热处理工艺课程设计书终极版.doc

华中科技大学热处理工艺课程设计
热处理工艺课程设计任务书
学院
材料科学与工程
专业
材料科学与工程
学生姓名
肖娅丹
班级学号
材料0901 U200910994
课程设计题目
45钢传动轴零件热处理工艺
设计任务：
进行零件的加工路线中有关热处理工序和热处理辅助工序的设计。根据零件的技术要求，选定能实现技术要求的合适材料、热处理方法，确定工艺参数（温度及时间等），画出热处理工艺曲线图，选择热处理设备，设计或选定装夹具，制定热处理工艺卡。最后，写出设计说明书，说明书中要求对各热处理工序的工艺参数的选择依据和各热处理后的显微组织作出说明。
针对所选择的材料为45钢的轴零件，先绘出零件工作图，根据材料和零件加工技术要求，确定工艺流程及热处理方法，并进行工艺参数的设定并分析各热处理工序中材料的组织、性能，选择设备并制作热处理工艺卡，最终写出设计说明书。
设计进度安排：
第一周 周一~周三 学习相关热处理工艺的设计方法，明确设计任务和所需要注意的事项。
周四~周六 绘制45钢轴零件工作图
第二周 周一~周二 查阅资料 确定热处理工艺流程及工艺参数的确定
周三~周四 撰写设计说明书
周五 答辩
指导教师（签字）：

年 月 日
主管院长（签字）：

年 月 日

目录
1.热处理工艺课程设计的意义及方法 3
1.1热处理工艺课程设计的意义 3
1.2热处理工艺设计的方法 3
2.绪论——45钢轴类零件简介 4
2.1.45钢简介 4
2.1.1主要化学成分作用分析 4
2.1.2 45钢加热和冷却临界点 5
2.2传动轴零件加工工艺 5
3.加工工艺 6
4.热处理工艺设计的内容 7
4.1调质处理 7
4.1.1加热温度 7
图4-2装炉安装简图 8
4.1.2保温时间 8
4.1.3冷却方法及介质 10
4.1.4检验方法 10
4.1.5调质处理材料的组织、性能 10
4.2高频感应淬火 11
4.2.1原理 11
4.2.2加热温度和时间的确定 12
4.2.3冷却方法及介质 12
4.2.4组织和性能 12
4.2.5常见缺陷及分析 13
4.3低温回火 14
4.3.1加热温度和时间 14
4.3.2加热设备及方法 14
4.3.3回火后组织和性能 15
4.3.4冷却介质和方法 15
附录一 热处理工艺卡 17
5.热处理工艺设计感想和体会 18
6.参考文献 19

1.热处理工艺课程设计的意义及方法
1.1热处理工艺课程设计的意义
热处理工艺课程设计是材料学专业金属材料相关课程的一次专业课设计练习，是材料科学基础、金属材料学、热处理原理与工艺、热处理装备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的材料学专业课程的知识去解决工程问题的能力，
并使其所学知识得到巩固和发展。
（2）学习热处理工艺设计的一般方法、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。
通过热处理工艺课程设计的学习，把所学到的材料科学基础、金属材料学、热处理原理与工艺等专业课程知识灵活的运用到实践中，真正的通过自己对材料的选择、认识，工艺的掌握和运用，来熟练掌握这项基本工艺设计能力，从而反过来巩固所学专业知识，做到讲理论知识灵活恰当地运用到生产实践中。
1.2热处理工艺设计的方法
热处理工艺的最佳方案是在能够保证达到根据零件使用性能和由产品设计者提出的热处理技术要求的基础上，设计的一种高质量、低成本、低能耗、清洁、高效、精确的热处理工艺方法。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，通过综合经济技术分析，确定最佳热处理工艺方案。确定热处理工艺方案后，首先应根据零件的材料特性及技术要求，选择热处理加热设备、加热、保温时间与冷却方式。在此基础上，制定编制热处理工艺规范，设计零件在有关热处理工序使用的装夹具及校直装置等。 最后， 编写主要热处理工序的操作守则。
涉及新材料、新技术等特殊零件的热处理工艺，可遵循实验室试验、小批量生产试验、生产验证等程序进行确定。
19

2.绪论——45钢轴类零件简介
2.1.45钢简介
45钢 左汝林，金属材料学，重庆大学出版社，2008:1-19
是中碳结构钢，冷热加工性能都不错，机械性能较好，且价格低、来源广，所以应用广泛。它的最大弱点是淬透性低，截面尺寸大和要求比较高的工件不宜采用。

表2-1 45钢化学成分
2.1.1主要化学成分作用分析
C：碳是钢铁材料的主要合金元素。C在钢中主要以三种状态存在。固溶于δ/γ/α-Fe中形成高温铁素体、奥氏体和铁素体，提高钢的强度；形成金属碳化物如Fe3C、Vc等，提高钢的硬度和耐磨性；游离态石墨(过共析钢中)，这种状态于钢材的性能有害，应当避免。
钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。
Mn:锰是良好的脱氧剂和脱硫剂。钢中一般都含有一定量的锰，它能消除或减弱由于硫所引起的钢的热脆性，从而改善钢的热加工性能。
S:硫在通常情况下是有害元素。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。对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。
P:磷是固溶强化铁素体元素，能显著提高钢的抗拉强度，也能提高钢的耐蚀性。在一般情况下，磷是钢中有害元素，使钢的晶粒粗化，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。
Si:是钢中常见的还原剂和脱氧剂，能显著提高钢的弹性极限、屈服点和抗拉强度。硅能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度，其作用仅次于磷。
2.1.2 45钢加热和冷却临界点
查表可知，45钢的Ac1温度725℃，Ac3温度775℃，Ar1温度690℃，Ar3温度751℃，Ms温度330℃，Mz温度50℃。
45钢的锻造温度为：始锻温度1200℃，终锻温度800℃。

2.2传动轴零件加工工艺
传动轴是镗床的重要零件之一，传动轴上安了一个蜗杆套，在涡轮带动下蜗杆转动，在传动轴下端有轴承使轴向转动自如。涡轮和蜗杆转动产生自锁，传动轴与蜗杆套配合处及在传动轴与主轴箱上孔接触处均产生摩擦，特别在传动轴与蜗杆套配合处及有相对运动，传动轴主要是在摩擦、磨损和一定的冲击条件下进行传动工作的。此外在进行运转时还要受到扭转和碰撞等力的作用。

图2-2传动轴零件工作简图
传动轴在传动过程中，要求其具有高的强度、良好的硬度和耐疲劳性，在传动两个传动时还要有足够的精度、光洁度和尺寸稳定性，这样才能保证传动轴在传动过程中的传动稳定性和最好状态。

3.加工工艺 孙朝阳，金属工艺学，北京大学出版社，2006:155-168

序号
工序名称
工序内容
工序目的
1
下料，锻造
选取Ф75mm的45钢圆钢作为毛坯，下料后通过锻造粗略成型得Ф76mmX270mm的原料。始锻温度1200℃，终锻温度800℃。
锻造可以粗略成型，以减少切削用量。在锻造过程中，使原始网状结构得到破坏，打碎大型块状碳化物，通过细化组织来降低碳化物的大小、提高物理性能，锻造的同时还可以促进元素的扩散以使化学成分更加均匀。
2
调制处理
采用（8605）℃淬火+600℃高温回火
使钢材得到调整，使其强度、塑性和韧性都比较好，表面硬度为220~250HBW，具有良好的综合机械性能，以便后续的切削加工。
3
粗车
车端面，钻中心孔，车台阶面，留一定的余量
得到大致形状的工件，留一定余量以便接下来的精加工
4
稳定，检查
稳定形状尺寸，并在布氏硬度计上检查硬度为220~250HBW
检验尺寸稳定性和表面硬度，以满足技术要求
5
钳
在车床上修研两端中心孔
两端中心孔作为定位基准，修研为消除中心孔的热处理变形和氧化皮
6
半精车
半精车各外圆到图样规定的尺寸，加工出各退刀槽，倒角

7
钻螺纹孔
钻头钻出两个螺纹孔，留少量余量

8
铣键槽
划键槽加工线，并用铣刀铣键槽
保证有较精确的定位基准，并且避免在精磨后铣键槽时破坏已精加工的表面
9
修研两端中心孔
用钳修研两端中心孔
提高定位精基准面的精度，减小锥面的表面粗糙度值。
10
磨削
在外圆磨床进行磨削加工使外圆及轴肩面达到尺寸要求

11
高频感应淬火
45钢表面淬火加热温度为830℃~870℃，冷却介质为水
提高零件的表面硬度、耐磨性和疲劳强度，同时又能保证芯部有一定的韧性。
12
回火
回火温度为180℃~200℃
得到回火马氏体，不但显著降低表面淬火残余应力，而且保留较高的硬度
13
检查
表面检查，硬度检查，显微组织检查和变形检查
观察表面是否有裂纹和缺陷，检查硬度是否符合要求，显微组织是否正确，有没有发生变形等，以使工件满足尺寸和性能要求。

4.热处理工艺设计的内容
由制定的工艺路线可知，在加工过程中将用到四种热处理工艺，分别是：调质处理、高频感应淬火、低温回火，接下来将详细介绍其工艺内容和参数确定。
4.1调质处理
将淬火加高温回火双重处理的热处理工艺称为调质处理。
　　调质处理的目的是使钢既具有高的强度极限和屈服极限，又有足够的范性和韧性，故具有高的综合机械性能。常用于中碳结构钢和中碳合金结构钢，以便于接下来的切削加工。　　
图4-1 45钢CCT曲线
4.1.1加热温度
　　GB/T699-1999标准规定45钢的推荐热处理制度为850℃正火、840℃淬火、600℃回火，屈服强度≥355MPa。 GB/T699-1999标准

　　本次采用860℃5℃淬火，未回火之前，硬度在55-62HRC，采用600℃高温回火，使表面硬度降低到220-250HBW，约为21-25HRC 胡立光，钢的热处理，西北工业大学出版社，第三版，2008:188-246
。　　　　　　
加热方法
　　对于形状复杂，要求精度高变形量小的工件，为减少淬火变形及开裂倾向，必须严格控制加热速度，一般选择以30～70℃/h升温到600~700℃，等温一段时间后再以50~100℃/h速度升温。
‚加热装置：45钢，高温淬火，选择RJX110-12高温箱式电阻炉，炉膛尺寸1800X900X600(mm)。
ƒ装炉原则：
1.允许不同材质、但具有相同加热温度的工件装入同一炉加热；
2.入炉工件均应干燥、无油污及其它脏物；
3.截面大小不同的工件装入同一炉时，大件应放在炉镗里面，大、小件分别计算保温时间；
4.装炉时必须将工件放在装炉架或炉底板上，用钩子、钳子堆放，不得将工件直接抛入炉内，以免碰伤工件或损坏设备；
5.细长件应尽量垂直吊挂加热，以减少变形；
6.在炉中加热时，一般单层排列，工件间隙10-30mm，小件允许适当堆放，保温时间酌情增加。
安装简图如下：
图4-2装炉安装简图
4.1.2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，保证必要的组织转变的护散。加热时间是指工件装炉合闸通电加热起至出炉的整个过程的时间（含所需升温时间、透热时间、及组织转变所需时间）。
加热时间与工件的有效厚度、钢种、装炉方式、装炉量、装炉温度、炉的性能及密封程度等到因素有关。
工件的加热时间可按下列公式计算：
　　 T=KαD 中国机械工程学会热处理学会 编，热处理手册第一卷，第四版，机械工业出版社，2008（1）：42-278

式中 　　　　 T 加热时间，min;
K 工件装炉方式修正系数;
α 保温时间系数（ min/mm）;
D 工件有效厚度（mm).
图4-3 α 保温时间表

装炉方式：　　　　　　单层工件有间隔排放，K=1.0；
　　单层工件无间隔排放，K=2.0；
　　　　　　　　　　　料盘堆放装料加热，K=1.1∽1.2；
　　　　　　　　　　　小件散状堆放加热，K=1.3 ∽1.4。

　　由上可知，进行淬火时的K=1.0，α=1,。5min/mm，D=68mm，
则860℃淬火时的加热时间为： T=100min。
　　回火时间的确定：从工件入炉后炉温升到温度时开始计算。
回火时间一般为：1∽3h,回火时间长短与工件有效厚度相关。
合金钢应按列表时间增加1/3保温时间。低温回火保温时间应＞2h。
图4-4空气炉回火保温时间表

4.1.3冷却方法及介质
因为45钢淬透性低，故应采用冷却速度大的10%盐水溶液。工件入水后，应该淬透，但不是冷透，如果工件在盐水中冷透，就有可能使工件开裂，这是因为当工件冷却到180℃左右时，奥氏体迅速转变为马氏体造成过大的组织应力所致。因此，当淬火工件快冷到该温度区域，就应采取缓冷的方法。由于出水温度难以掌握，须凭经验操作，当水中的工件抖动停止，即可出水空冷（如能油冷更好）。另外，工件入水宜动不宜静，应按照工件的几何形状，作规则运动。静止的冷却介质加上静止的工件，导致硬度不均匀，应力不均匀而使工件变形大，甚至开裂。
4.1.4检验方法
硬度检查：在3000bld布氏硬度机上检查硬度是否在220-250HBW。
尺寸测量：用千分尺测量。
热处理工艺路线图：

图4-5调质处理热处理工艺图

图4-6淬火马氏体金相图
4.1.5调质处理材料的组织、性能
860℃淬火后，组织：淬火马氏体。性能：强度及硬度很高（硬度可达58~60HRC左右），而其韧性及塑性则明显下降。
600℃回火后，组织：回火索氏体。
性能：工件的强度和硬度有所下降，而塑性及韧性则显著提高。因此，可获得良好的综合力学性能，以适应制造要求强度较高，塑性及韧性也好的机械零件。
问题及分析：如果加热速度过快，工件加热会出现变形，而且，如果保温时间不足，会使得整个组织是不均匀的，不仅会降低轴的机械性能，而且，会引起由于组织不均匀而引起的机械变形，因为，组织转变中会有体积的变化。组织转变的顺序图是：（加热）奥氏体——(淬火)马氏体——（高温回火）索式体。而且，冷却过程中，如果冷速过快，不仅会出现工件变形，还会使得工件出现很大的淬火应力，严重时工件甚至会开裂。
常见淬火缺陷有：
1.淬火畸变与淬火裂纹;
畸变：防止措施, 热校直、冷校直、加压回火修正；
裂纹：报废。
2.氧化、脱碳与过热、过烧；
氧化、脱碳：防止措施, 加热保护；
过热：防止措施 ,重新退火再次淬火；
过烧：报废。
3. 硬度不足；
4.软点：硬度不均；
5.其它组织缺陷。
4.2高频感应淬火
4.2.1原理
它是利用高频感应电流将钢材的局部加热表面淬火目的在于提高零件局部硬度、耐磨性、疲劳强度。它是根据电磁感应原理将工件置于通有高频感应电流的感应线圈中，在高频交变磁场的作用下，使工件表面形成大感应电流，从而加热工件使之迅速奥氏体化然后淬火冷却工艺。
本工件高频感应淬火使用的是高频感应器及淬火机床，每次单根装入。
4.2.2加热温度和时间的确定
由表可知，45钢预先调质处理后，在炉中预热到温度为810℃~830℃后转移到感应器中830℃~870℃，加热持续时间为3s。

图4-7常用钢种表面淬火时推荐的加热温度
4.2.3冷却方法及介质
喷射冷却具有良好的技术经济效果，故采用喷水冷却。同时加热淬火时，当工件加热到温后，应在空气中停留一短暂的时间，以适当地降低表面温度，然后进行喷冷，以防裂。
图4-9高频淬火后表面金相组织
图4-8感应淬火后组织分布示意图
4.2.4组织和性能

45钢表面了高频淬火后，表面全是马氏体组织，在第二区加热温度Ac3～Ac1之间，淬火后得到M+F(未溶)叫过渡层。第三区心部组织，它的加热温度低于Ac1，因此，加热过程中不会发生相变，淬火后保持原来组织即回火索氏体。表面马氏体有很高的硬度和强度，内部仍为回火索氏体，保持良好的塑性和韧性。
组织及说明：基体组织表面为成排分布的粗大中碳淬火马氏体。
图4-10回火后金相组织
由于高频感应加热温度过高。致使奥氏体晶粒迅速长大，淬火后获得成排分布的粗针状马氏体，这种组织将使钢的脆性增大，内应力也较大，在使用时易发生开裂。表面淬火能提高钢疲劳强度的原因除了表面层本身强度增高外，还与在表面形成很大的残余压应力有关，表面压应力越大，钢制工件的抗疲劳性能越高，淬硬层过深会降低表面残余压应力。
4.2.5常见缺陷及分析
感应热处理常见的质量问题有开裂、硬度过硬或过低、硬度不均匀、淬硬层过深或过浅、淬硬层深度不均、表面局部烧熔等。其原因归纳如下：
（1）开裂原因 加热温度高、不均匀，冷却过快且不均匀；淬火液选择不当，冷却速度过大；材料淬透性偏高，成分偏析，含有毒元素，存在缺陷；零件结构设计不合理，技术规范不当。
（2）淬硬层深度过深或过浅的原因 加热功率过高（低）且加热时间过长（短）；电源频率选择不当，并且在此情况下又没有选择合理的比功率与加热时间；材料的淬透性过高或者过低；淬火液的温度、压力、成分选择不当。
（3）硬度过高或过低原因 材料含碳量偏高或偏低；回火温度偏低或过高且回火时间不当；淬火液成分、压力、温度选择不当；材料表面脱碳；淬火加热温度低组织尚未转变等
（4）表面硬度不均匀的原因 感应器结构不合理；引起加热、冷却不均匀；材料原始组织不良（带状组织、偏析、局部脱碳）。
（5）表面局部烧熔的原因 感应器结构不合理；加热时间过长；工件带有尖、角、孔、槽；表面有缺陷；连续加热或半圈旋转加热时，移动旋转过程中有突然停止现象。
4.3低温回火
钢件淬硬后，再加热到Ac1点以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温，获得较稳定组织及所需力学性能的热处理工艺。
低温回火目的：消除感应淬火时表面产生的残留内应力，避免变形、开裂，提高材料的塑料和韧性；获得良好的综合力学性能，调整工件的硬度；稳定工件尺寸，使钢的组织在工件使用过程中不发生变化以得到高硬度与耐磨性。
4.3.1加热温度和时间
根据低温回火温度要求在150℃~250℃，选择回火温度为180℃~200℃。由于表面硬化层的M厚度只有1.5mm，所以选择保温时间为30min。可保证表面马氏体全部转化为回火马氏体。
4.3.2加热设备及方法
选择RJJ36-6低温井式电阻炉 许天已 编著，钢铁热处理实用技术，第二版，化学工业出版社，2008:524-527
。炉膛尺寸Ф500X650，最高工作温度650℃。每个炉子里可以两排平放十根。
4.3.3回火后组织和性能
回火后，表面M变成为回火M（由过饱和的α相和与其共格的ε-Fe2.4C组成），表面硬度在48-52HRC左右。下图是回火后的表面组织。
回火马氏体的性能：具有高的硬度（HRC48-52）和高的耐磨性，因内应力有所降低，故韧性有所提高。
硬度检验：用诺氏硬度计检验表面硬度是否为48-52HRC。
晶相检查：表面晶相为回火马氏体，心部仍然为回火索氏体。
如果回火温度过高，那么就会进入其他回火阶段，那么，表面硬度就会降低，耐磨性会降低。
如果回火温度过低，那么就会使得碳化物不能析出，表面硬度过高，表面应力过大，甚至可能会使零件开裂。而且，零件过脆，会使得零件很容易脆断。
4.3.4冷却介质和方法
碳钢低温回火后可直接采用空冷。
总的热处理工艺图如下：
图4-11总的热处理工艺图

热处理工艺卡
产品型号

零（部）件图号

产品名称
传动轴
零（部）件名称

简图：详细图见P15
材料牌号

零件重量

工艺路线
下料→锻造→调制处理→粗车→稳定→检查→半精车→精车→高频淬火→回火→检查→去应力处理
技术条件
检验方法
硬化层深度
1.5mm
对表面组织抛光进行金相检查
硬度
表面为48-52HRC，芯部为220-250HBW
测量表面硬度用洛式硬度计，芯部用布氏硬度计
金相组织
表层回火马氏体，芯部回火索氏体
对零件表面用侵蚀剂：4%硝酸酒精腐蚀，金相显微镜观察
力学性能
抗拉强度 ≥600 (MPa)
屈服强度≥355 (MPa)
延 长 率≥16%
断面收缩率≥40%
冲击功≥39J
Gopoint万能材料试验机。
允许变形量
高精度轴 允许变形量很小，单边变形<0.25mm
校直
工序号
工序名称
设备
装炉方式及数量
装炉
温度℃
加热温度℃
加热时间min
保温时间min
冷却
工时（min）
介质
温度℃
时间min
1
调质处理——淬火
RJX110-12
平放 30
室温
8605℃

100
10%盐水
180℃后空冷

2
调质处理——高温回火
RJX110-12
平放 30

600℃

120
随炉冷却
室温

3
高频感应淬火
IGBT高频电源感应器及淬火机床
1
预热到800℃
830℃~870℃

3s
水

4
低温回火
RJJ36-6
1

180℃~200℃

30
空气
常温

编制人
肖娅丹
编制日期
2013.1.16
审核日期

附录一 热处理工艺卡

5.热处理工艺设计感想和体会
两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的课程专业知识，也培养了我如何处理分析一件事情，如何完成一件事情。在设计过程中，我遇到了很多实际问题，有些即使通过自己去查书、上网查资料也仍然没有办法解决，这时我的同学们给了我很多知识上的支持，互相学习的过程能极快地促进一个人的成长。
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程。“千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义。通过这次热处理课程设计，本人在多方面都有所提高。综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次传动轴热处理工艺设计的实际训练，从而培养和提高个人独立工作能力，巩固与扩充了热处理原理、金属材料学甚至材料科学与基础等专业课程知识，掌握了热处理的一些方法和步骤，掌握传动轴加工的基本技能，懂得了怎样分析零件的工艺性，怎样确定工艺方案，提高了计算能力，绘图能力，熟悉了手册查找规范和标准，同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。
此次设计过程中，我发现了自己以前掌握的知识是不够全面的，而且对知识的掌握比较死板，不够灵活变通，通过这次实际操作让我更加了解自己缺乏的知识，使自己学习更加有目的性，更有动力，也让我知道了热处理技术是一门很有技术含量、很严谨认真的科学。此次的课程设计过程是一个能锻炼我自己动手能力的一个很好的机会，尤其是自己发现了问题，并且自己通过查阅书籍资料，上网搜索，向同学请教来解决问题，在整个过程中，受益良多，感谢老师的严格要求和同学的帮助。

6.参考文献