熱處理工藝課程設計-滾珠絲杠.doc

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目錄 第一章 熱處理工藝課程設計的目的…………………… 3 第二章 熱處理工藝課程設計的內容和步驟…………… 3 2.1 滾珠絲杠的簡圖…………………………………… 3 2.2 技術要求…………………………………………… 3 2.3 材料的選擇………………………………………… 3 2.4 GCr15鋼的化學成分及合金作用………………… 4 2.5 GCr15滾珠絲杠的熱處理流程及工藝設計……… 4 2.6 總工藝曲線………………………………………… 11 第三章 掛架、裝具、夾具……………………………… 11 第四章 熱處理工藝分析………………………………… 12 4.1 球化退火工藝分析……………………………… 12 4.2 淬火工藝分析…………………………………… 13 4.3 高溫回火工藝分析……………………………… 13 4.4 去應力退火工藝分析…………………………… 14 4.5 中頻淬火工藝分析……………………………… 14 4.6 低溫回火工藝分析……………………………… 14 4.7 穩(wěn)定化回火工藝分析…………………………… 14 第五章 熱處理工藝的檢驗……………………………… 14 第六章 熱處理工藝規(guī)范及操作守則…………………… 15 第七章 熱處理工藝設計的見解及體會………………… 17 第八章 熱處理工藝卡…………………………………… 19 參考書目…………………………………………………… 20 1、 熱處理工藝課程設計的目的 熱處理工藝課程設計是材控專業(yè)熱處理方向學生的一次專業(yè)課設計練習，是熱處理原理與工藝課程的最后一個教學環(huán)節(jié)，其目的是： (1) 培養(yǎng)學生綜合運用所學熱處理知識去解決工程問題的能力，并使所學知識得到鞏固和發(fā)展。 (2) 學習熱處理工藝課程設計的一般方法，熱處理設備選用和裝夾具設計等。 (3) 進行熱處理設計的基本技能訓練，如計算、工藝圖繪制和學習使用設計資料、手冊、標準和規(guī)范。 2、 熱處理工藝課程設計的內容和步驟 2.1 滾珠絲杠的簡圖 2.2技術要求 1、退火后組織：點狀或細粒狀P。按JB1255—81評定2-3級合格； 2、退火后硬度：187—229HBS，碳化物網(wǎng)按JB1255—81評定≤2級合格。 3、絲杠硬度：58--62 HRc。 2.3材料的選擇 2.3.1 GCr15鋼的性能 GCr15鋼具有高硬度、高耐磨性和在高溫下穩(wěn)定的機械性能，由于承受極高的交變載荷，滾珠與套圈的工作接觸面很小，產(chǎn)生極大的摩擦，因而要求具有較高的疲勞極限、極高均勻的硬度和耐磨性，還有一定的韌性和淬透性，并在大氣和潤滑介質中具有一定的抗蝕能力，而Gcr15鋼具有良好的成分設計和工藝性能，用于制造滾珠絲杠還是適宜的。 2.4GCr15鋼的化學成分及合金作用 2.4.1 GCr15鋼的化學成分 C（%，質量分數(shù)，下同）：0.95～1.05 Cr：1.4～1.65 Mn：0.25～0.45 Si：0.15～0.35 V：≤0.025 2.4.2 合金元素的作用 C：含量較高，以保證高硬度和高耐磨性 Cr：主要的合金元素，提高淬透性，并與C形成顆粒細小且彌散分布的碳化物，使鋼在熱處理后獲得高而均勻的硬度及耐磨性 Si、Mn：進一步提高其淬透性 V：提高鋼的耐磨性并防止過熱 2.5GCr15滾珠絲杠的熱處理工藝流程及設計 2.5.1工藝流程 備料→ 球化退火→粗車→調質→去應力退火→精車外圓及螺紋→中頻淬火及低溫回火→粗磨外圓與滾道→低溫穩(wěn)定化處理→精磨外圓與滾道 2.5.2工藝設計 2.5.2．1 球化退火 球化退火是使鋼中碳化物球狀化而進行的退火工藝，將鋼加熱到Ac1以上20～30℃，保溫一段時間，然后緩慢冷卻，得到在鐵素體基體上均勻分布的球狀或顆粒狀碳化物的組織。對于軸承鋼而言，球化退火具有以下優(yōu)點：淬火效果均一；減少淬火變形；提高淬火硬度；改善工件切削性能；提高耐磨性和抗點蝕性等軸承的性能。 （1） 加熱溫度：790～810℃ 確定依據(jù)：若加熱過高，則奧氏體晶粒會過于粗大，影響材料的綜合性能；若加熱溫度過低，碳化物不能充分溶入到奧氏體中。 確定方法：74520～30℃ （2） 加熱方法：隨爐溫加熱 確定依據(jù)：簡單易控制，且是預備熱處理，對性能要求不高。 （3） 加熱介質：空氣 （4） 保溫時間：保溫4h降至680～700℃保溫6h后隨爐冷至500℃出爐空冷 加熱時間可按下列方法進行確定：t=KaD,式中t為加熱時間（min）；a為加熱系數(shù)（min／mm），對合金鋼而言，一般取1.5～2.5；K為裝爐修正系數(shù)，一般取2.5～4.0；D為有效厚度，根據(jù)所給工件尺寸取40mm （5） 冷卻方法：隨爐冷 確定依據(jù)：獲得球狀或顆粒狀的珠光體，以保證良好的機械性能 （6） 冷卻介質：空氣 （7） 熱處理后檢驗方法：用布氏硬度計檢驗硬度，要求硬度187～229HBS；用金相顯微鏡觀察點狀或細粒狀珠光體為2～3級，碳化物網(wǎng)≤2級合格 （8） 熱處理工藝曲線 （9） 設備的選擇及型號 選用RJ2-50-12Q井式電阻爐，設備參數(shù)如下表所示 型號 額定功率（KW）額定電壓(V) 相數(shù) 爐膛直徑 爐膛深度 （mm） (mm) RJ2-50-12 50 380／220 3 600 800 注：外形尺寸為170016102526 （10） 工藝曲線 2.5.2.2調質 調質即淬火加高溫回火工藝，以獲得回火索氏體組織。調質后的材料不僅具有較高的強度和硬度，塑性、韌性也都有很大的提高。GCr15滾珠絲杠的調制處理可以選擇在（80010）℃，保溫2h油冷，然后在（68010）℃回火，保溫3～4h空冷。 淬火 (1) 加熱溫度：淬火為（80010）℃ 確定依據(jù)：Ac1以上某一溫度 確定方法：GCr15鋼的Ac1是745℃ （2）加熱方法：采用直接到溫加入爐加熱的方法 確定依據(jù)：GCr15鋼的淬透性較好，且工件形狀簡單，故采用直接到溫加入爐加熱的方法，這種方法簡便，加熱速度快，節(jié)約時間，節(jié)約能源，成本較低，便于批量生產(chǎn) (3) 加熱介質：空氣 （4）保溫時間：2h 確定依據(jù)：與退火保溫時間的依據(jù)相同，不再贅述 （5）冷卻方法：水冷 確定依據(jù)：水冷的臨界淬透直徑約為32mm，而油冷的臨界淬透直徑約為19mm。 （6）冷卻介質：水 （7）設備的選擇及型號 加熱設備與退火設備相同 （8）熱處理工藝曲線 高溫回火 （1） 加熱溫度：（68010）℃ 確定依據(jù)：因為是調質處理過程，高溫回火的溫度一般設置在600℃以上 （2） 加熱方法：用空氣電阻爐采取到溫加熱方式 確定依據(jù)：減少工件加熱時間，節(jié)約能源，回火后硬度下降較小。 （3） 加熱介質：空氣 （4） 保溫時間：1h t=Kn+AnD式中，t為回火時間，min；Kn為回火時間基數(shù)，An為回火時間系數(shù)，D為工件有效厚度，mm.查手冊可知Kn可取10，An可取1 （5） 冷卻方法：空冷 （6） 冷卻介質：空氣 （7） 設備的選擇及型號選擇：選擇箱式電阻爐RX3-75-9 型號 額定功率（KW）額定電壓(V) 相數(shù) 爐膛尺寸（長寬 高，mmmmmm) RX3-75-9 75 380 3 1800900550 注：外形尺寸為303023502440 （8） 熱處理工藝曲線 2.5.2.3去應力退火 去應力退火是為了去除由于塑性形變加工、焊接等造成的以及鑄件內存在的殘余應力而進行的退火。就GCr15滾珠絲杠而言，可將工件加熱到（56020）℃，保溫2～3小時，隨爐冷至500℃以下出爐空冷。 （1） 加熱溫度：（56020）℃ 確定依據(jù)：避免引起組織的轉變， （2） 加熱方法：隨爐溫加熱 確定依據(jù)：簡單易行 （3） 加熱介質：空氣 （4） 保溫時間：2～3h 確定依據(jù)：與球化退火保溫時間的確定依據(jù)相同，不再贅述 （5） 冷卻方法：隨爐冷 確定依據(jù)：避免產(chǎn)生附加的殘余應力，因此隨爐至500℃ （6） 冷卻介質：空氣 （7） 設備的選擇及型號：選擇井式電阻爐RJ2-25-6，部分參數(shù)如下表示 型號 額定功率（KW）額定電壓(V)相數(shù) 爐膛直徑 爐膛深度 (mm) (mm) RJ2-25-6 25 380 單 400 500 （8） 工藝曲線 2.5.2.4中頻淬火 表面熱處理可以使工件表層具有較高的耐磨性，而心部具有良好的塑性和韌性。 （1） 加熱溫度：與調質處理中淬火溫度相同 （2） 加熱方法：電流加熱 （3） 加熱介質：空氣 （4） 保溫時間： t=h／v，式中t為加熱時間（s），h為感應器高度（mm），v為工件進給速度 （5） 冷卻方法：鹽浴 （6） 冷卻介質：10％的碳酸鈉溶液 確定依據(jù)： 提高在高溫區(qū)的冷卻速度，使工件獲得較厚的淬硬層 （7） 設備的選取及型號：選用DGF-C-58-2 BPS50／8000 ` 功率（KW） 電壓 (V) 電流(A) 頻率（Hz） 發(fā)電機 50 750 74 8000 電動機 65 380 110 淬火層深度：1.3～5.5 （8） 工藝曲線 2.5.2.5低溫回火 低溫回火是指溫度在250℃以下進行的回火，可減小淬火應力，即可提高鋼的韌性，又可保證足夠的硬度、強度和耐磨性。 （1） 加熱溫度：160～180℃ 確定依據(jù)：要保證足夠的硬度，加熱溫度不能太高 （2） 加熱方法：直接隨爐溫加熱 確定依據(jù)：簡單易操作,成本較低 （3） 加熱介質：空氣 （4） 保溫時間：4～6h 確定依據(jù)：保溫足夠的時間以盡量降低其內應力 （5） 冷卻方法：隨爐冷 確定依據(jù)：避免產(chǎn)生附加的應力 （6） 冷卻介質：空氣 （7） 設備的選擇及型號：選取RJ2-25-6型井式電爐 型號 額定功率（KW）額定電壓(V)相數(shù) 爐膛直徑 爐膛深度 （mm） (mm) RJ2-25-6 25 380 單 400 500 （8） 工藝曲線 2.5.2.6 穩(wěn)定化回火 穩(wěn)定化回火是指為了穩(wěn)定組織與尺寸進行的回火。 （1） 加熱溫度：120～160℃ 確定依據(jù)：為了得到回火馬氏體，保證足夠的硬度，回火溫度不能太高 （2） 加熱方法：直接隨爐加熱 （3） 加熱介質：空氣 （4） 保溫時間：6～12h 確定依據(jù)：保溫足夠的時間以更好地穩(wěn)定組織及尺寸 （5） 冷卻方法：隨爐冷 確定依據(jù)：較慢冷卻速度，避免產(chǎn)生內應力。 （6） 冷卻介質：空氣 （7） 設備的選擇及型號：與低溫回火的設備相同 （8） 工藝曲線 2.6總工藝曲線 3、掛架 裝具 夾具 4、熱處理工藝分析 4.1球化退火的工藝分析 （1）加熱到溫后，得到均勻的奧氏體，塑性韌性較高；加熱溫度過高，會引起奧氏體晶粒長大，加熱溫度過低，會使得滲碳體不能完全溶入奧氏體中，鋼的硬度太高。 （2）組織轉變：正常保溫時，零件會形成均勻的奧氏體組織，保溫時間過長會形成粗大的碳化物，脆性增加，保溫時間不足時，會產(chǎn)生欠熱現(xiàn)象，致使原材料組織不均勻。 （3）球化退火后正常冷速會形成顆粒狀的珠光體，具有良好的切削加工性能；若冷速太大，則會形成細小的珠光體和鐵素體，硬度和強度增大，塑性變小，不利于機加；冷速不足，會形成珠光體+大塊鐵素體，并伴有粗大碳化物出現(xiàn)，熱處理后硬度偏低，脆性增大，不利于切削。 （4）常見的缺陷及防止方法 過燒 報廢 過熱 完全退火或正火補救 球化不均勻 正火后重新球化退火 硬度偏高 重新退火 脫碳 在保護氣氛中退火或復碳處理 4.2淬火的工藝分析 （1）加熱到溫后，珠光體轉變?yōu)閵W氏體，晶粒細化，冷卻后室溫組織為馬氏體+殘余奧氏體+少量的碳化物，硬度較高，有良好的耐磨性；加熱溫度不足，加熱后組織為奧氏體+珠光體+鐵素體，室溫組織為馬氏體+珠光體+鐵素體，硬度不足，塑性增大；加熱溫度過高，會形成粗大的奧氏體晶粒，冷卻至室溫后會形成粗大的馬氏體，脆性增加。 （2）組織轉變：珠光體→奧氏體→馬氏體+殘余奧氏體+少量的碳化物 （3）正常冷卻速度下會形成馬氏體+殘余奧氏體+少量的碳化物；冷速過快會形成馬氏體，但是熱應力和組織應力較大，產(chǎn)生開裂和變形；冷速過慢會形成馬氏體+貝氏體，工件硬度和強度不高，塑性較大。 （4）常見的缺陷及防治方法 淬火變形、開裂 均勻加熱、及時回火 表面氧化、脫碳、腐蝕及過燒 在保護氣氛或鹽浴爐內進行 硬度不足 重新加熱淬火 硬度不均勻 不同方向的鍛打，或再一次進行退火或正火，使組織細化、均勻化 組織缺陷 按淬火缺陷進行補救 4.3高溫回火工藝分析 （1）加熱到溫后，組織為馬氏體+碳化物，保溫過程中馬氏體分解，析出碳化物，冷卻至室溫后，組織為回火索氏體，塑性韌性都有較大提高；若回火溫度不足，加熱后得到的組織為馬氏體+大量的碳化物，冷卻至室溫后，組織為回火馬氏體或回火屈氏體，硬度偏高，而塑性韌性偏低；若回火溫度太高，加熱后的組織可能為奧氏體，即發(fā)生逆轉變，冷卻至室溫后奧氏體又轉變?yōu)轳R氏體，產(chǎn)生“二次淬火” （2）組織轉變：馬氏體→回火索氏體 （3）正常冷速下會形成回火索氏體，塑性韌性良好；冷速過快時，會形成回火馬氏體+碳化物，硬度提高，塑性韌性下降；冷速不足，會形成細粒狀的回火索氏體，硬度不足，塑性偏高。 （4）常見的工藝缺陷及防治方法 硬度不合格 合理控制回火爐的溫度 畸變 校直 回火脆性 對于第一類回火脆性，要重新加熱淬火；第二類回火脆性要重新回火和回火后快速冷卻 4.4去應力退火 （1）加熱到溫后，與前一道工序相比，組織基本上不發(fā)生變化，若加熱溫度過高，會形成奧氏體+碳化物，若加熱溫度不足，則達不到消除內應力的目的。 （2）組織轉變：無明顯轉變 （3）正常冷速下會得到珠光體組織，冷速過慢，組織為細粒狀珠光體，硬度不足，塑性偏高；冷速過快，則會形成貝氏體或馬氏體，硬度偏高。 （4）常見的工藝缺陷及分析與球化退火基本相同，不再贅述。 4.5中頻淬火 （1）加熱到溫后，工件表面的組織為成分均勻的奧氏體，而心部組織與前一道工序相比基本上不發(fā)生什么變化，冷卻至室溫后由表面向心部的組織為馬氏體、馬氏體+鐵素體、馬氏體+鐵素體+珠光體、鐵素體+珠光體；若加熱溫度不足，表面會形成奧氏體+滲碳體，冷卻后表面組織為馬氏體+滲碳體，硬度不足，耐磨性降低；若加熱溫度過高，表面會形成粗大奧氏體，冷卻至室溫后，會形成粗大的馬氏體，硬度偏高。 （2）組織轉變：表面會是由珠光體→奧氏體→馬氏體，心部無明顯變化 （3）正常冷速下表面會得到馬氏體組織,冷速過快，會得到馬氏體，但硬度太高，不利于機加，且硬化層深度不足；冷速過慢，表面組織為馬氏體+大量的滲碳體，硬度不足。 （4）常見的工藝缺陷及分析與調制處理中的淬火基本相同，不再贅述。 4.6低溫回火 （1）正常加熱到溫后，冷卻會得到回火馬氏體；加熱溫度不足，則不能內應力；加熱溫度過高，冷卻后可能會得到回火屈氏體，硬度有所降低。 （2）組織轉變：表面會得到回火馬氏體 （3）正常冷速下會得到回火馬氏體，冷速不足會得到貝氏體，冷速過快會得到回火馬氏體，但硬度會太高。 （4）常見的工藝缺陷及分析與高溫回火基本相同，不再贅述。 4.7穩(wěn)定化回火 穩(wěn)定化回火主要是為穩(wěn)定工件的尺寸而設置的工序，其工藝分析與低溫回火進本相同，但是在這個工序中，要注意工件要有足夠的保溫時間。 5、熱處理工藝的檢驗 退火 淬火 回火 感應加熱表面淬火 硬度 用布氏硬度計或洛氏硬度計檢驗是否合格 回火前的硬度值應大于或等于技術要求中的限值 用布氏硬度計或洛氏硬度計檢驗硬度是否合格 用維氏硬度計測量被測零件取樣部位橫截面的分布來測量硬化層深度，用布氏硬度計測量心部硬度 變形 用百分表測量其徑向圓跳動量 軸類零件彎曲變形、其全長徑向圓跳動量應小于直徑磨量的1／2 用百分表測量其徑向圓跳動量 按工藝卡的要求進行檢查，需要用校直控制的變形量的，按校直工藝進行，一般采用冷壓校直法 外觀 用肉眼低倍放大鏡觀察其表面有無裂紋、燒傷、碰傷、麻點及銹跡等缺陷 顯微組織 退火后的珠光體組織2～4級合格 回火馬氏體組織1～3級為合格， 6、熱處理工藝規(guī)范及操作守則 牌號 臨界溫度（℃） 熱加工溫度（℃） Ac1 Ac3（Accm） Ms 加熱 始鍛 Ar1 Ar3 (Arcm) Mf 終鍛 GCr15 760 900 185 1050～1100 1020～1080 695 707 -90 800～850 普通退火 等溫退火 溫度（℃） 冷卻 硬度（HBS） 加熱溫度(℃) 等溫溫度(℃) 冷卻方式 硬度(HBS) 790～810 爐冷 179～207 790～810 710～720 空冷 270～390 高溫回火 淬火 溫度(℃) 硬度(HBS) 溫度(℃) 淬火介質 硬度(HRC) 650～700 229～285 835～850 油 ≥63 回火 不同溫度回火后的硬度值（HRC） 常用回火溫度范圍 硬度值(HRC) 150(℃) 200(℃) 300(℃) 400(℃) 500(℃) 550（℃） 600（℃） 64 61 5549 49 41 36 31 150～170 61～65 淬火的工藝規(guī)程 （1）目的：不同要求的工件淬火后再經(jīng)一定溫度的回火，可獲得所需要的性能。如：強度、硬度、塑性、韌性，耐磨性及其他特殊物理性能。 （2）操作要點：允許不同材質但具有相同加熱溫度的零件同爐處理；需防氧化或脫碳涂料的需涂涂料，或工件放入盛有已用過的木炭和鐵屑的鐵箱中加蓋密封；冷卻方式因不同的材質和形狀而異，軸類零件垂直淬入最佳，形狀復雜的零件可先預冷再淬入，減小變形。 回火的工藝規(guī)程 （1）目的：調整淬火工件的力學性能，降低或消除工件的殘余淬火應力，保證工件使用過程中的尺寸穩(wěn)定。 （2）操作要點：盡量使截面尺寸相近的工件同爐回火，在鹽浴爐中回火時，工件在液面以下的距離大于或等于20mm；工件入爐時爐溫不得超過規(guī)定的回火溫度；需要多次回火的工件應在上一次回火徹底冷卻后再進行下一次回火（但有些材質不宜在空氣中停留時間太長；易變性的細長，薄壁工件及彈簧入爐時，應平放或吊柱，防止翹曲。 7、熱處理工藝設計的見解和體會 通過此次熱處理工藝課程的設計，我學到了很多專業(yè)方面的知識，認識到了有關熱處理方面的手冊對本專業(yè)的重要性，在我們以后的工作中，如果從事熱處理行業(yè)，都離不開對手冊的查詢，因此不得不說手冊使我們機械行業(yè)的老師。除此之外，本次課程設計也讓我深刻體會到認真、耐心的重要性，尤其是對本專業(yè)而言，要想成為一名優(yōu)秀的工程師，必須要有嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度和正確的學習方法。 8、熱處理工藝卡 熱處理工藝卡 產(chǎn)品型號 WZ-12 零（部）件圖號 07 產(chǎn)品名稱 滾珠絲杠 零（部）件名稱 簡圖： 材料牌號 GCr15 零件重量 工藝路線 備料→球化退火→粗車→調質→去應力退火→精車外圓及螺紋→中頻淬火及低溫回火→粗磨外圓與滾道→低溫穩(wěn)定化處理→精磨外圓與滾道 技術條件 檢驗方法 硬化層深度 滾道底大于等于1mm 用維氏硬度計測量硬度，直至硬度值為維氏硬度計的極限值 硬度 58～62HRC 維氏硬度計測量硬度 金相組織 回火馬氏體 金相顯微鏡觀察 力學性能 允許變形量 小于等于0.1mm／全長 檢測平臺、塞尺 工序號 工序名稱 設備 裝爐方式及數(shù)量 裝爐溫度（℃） 加熱溫度 加熱時間 保溫時間 冷卻 工時 介質 溫度 時間 1 球化退火 RJ2-50-12 利用吊具均勻排布，每爐600kg 室溫 790～810 6h 4～6h 空氣 50 2 淬火 RJ2-50-12 利用吊具均勻排布，每爐600kg 室溫 800 3 2 水 30 3 高溫回火 RX3-75-9 堆放，每爐600kg 500 680 2 1 空氣 18 4 去應力退火 RJ2-25-6 利用吊具均勻排布，每爐600kg 室溫 500 3 2 空氣 30 5 中頻淬火 DGF-C-58-2 BPS50／8000 利用吊具均勻排布，每爐600kg 室溫 800 10％的碳酸鈉溶液 6 低溫回火 RJ2-25-6 利用吊具均勻排布，每爐600kg 100 140～160 6 4 空氣 50 7 穩(wěn)定化回火 RJ2-25-6 利用吊具均勻排布，每爐600kg 室溫 120～160 12 6 空氣 80 參考文獻 （1） 中國機械工程學會熱處理學會，熱處理手冊，2009 （2） 樊東黎，徐躍明，佟曉輝，熱處理工程師手冊第2版，第3版，2005，2011 （3） 《熱處理設備選用手冊》編寫組，熱處理設備選用手冊，1989 （4） 才鴻年，馬建，現(xiàn)代熱處理手冊，2010 （5） 中國機械工程學會熱處理學會，《熱處理手冊》編委會，熱處理手冊工藝基礎第3版，2005 （6） 中國機械工程學會熱處理專業(yè)學會，《熱處理手冊》編委會，熱處理手冊第2版第2卷,1997