热处理工艺课程设计--钢的热处理工艺设计.doc

钢的热处理工艺设计
说明书

学生姓名
设计题目 加工中心主轴
指导教师
系 主 任

完成日期 年 月 日

前 言

热处理工艺是金属材料工程的重要组成部分。通过热处理可以改变材料的加工工艺性能，充分发挥材料的潜力，提高工件的使用寿命。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。
热处理工艺是整个机械加工过程种的一个重要环节，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。

目 录

前言
一．热处理工艺课程设计的目的……………………………………………………5
二．热处理工艺课程设计的任务……………………………………………………5
三．热处理工艺课程设计设计内容和步骤…………………………………………5
3.1零部件简图，钢种和技术要求………………………………………………5
3.2零部件的工作条件、破坏方式和性能要求的分析…………………………6
3.3零部件用钢的分析 …………………………………………………………6
3.3.1 相关钢种化学成分的作用 ……………………………………………6
3.3.2.相关钢种的热处理工艺性能分析 ……………………………………7
3.3.3钢材的组织性能与各种热处理工艺的关系 …………………………8
3.4热处理工艺方案及工艺参数的论述………………………………………11
3.4.1零件的加工工艺路线及其简单论证…………………………………11
3.4.2锻造工艺曲线…………………………………………………………11
3.4.3预备热处理工艺方案、工艺参数及其论证…………………………12
3.4.4最终热处理工艺方案，工艺参数及论证……………………………12
3.4.4.1 20CrMnMo的正火工艺…………………………………………12
3.4.4.2 20CrMnMo的渗碳工艺…………………………………………14
3.4.4.3 20CrMnMo的淬火工艺…………………………………………17
3.4.4.4 20CrMnMo的回火工艺…………………………………………19
3.4.4.5 总的热处理工艺曲线……………………………………………22
3.4.5 辅助工序方案 ………………………………………………………22
四．选择加热设备……………………………………………………………………22
4.1 中温井式电阻炉……………………………………………………………22
4.2 井式渗碳炉…………………………………………………………………23
五．工装图 …………………………………………………………………………25
六．工序质量检验项目、标准方法…………………………………………………27
七．热处理工艺过程中缺陷分析 …………………………………………………28
7.1常见的渗碳缺陷 …………………………………………………………28
7.2常见的淬火缺陷 …………………………………………………………29
7.3常见的回火缺陷 …………………………………………………………29
八．心得体会………………………………………………………………………30
九．参考文献………………………………………………………………………31

4

一、热处理工艺课程设计的目的
1. 深入了解热处理课程的基本理论
2. 初步学会制定零部件的热处理工艺
3. 了解与本设计有关的新技术,新工艺
4. 设计尽量采用最新技术成就,并注意和具体实践相结合,是设计具有一定的先进性和实践性.
二、热处理工艺课程设计的设计任务
1. 编写设计说明书
2. 编制工序施工卡片
3. 绘制必要的工装图
三、热处理工艺课程设计内容和步骤
3.1零部件简图、钢种和技术要求
1.简图

2.钢种: 20CrMnMo
3.技术要求：
1.要求主轴头部144.4mm及尾部30mm处渗碳淬火，渗碳层深度1.3~1.5mm；
2.硬度为60~65HRC.
3.2零部件的工作条件、破坏方式和性能要求的分析
1.零部件的工作条件
作为机床的传动件，主轴是传递动力的零件，传递着动力和各种负荷，它的前后端由于承受一定的扭转和摩擦力，它的合理选材直接影响整台车床的精度和使用寿命。
2.零部件的主要破坏方式
(1)受横向力并传递扭矩，承受交变弯曲应力和扭应力，常常发生疲劳断裂。
(2)承受一定的过载和冲击和载荷，产生过量弯曲变形，甚至发生折断或扭断。
(3)轴颈和花键等部位发生相对运动，承受较大的摩擦，轴颈表面产生过量的磨损。
3.零部件性能要求
主轴是机床上的传动力的零件，由于负荷不同，受力大小也不同，常承受弯曲，扭矩，冲击，同时受到在滑移和转动部位的摩擦作用。因此主轴的性能要求是高硬度，足够的韧性及疲劳强度，强度和形状畸变要求。

3.3零部件用钢的分析
3.3.1 相关钢种化学成分的作用
（1）20CrMnMo
表1. 20CrMnMo的化学成分
C
Si
Mn
Cr
Mo
P,S
Ni
Cu
0.17～0.23
0.17～0.37
0.90～1.20
1.10～1.40
0.20～0.30
≤0.035
≤0.30
≤0.30
化学成分作用：
A. 碳（C）的影响
从铁碳平衡图中，我们能清楚的看到，钢随着含碳量的增加，钢的基本组织不同，而且在加热与冷却时，组织转变的温度也不相同。纯铁在加热与冷却过程中，仅发生晶格的变化（同素异形转变）。所以热处理时其机械性能几乎不发生影响。但是随着含碳量的增加，热处理将发生显著地作用。如亚共析钢随着含金量的增高，淬火后强度、硬度都有显著提高；同时含碳量的多少也确定了钢的热处理工艺。
B. 铬（Cr）的影响
铬为碳化物形成元素。它能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性；阻止晶粒长大，增加钢的淬透性，降低钢的临界冷却速度。因而，使钢在热处理时，退火、正火、淬火的加热温度有所提高。并使它在油中便能淬硬。但它降低了钢的马氏体点，因而增加了钢残余奥氏体量。使钢的奥氏体不稳定区域变为700-500℃和400-250℃。提高了钢的硬度和强度，增加了钢在高温回火时强度降低的抗力。
C. 钼（Mo）的影响
提高钢的淬透性，热强性，有二次硬化的作用，能降低回火脆性。
D. 硅（Si）的影响
Si能升高Ac1和Ac3点，从而使热处理时的退火、正火、淬火的加热温度增高。能增加奥氏体的稳定性，降低临界冷却速度，增加钢的淬透性很多，故能使Si合金钢在油中淬硬。
E. 锰（Mn）的影响
Mn为碳化物形成元素。他降低钢的Ac1和Ac3而使钢在热处理时的温度有所降低。增加奥氏体的稳定性，降低钢的临界冷却速度，同时增加钢的淬透性，但它使残余奥氏体量增加。可以减少钢在淬火时的变形和增加钢的强度和硬度。使钢的回火脆性与晶粒长大的作用增大。
F. 硫（S）的影响
硫在通常情况下也是有害元素。使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。所以通常要求硫含量小于0.055%，优质钢要求小于0.040%。在钢中加入0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。
G. 铜(Cu)和镍(Ni)的影响
铜在合金钢中，使钢的Ac3下降。Ni能强化铁素体，降低钢的Ac1和Ac3点，从而使热处理时的退火、正火、淬火的加热温度有所降低。增加了奥氏体的稳定性，降低了钢的临界冷却速度，对钢的淬透性略有增加；但它降低了钢的马氏体点，增加了钢的残余奥氏体量。对钢的强度和硬度有所提高，但阻止晶粒长大的作用不明显。

3.3.2.相关钢种的热处理工艺性能分析
（1）20CrMnMo 热处理基本参数

表3-1
临界温度
Ac1
Ac3
Ar1
Ar3
Ms
温度/℃
710
830
620
740
-----

A.淬透性：淬透性随淬火温度的提高而增加，因为温度升高，奥氏体晶粒尺寸增大，淬透性提高。但是如果温度过高，奥氏体晶粒过于粗大淬火后会产生开裂或变形。

B.淬硬性：淬硬性表示钢淬火时的硬化能力。它主要与钢的含碳量有关，更确切的是说是它取决于淬火后马氏体中的含碳量，马氏体中的含碳量越高钢的淬硬性越高。

C.变形倾向：淬火后变形分两种：翘曲变形和体积变形，翘曲变形主要是加热时工件在炉内放置不当或搓火前后没有定型处理货冷却不均匀做造成的，另一方面淬火前后组织不一样引起体积变形，淬火前一般为珠光体组织，淬火后为马氏体组织，由于两种组织的比容不同，淬火前后讲引起体积变化，从而产生变形，但这种变形只按比例使工件胀缩而不改变形状。

3.3.3钢材的组织性能（硬度、强度、耐磨性、塑韧性等）与各种热处理工艺的关系
从铁碳合金相图来看, 20CrMnMo钢属于亚共析钢, 缓慢冷却到室温后的组织为铁素体+ 珠光体;从钢的分类来看, 20CrMnMo 钢属于高级渗碳结构钢, 可加工和热加工性能良好，强度,塑性和韧性都较高，过热倾向小，无回火脆性，既可作为渗碳钢使用，也可作为调质钢使用，渗碳加淬火后具有较高的抗弯强度和耐磨性，但是磨削时容易产生裂纹，淬火及低温回火具有良好的综合力学性能和低温冲击韧性。20CrMnMo钢采用渗碳+淬火+低温回火，表面可以获得60~65HRC的高硬度，因淬透性较高，心部具有较高的强度和韧性
20CrMnMo的含碳量为0.20％属于低碳钢,渗碳时保证了碳元素的正常渗入。钢中合金元素为Cr<1.4％、Mn<1.2％、Mo<0.3％。Cr、Mn合金元素能提高钢铁索体的强度,同时提高钢的淬透性。Mo元素提高钢的淬透性，热强性。加工中心主轴根据使用性能要求表面耐磨,所以要对20CrMnMo钢进行表面渗碳处理,渗碳淬火后表面得到高碳马氏体, 具有较高的硬度和耐磨性。

表3-2 20CrMnMo的临界温度及常规热处理工艺参数

牌 号
临界温度/℃
退火
正 火
Ac1
Ac3
Ms
温度
/℃
冷却
/℃
硬度
HBW
温度
/℃
冷却
/℃
硬度
HBW
Ar1
Ar3
Mf
20CrMnMo
710
830
--
850~
870
炉冷
≤217
880~
930

空冷
190~
228
620
740
--
续表2
淬 火
回 火
温度
/℃
淬火介质
硬度
HRC
不同温度回火后的硬度值HRC
150℃
200℃
300℃
400℃
500℃
550℃
600℃
650℃
350
油
＞46
45
44
43
35
--
--
--
--

图3-3 20CrMnMo钢淬透性曲线

表3-4 热处理工艺规范
工艺名称
退火
正火
高温回火
淬火
回火
加热温度(℃)
850~870
870~900
680~700
850~860
按需要定
冷却方式
炉冷
空冷
空冷
油冷
水，空冷
硬度
＜18HRC
--
＜23HRC
41~46HRC
见表3-2

图3-5 渗碳后力学性能

表3-6 渗碳热处理工艺规范
渗碳
渗碳／℃
淬火温度／℃
淬火冷却／℃
回火温度／℃
回火冷却
920~940
炉内降温至830~850
油冷
180~200
空冷

图3-7 钢的等温转变图和连续冷却转变图

3.4热处理工艺方案及工艺参数的论述
3.4.1零件的加工工艺路线及其简单论证
淬火
渗碳
机加工
正火
锻造
下料

成品
检验
精加
校直
喷丸
回火

论证：首先正火可以细化晶粒，使组织均匀化，消除切削加工后的组织硬化现象和去除内应力，提高低碳钢零件的硬度，提高切削性能。接着需要表面硬度，发挥结构钢优越的机械性能，常将结构钢表面渗碳淬火，这样就能得到需要的表面硬度。渗碳处理一般用于表面耐磨、芯部耐冲击的重载零件，其耐磨性比调质＋表面淬火高。经热处理后，表面可以获得很高的硬度（HRC58~62），芯部硬度低，耐冲击。
3.4.2锻造工艺曲线
查阅《热处理工艺规范数据手册》可以找出20CrMnMo钢的锻造工艺的加热温度、始锻温度冷却方式，如下表所示：

表3-8 20CrMnMo钢的锻造工艺图表
项目
Ac1(Ar1)
Ac3(Ar3)
加热温度/℃
始锻温度
终锻温度
钢坯
710℃(620℃)
830℃(740℃)
920~940℃
1200℃
850℃

3.4.3预备热处理工艺方案、工艺参数及其论证

20CrMnMo
正火 870±10℃ 0.5h 空冷
渗碳 925±10℃ 6h 坑冷
重新加热淬火 840±10℃ 0.5h 油冷
低温回火 160±10℃ 1.5h 空冷
论证：20CrMnMo钢经热加工后，必须经过预备热处理来降低硬度，消除热加工时造成的组织缺陷，细化晶粒，改善组织，为最终热处理做好准备。对于20CrMnMo钢而言，正火可以细化晶粒，使组织均匀化，消除切削加工后的组织硬化现象和去除内应力。接着进行渗碳淬火，得到高强度，高硬度，高抗弯强度和耐磨性，满足加工中心主轴的使用要求。
钢经渗碳后，仅使其表面层的含碳量提高到0.70%～1.05%，仍达不到表层高硬度和耐磨的要求，因此，渗碳后还需淬火和低温回火，使工件表层具有高的硬变和耐磨性。渗碳目的是提高工件表面碳浓度,以便淬火后达到提高表面硬度和耐磨性的目的。 渗碳后淬火加低温回火是达到表层高硬度的热处理方式,淬火后低温回火,表层得到回火马氏体组织,耐磨性达到较高水平. 淬火的目的是提高硬度，淬火是得到尽量多的马氏体组织，得到高硬度，回火是为了马氏体二次分解形成索氏体，以便得到良好的机械性能。

3.4.4最终热处理工艺方案，工艺参数及论证
3. 4. 4.1 正火
1.正火的目的
1) 正火可以细化晶粒，使组织均匀化。
2) 消除切削加工后的组织硬化现象和去除内应力。
3) 消除共析钢中的网状硬化物，为热处理做好组织准备。
2．加热温度
加热温度：870±10℃。
因为20CrMnMo是亚共析钢，钢中含有碳化物形成元素。为使合金中难溶的特殊碳化物溶入奥氏体中，使奥氏体合金化程度增高，正火的加热温度为Ac3以上30～50℃，20CrMnMo的含碳量为0.20%，Ac3为830摄氏度，所以将钢件的加热温度确定为870摄氏度。
3． 加热方法
采用到温加热的方法，是指当炉温加热到指定的温度时，再将工件装进热处理炉进行加热。原因是加热速度快，节约时间，便于批量生产
4． 加热介质
加热介质为空气
5． 保温时间
保温时间=保温时间系数×有效尺寸，保温时间用τ 表示. 合金钢保温时间系数α（mm/min）
保温时间=保温时间系数×装炉修正系数×工件厚度。工件加热保温时间与加热介质，材料成分，炉温，工件的形状和大小，装炉量和装炉量等因素有关。一般用经验公式来计算保温时间：保温时间=保温时间系数×装炉系数×工件的有效厚度。合金结构钢选择750~900℃井式电阻炉加热的保温时间系数α选为1.5，装炉系数K一般选择1.4。工件的有效厚度为D=(60-36)／2=12mm。
所以τ=α×K×D=1.5×1.4×12=25.2min取30min
6 正火工艺曲线
根据以上热处理参数的确定工件的正火工艺曲线见图3-9
根据计算结果绘制出工件的正火曲线横轴为时间，纵轴为温度。

温度\℃

870±10℃

30min

空冷

时间/分钟
图3-9 正火处理工艺曲线

7 冷却方式
冷却方式采用出炉空冷。
8 冷却介质
冷却介质：空气。
9 正火组织
细珠光体＋铁素体。

3.4.4.2 20CrMnMo的渗碳工艺
1． 渗碳的目的
渗碳是将钢件置于足够的碳势的介质中加热到奥氏体状态并保温，使其形成一个富碳层的热处理工艺。具体是将含碳(0.1~0.25)的钢放到碳势高的环境介质中，通过让活性高的碳原子扩散到钢的内部,形成一定厚度的碳含量较高的渗碳层,再经过淬火和回火，使工件的表面层得到碳含量高的M，而心部因碳含量保持原始浓度而得到碳含量较低的M，提高表面层的耐磨性(碳含量高的M)，同时保持心部有高的耐冲击能力，即强韧性。采用甲醇-煤油滴注式气体渗碳。高温下甲醇的裂解产物H2O、CO2等将CH4和[C]氧化。可使炉气成分和碳势保持在一定范围内。
渗碳可以再多方面提高钢件的机械性能，可以提高钢件的硬度和耐磨性，降低冲击韧性和断裂韧性（冲击韧性和断裂韧性随着表面碳含量的越高、碳层越深，降低的越多），同时可以提高疲劳强度（碳层的高强度有助于疲劳强度的提高）。
2 渗碳温度
目前在生产上广泛使用的温度是920℃~940℃。对于薄层渗碳，温度可以降到880℃ ~900℃，而对于深层渗碳（大于5mm）温度往往提高到980℃ ~1000 ℃ （主要是缩短渗碳时间）。 温度越高渗速越快，但是温度过高会引起奥氏体晶粒长大，降低零件的力学性能，增加零件的畸变，降低使用寿命。通常渗碳的温度选择要根据渗层的深度确定。渗层深度与温度的关系见表3-10

表3-10 渗层深度与温度的关系表

加工中心主轴的渗层深度为1.3～1.5mm所以选渗层深度的温度应为92510℃。

3 渗碳介质
渗碳介质：煤油
渗碳煤油在925℃的分解产物及含量见表3-11，井式炉煤油滴量表 3-12
表3-11 渗碳煤油在925℃的分解产物及含量
CO2
CO
H2
CH4
CmHn
O2＋N2
0.2
32.4
66.2
0.6
0.6
--
表 3-12 井式炉煤油滴量
设备型号
RQ3-35-9D
RQ3-60-9D
RQ3-75-9D
RQ3-90-9D
煤油滴量
（ml／min）
排气期
2.0
2.4
3.0
3.2
强渗期
2.4
3.0
4.2
4．6
扩散期
1.2
1.6
2.0
2.2

4 渗碳保温时间
保温时间6小时
依据：渗碳时间的确定：根据公式：
其中δ(mm)为渗碳层深度；K为常数；t(h)为渗碳保温时间。
925℃渗碳时取K为0.63
故t=（1.50/0.63）×（1.50/0.63）=5.66h
故选渗碳时间为6小时

5冷却方法：
冷却方式：随炉缓慢冷却至850℃后出炉，组织的偏析基本消除，比较均匀。
对于重新加热淬火的工件，为了减少表面的氧化，脱碳及变形，应该炉冷至850~860摄氏度出炉空冷。最好是将坑冷。

6 渗碳后的组织
表面：碳化物+珠光体＋铁素体
心部：珠光体＋铁素体
7 渗碳工艺曲图
图为RQ3-75-9井式渗碳炉的工艺图

8 渗碳过程中注意的问题
（1）渗碳过程中，通常可借助观察排出废气的火苗，判断炉内的气氛。正常火苗呈现浅黄色，无黑烟和白亮的火束或火星。火苗长100~200mm，炉内压力为200~300pa。非正常的火苗有：火苗中有火星，表示炉内炭黑过多，火苗过长而且尖端外缘出现亮白色，表示渗碳剂供给量过多，火苗短而且外呈浅蓝色，有透明感，表示渗剂供给量不足。
（2）由于中段，内里部分和端面不做渗碳要求，应该涂上防渗碳涂料。
（3）对于重新加热淬火的工件，为了减少表面的氧化，脱碳及变形，应该炉冷至850~860摄氏度出炉空冷，最好是坑冷（冷却坑内应先加入一些甲醇，乙醇，以产生保护气氛）。

3.4.4.3 20CrMnMo的淬火工艺
1 渗碳后一次重新加热淬火的目的
提高硬度和耐磨性，如刃具、量具、模具等；
提高强韧性，如各种机器零件；
提高耐腐蚀性和耐热性，如不锈钢和耐热钢。
2 淬火温度
淬火温度：840±10℃
依据：亚共析钢淬火加热温度选用AC3+（30～50℃），这样既保证充分奥氏体化，又保持奥氏体晶粒的细小。
3 保温时间
淬火加热时间包括升温和保温时间两段时间，升温时间包括相变重结晶时间，保温时间实际上只考虑碳化物溶解和奥氏体成分均匀化所需要的时间。
在具体的生产条件下，淬火加热时间常用经验公式计算，通过实验最终确定。常用的经验公式为：
τ= a•K•D
式中 τ 加热时间，min；
a 加热系数，min/mm；
K 装炉修正系数；
D 工件有效厚度，mm。
加热系数a表示工件单位厚度需要的加热时间，其大小与工件尺寸、加热介质和钢的化学成分有关，下表是常用钢的加热系数。
表3-13 常用钢的加热系数
工件材料
工件直径
/mm
＜600℃箱式炉中加热
750～850℃盐炉中加热或预热
800～900℃箱式炉或井式炉中加热
1000～1300℃高温盐炉中加热
碳钢
≤50

0.3～0.4
1.0～1.2

＞50
0.4～0.5
1.2～1.5
合金钢
≤50

0.45～0.50
1.2～1.5

＞50
0.50～0.55

1.5～1.8
高合金钢

0.30～0.40
0.30～0.35

0.17～0.2
高速钢

0.30～0.35

0.16～0.18
0.65～0.85
0.16～0.18
根据设计的加工中心主轴，加热系数a的大小取1.5。
装炉量修正系数K是考虑装炉的多少和方式来确定的。工件在炉内的排布方式直接影响热量传递的通道，轴在炉中的摆布如下图：

修正系数K的值取1.3
所以，淬火加热时间
τ=a•K•D
≈23.4min
同时，工件在渗碳炉中保温的时间已经足够长无需再加热很长时间。
所以得到保温时间是0.5h。
4 淬火工艺曲线见图3-14
840±10℃淬火
温度/℃

单液油淬

30min

时间/h

图3-14 淬火工艺曲线

5 冷却介质
L-AN15(10号机械油)的冷却能力见表3-15
表3-15 10号机械油的冷却能力
特性温度/℃
特性时间/s
800～400℃冷却/s
460
4.8
5.05
依据：该冷却介质冷却能力适中适合20CrMnMo小件零件的淬火工艺处理。淬火过程中Ms点已经进入对流阶段，低温区冷却能力远小于水，可以减少工件应力的产生，减少由于内应力产生的变形和开裂。
6 淬火后组织组成
表面：高碳马氏体＋碳化物＋残余奥氏体
心部：低碳马氏体＋残余奥氏体
依据 20CrMnMo的C曲线。由于表面渗碳含碳量较高在淬火后表面为马氏体和网状碳化物额和残余奥氏体，心部由于含碳量相对低所以其组成为低碳马氏体和残余奥氏体。

3.4.4.4 20CrMnMo的回火工艺
1 回火目的
提高淬火钢的塑性和韧性，降低其脆性，但却往往不可避免地要降低其强度和硬度，回火的另一个目的是降低或消除淬火引起的残余应力，这对于稳定工具钢制品的尺寸特别重要。一般来说，淬火零件不经回火就投入使用时危险地，也是不允许的。
回火可以在A1下很宽的温度范围内进行，钢的性能也可以在很宽的范围内变化，因此，回火是调整钢制零件的性能以满足使用要求的有效手段。
2回火温度
回火加热温度选为160±10℃
依据：低温回火时，马氏体发生分解，析出ε碳化物而成为马氏体，淬火内应力得到部分消除，淬火时产的微纹也大部分得到愈合，因此低温回火也可以在很少降低硬度的同时使钢的韧性明显提高。渗碳和碳氮共渗零件，不仅要求表面硬而耐磨，同时也要求心部有较好的塑性和韧性。但因其实质上相当于表层高碳钢与心部低碳钢的一种复合材料，因此用低温回火可以满足两部分要求。通常渗碳和渗氮零件的回火温度是 ＜180℃ 。
表 3-16 常用钢回火温度与硬度的关系

3 加热介质
加热介质：空气
4 保温时间
保温时间：1.5h
确定回火保温时间一般的做法是根据工件的截面厚度而定，一般每25mm厚度保温1~2h，温度高可酌情缩短。
回火的保温时间 回火时间一般为1～3小时
表3-17 在空气炉中保温时间
有效厚度/mm
≤20
20～40
40～60
60～80
80～100
保温时间/min
30～45
45～60
60～90
90～120
120～150
合金钢的保温时间按上述表格中所列出的时间增加20%～30%，空气炉低温回火的保温时间不得低于120min；装炉量大时，保温时间应适当延长。所以轴的保温时间确定为1.5h。
5 回火工艺曲线见图3-18

温度/℃
160±10℃回火

空冷
1.5h

时间/h

图3-18回火工艺曲线
6 冷却方式
出炉空冷
7 硬度
表面硬度： ＞60HRC

3.4.4.5 总的热处理工艺曲线
热处理总工艺曲线见图3-19
温度/℃
1.5h
925±10℃
870±10℃
6h
840±10℃
160±10℃
30min
空冷
30min
正火
时间/t
回火
淬火
渗碳
坑冷
空冷

油淬

图 3-19 热处理总工艺曲线

3.4.5 辅助工序方案
（1）喷砂：运用喷砂机，将砂流冲到工件表面，利用高速砂流的冲击作用清理和粗化机体表面的过程，由于磨料对工件表面的冲击和切削作用，使工件表面的机械性能得到改善，提高工件的抗疲劳性，使工件显得更加美观，精细。

（2）表面防锈处理：利用抛光，刷防锈漆等方法进行表面防锈处理。

（四）选择加热设备
4.1 中温井式电阻炉
国产电阻炉的编号采用汉语拼音+阿拉伯数字来表示，编号的一般格式为前有三个汉语拼音字母，后面为两组数字。第一个字母R代表电阻炉，第二个字母表示设备的特点（J—加热，Y—盐浴，Q—气体渗或保护气等），第三个字母表示炉膛的形式（X—箱式，J—井式，D—电极式，M—埋入式等），第一组数代表设备的功率，第二组数代表使用的温度。例如RJJ-75-6、RYD-100-13、RJX-75-9等，通过设备的型号可以看出类型、加热特点、炉膛大小以及使用温度等，便于正确选用设备。
我的加工中心主轴，它大端的直径是80mm，小端直径为60mm，长度是300mm.材料是低碳合金钢20CrMnMo。它的正火温度在870℃左右。考虑到中温炉在中温测量时比较准确，因而选用中温井式炉。结构图4-1如下
图4-1 中温井式炉结构图

1-炉盖机构口;2-炉盖;3-保温材料;4-热电偶孔;5-电热元件;6-耐火材料

根据我设计的加工中心主轴大小，正火，淬火选用的电阻炉为RJ2-40-9。回火选用RJ2-55-6低温井式电阻炉。
表4-2 标准系列中温井式电阻炉技术数据
型 号

功率

/kw

电压

/v

相数
最高工作温度/℃
炉膛尺寸（直径×深度 ）/mm
炉温890℃时的指标
空炉损耗功率/kw
空炉升温时间/h
最大装载量
/kg
RJ2
(RJ2-□-)
RJ2-40-9
40
380
3
950
φ600×800
≤9
≤2.5
350
RJ2-55-6
55
380
3
650
φ700×900
--
--
--

4.2 井式渗碳炉
渗碳炉是新型节能周期作业式热处理电炉，主要供钢制零件进行气体渗碳。由于选用超轻质节能炉衬材料和先进的一体化水冷炉用密封风机，渗碳炉炉温均匀、升温快、保温好 ，工件渗碳速度加快，碳势气氛均匀，渗层均匀，在炉压提高时，亦无任何泄漏，提高了生产效率和渗碳质量。RQ系列井式气体渗碳炉系周期作业式电炉，主要供碳钢机件的气体渗碳等用。与电炉控制柜配合使用可自动控制及自动记录电炉的温度其结构主要由炉体、加热元件和温控系统组成。炉体外壳由型钢及钢板焊接而成，内用超轻质高铝泡沫砖砌筑成炉膛。保温层采用硅酸铝耐火纤维、硅藻土（或蛭石粉）散料结构，以提高炉体保温性能。加热元件安放在搁丝砖上，并有电阻丝小钩使其定位。炉膛内有一耐热板焊接成炉罐及料筐，被处理工件安放在料筐内。为使被处理工件均匀的与渗碳气体接触，在炉壳上装有通风机，用来强制气流循环，以使炉内温度和气体均匀。在风机轴套上有一防止漏气的密封装置，并采用冷却水冷却。炉盖的升降均有液压升降机构来完成。当需将炉盖升起时，只要开动液压装置，炉盖即徐徐上升；如需炉盖下降，只要旋松液压装置中内螺纹截止阀，炉盖即缓缓下降。在升降轴处，有两限位开关，当升降轴上升时，下面一个限位开关自动切断电动风机电源，以免操作发生危险；当炉盖升足时，上面一个限位自动切断液压装置的电源，以防升降轴顶出油缸发生意外。
RQ系列电炉的液体滴入系统备有可进行三种液体同时滴入的滴量器，并可通过流量计及针形阀控制其流量。在炉盖上方设有水冷却的试样管、取气孔、排气孔，如与红外线CO2分析仪配合及改装，则可进行碳势自动控制的工艺操作。

表4-3 RQ系列渗碳井式炉的型号
型号
额定功率/kW
额定电压/V
相数
额定温度/℃
炉膛尺寸（直径×深度）/mm
在950℃时有关指标
空炉损耗功率/kW
空炉损耗升温时间/h
最大装载量/kW
RQ3-25-9
25
380
3
950
Φ300×450
≤7
≤2.5
50
RQ3-35-9
35
380
3
950
Φ300×600
≤9
≤2.5
70
RQ3-60-9
60
380
3
950
Φ450×600
≤12
≤2.5
150
RQ3-75-9
75
380
3
950
Φ450×900
≤14
≤2.5
220
RQ3-90-9
90
380
3
950
Φ600×900
≤16
≤3.0
400
RQ3-105-9
105
380
3
950
Φ600×1200
≤18
≤3.0
500
根据我设计加工中心主轴的大小，选择型号为RQ3-75-9系列的井式渗碳炉比较合适。

图4-4 RQ3-75-9井式渗碳炉结构图

图4-5 RQ3-75-9井式渗碳炉实图

（五）工装图
RQ3-75-9井式渗碳炉的炉膛尺寸（直径×深度）为Φ450×900，中温井式电阻炉为RJ2-40-9炉膛尺寸（直径×深度）为Φ600×900。以渗碳炉的尺寸为设计原则。
如图4-6 尺寸：Ф450×900×2 （直径×深度×层数），每个孔的直径为60mm。

图4-6

图4-7

底面一圆实盘，中间两个圆盘带通孔若干，中间用轴，根据工件大小，炉子条件，可以做2层，增大装炉量。材质：Cr-Mn-N、Ni7N、2520等
零件的有效厚度为12mm，渗碳时零件之间的间隔为：0.5×12=6mm
综合考虑零件的间距和数学，几何计算得出下表4-7：
所以可在井式炉内一次放:(6+12+18)×2=72个。
表4-7
R
0
66
132
198
X
0
6
12
18
注R:距离圆心的距离；X:以R作圆后，可沿着周长作小圆的个数；小圆与小圆的间距为6mm。

（六）工序质量检验项目、标准方法
检查主轴的外观表面、渗层深度、硬度、金相组织等是否达到设计的要求。
a. 外观：表面无损伤、烧伤、严重腐蚀等缺陷；使用测量工具测量，用显微镜看表面是否有裂纹。
b. 主轴头部144.4mm及尾部30mm渗层深度：1.3～1.5mm；金相法：步骤为打断试样、磨光、腐蚀，然后用放大镜测出整个成乌黑色外层的厚度即为全渗层厚度。或硬度法，它是目前采用最广泛的方法，便捷、精确、设备简单，零件或式样经渗碳淬火后切取下来（切取时避免受热回火）用砂纸磨光，然后垂直于渗碳表面（或呈一定角度）测维氏硬度（载荷9.8N），根据所测得硬度与至表面距离的关系曲线，以硬度大于HV550（相当于HRC50）的层深作为优先渗碳层深度。
c. 硬度： 60～65HRC；洛氏硬度计打硬度。
d. 金相组织：马氏体、残余奥氏体及少量小条状碳化物。参照JB/T6141.3-1992《重载齿轮渗碳金相检验》评定，马氏体及残余奥氏体均为4级，碳化物为1级。用金相显微镜看金相组织。
f．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。

（七）热处理工艺过程中缺陷分析
7.1常见的渗碳缺陷

缺陷名称
产生原因
预防措施
表面碳质量分数低
1. 炉温低
2. 渗剂滴量少
3. 炉子漏气
4. 工件表面不干净
1. 校检仪表，调整温度
2. 按工艺规范调整滴量
3. 检查炉子密封性
4. 清理工件表面、补渗
残留奥氏体过多
1. 炉气碳势过高
2. 渗碳温度过高
3. 奥氏体中碳和合金元素含量过多
1. 按工艺规范调整渗剂滴量
2. 降低渗碳温度
3.