是将钢加热到临界温度Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上某一温度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等温）进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理工艺。 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。40Cr工件淬火后应采用油冷，40Cr钢的淬透性较好，在油中冷却能淬硬，而且工件的变形、开裂倾向小。
2、高温回火
钢的回火指钢件经淬硬后，再加热到Ac1以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。常见的回火工艺有：低温回火，中温回火，高温回火和多次回火等。回火的目的：主要是消除钢件在淬火时所产生的应力，使钢件具有高的硬度和耐磨性外，并具有所需要的塑性和韧性等。 40Cr的调质处理须高温回火，得到回火索氏体，具有良好综合机械性能。
2.7.3喷丸
喷丸强化是提高连杆抗疲劳性能的有效方法，该技术在国外早已得到广泛的应用，国内一些军工企业和先进厂家也得到逐步采用，这种工艺方法设备简单，工艺易行，推广代价不高，通过对毛坯（甚至成品）表面施压，达到消除零件的浅表缺陷，构筑表面强化层，保存表面无应力状态，从而达到进一步挖掘材料的强度潜力，延长零件使用寿命的显著效益。连杆锻件应进行强化喷丸，可以使材料表层产生剧烈的塑性变形，晶体点阵发生畸变，形成高密度的位错缠结，从而使表层强化。
2.8 40Cr连杆热处理的设备、仪表和工夹具选择
2.8.1设备
1、设备的选择
汽车半轴是细长的工件，在吊挂状态下加热可防止工件产生的变形、弯曲，所以采用井式电阻炉来加热工件。
正火用炉：箱式电阻炉
箱式电阻炉在热处理车间应用得最多，适用于中小型零件的热处理，如退火、正火、回火和固体渗碳等。
低、中、高温箱式电阻炉，分别以电阻丝、硅碳棒、硅钼棒为发热元件，使用温度300～1700℃。广泛应用于工农业生产和科研的各个领域。
箱式电阻炉的主要缺点是冷炉升温，炉内温差较大，工件容易产生氧化和脱碳，操作不方便，特别是大型箱式电阻炉，工人在操作时的劳动强度较大。图7为箱式电阻炉，此炉用于正火处理。

图7 箱式电阻炉
（2）中温井式电阻炉
这种炉子主要供金属杆件加热，根据炉子大小及炉温均匀性要求不同，可将炉子分若干加热区进行控制，炉盖可用砂封，水封或油封，一般中、小型炉采用杠杆升降机构。炉衬用轻质粘土砖砌筑。该连杆选用此炉用于淬火。
（3）低温井式电阻炉
型号有RJJ24-6、RJJ36-6、RJJ75-6，其最高工作温度为650℃，选一用于工件回火。
2.82仪表的选择
（1）温度检测仪表
a、膨胀式温度计
玻璃液体温度计，测量范围100-800℃，测量低温烘箱、碱浴、油浴、硝盐浴等的温度。
b、热电偶
可测0-2000℃范围内各种气体或液体的温度，热电偶应根据加热设备的类型、介质气氛、测温范围和热处理工艺要求进行选择。
c、热电阻
供200-500℃范围内的各种气体温度测量与调节。
d、半导体温度计
（2）温度显示与调节仪表
a、动圈式温度指示调节仪；
b、电子自动化平衡式温度显示与调节仪表；
c、力矩电机式温度指示调节仪；
d、温度调节器。
2.83热处理用工夹具、吊具
零件在热处理过程中，根据零件的处形、尺寸、批量和所选用的加热炉型号，需要各种吊具和工夹具，以保证零件的加工热均匀，不至于变形、弯曲，并保证操作安全，由于加热半轴的井式电阻炉的炉膛很深，加热工件时需用吊具。图8为热处理工夹具，图9为热处理吊具。

图8 热处理工夹具

图9 热处理吊具
2.9 40Cr连杆的热处理质量检验项目、内容及要求
（1）显微组织的检验
正火是加热保温后在空气中冷却，真空冷却比炉冷快，珠光体转变温度低，因此，正火后因为珠光体及可能出现的魏氏组织。按技术要求及标准进行检查淬硬层的显微组织，残留奥氏体数目，有无反常组织，心部组织是否粗大及铁素体是否超出技术要求等。
（2）外观形检查
检查工件表面有无腐蚀或氧化皮。不得有裂纹及碰伤，表面不得有锈蚀。
（3）工件变形检查
根据图样技术要求检查工件的挠曲变形，尺寸及几何形状的变化。
（4）淬硬层深度检查
感应加热淬火后应检查淬硬层深度，42CrMo淬硬层深度应在8mm左右。
（5）硬度检查
在淬火后检查包括淬硬层表面及心部硬度，一般洛氏硬度HRC标尺测量。40Cr钢在调质，感应淬火，低温回火后，表面硬度可达HRC50以上，心部硬度可达35-45。

2.10 40Cr连杆的热处理常见缺陷的预防及补救方法
40Cr连杆零件的热处理常见缺陷的预防及补救方法如表2所示。

表2 40Cr连杆零件的热处理常见缺陷的预防及补救方法
缺陷名称
形成原因
预防补救措施
大块夹杂物
冶炼不良
加强原材料进厂检验
折叠
锻造不良
加强锻件表面质量检验
脱碳
(1)、高温下锻造加热时间过长
（2）、热处理操作不当
控制加热时间或通保护气氛，防止连杆在锻造热处理过程中脱碳
硬度低
加热温度低或淬火冷却速度慢
重新淬火
淬火裂纹
淬火冷却过快，材料成分不对
注意材料成分和选择冷却条件
组织不均匀
淬火操作不当，冷却速度慢
严格执行淬火工艺，加强抽检，以便及时发现

3 热处理工艺卡
3.1 40Cr连杆正火工艺卡
热处理工艺卡
零件名称
连杆
材料
40Cr

温度/℃
时间/min
空冷
850-870℃
120min

热处理类型
正火
热处理硬度
223-228HB
工艺设计

加热温度
850-870℃
加热速度℃/h

审 核

保温时间
120min
冷却速度℃/h

日 期

3.2 40Cr连杆淬火工艺卡
热处理工艺卡
零件名称
连杆
材料
40Cr

850-870℃
80min
油冷
时间/min
温度/℃

热处理类型
淬火
热处理硬度
48-52HRC
工艺设计

加热温度
850-870℃
加热速度℃/h

审 核

保温时间
80min
冷却速度℃/h

日 期

3.1 40Cr连杆回火工艺卡
热处理工艺卡
零件名称
连杆
材料
40Cr

500-650℃
60min

时间/min
温度/℃
空冷

热处理类型
高温回火
热处理硬度
30-35HRC
工艺设计

加热温度
500-650℃
加热速度℃/h

审 核

保温时间
60min
冷却速度℃/h

日 期

4 参考文献
[1] 王广生. 热处理手册.第4版.第2卷. 北京: 机械工业出版社，2008, 1.
[2] 张玉庭. 热处理技师手册. 北京: 机械工业出版社, 2005.
[3] 樊东黎. 热处理工程师手册. 北京: 机械工业出版社, 1996, 6.
[4] 安继儒. 热处理工艺规范数据手册. 北京: 化学工业出版社, 2008, 1.
[5] 李泉华. 热处理技术400问解析. 北京: 机械工业出版社, 20002, 1.
[6] 樊东黎. 热处理技术数据手册.第2版. 北京: 机械工业出版社, 2006, 4.
[7] 张玉庭. 简明热处理技工手册. 北京: 机械工业出版社, 1998, 9