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文档简介
1、工艺 课程设计(论文)题目:42crmo高强度联轴螺栓热处理工艺设计院(系):专业班级:学号:学生姓名:指导教师:起止时间:课程设计(论文)任务及评语院(系): 教研室:材料科学与工程教研室学 号学生姓名专业班级课程设计(论 文)题 目42crmo高强度联轴螺栓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42crmo淬火、回火热处理工艺理论基础,选择设备、仪表和工夹具,阐述螺栓热处理质量检验项目、内容及要求;阐明螺栓热处理常见缺陷的预防及补救方法;
2、给出所用参考文献。二、课设任务1.联轴螺栓材料的选择(要求在满足工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42crmo的c曲线;3.给出42crmo联轴螺栓冷热加工工艺流程图;4.制定42crmo联轴螺栓淬火-回火热处理工艺。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)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
3、)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 日目 录1 高强度联轴螺栓热处理概述12 42crmo高强度联轴螺栓热处理工艺设计22.1 齿轮的服役条件、失效形式及性能要求22.1.1 服役条件、失效形式22.1.2 性能要求22.2 螺栓材料的选择22.3 42crmo钢的c曲线32.4 42crmo钢的热处理工艺设计42.4.1 42crmo的工艺流程42.4.2 42crmo的热处理工艺设计52.5 42c
4、rmo高强度联轴螺栓的热处理工艺理论基础、原则72.5.1 42crmo高强度联轴螺栓的退火工艺理论基础、原则72.5.2 42crmo淬火工艺原理82.5.3 42crmo回火工艺理论基础、原则102.6 选择设备、仪表和工夹具112.6.1 设备112.6.2 仪表122.6.3 设计工夹具132.7 42crmo高强度联轴螺栓度热处理质量检验项目、内容及要求142.8 42crmo高强度联轴螺栓热处理常见缺陷的预防及补救方法142.8.1 加热时常见的缺陷的预防及补救方法142.8.2 淬火、回火缺陷与预防、补救152.9 热处理工艺卡162.9.1 42crmo退火工艺卡172.9.2
5、 42crmo淬火工艺卡182.9.3 42crmo回火工艺卡193. 参考文献201 高强度联轴螺栓热处理概述高强度螺栓是指性能等级在8.8级以上,不可重复使用,多用于桥梁、钢轨、高压及超高压设备的连接设备。这种螺栓的断裂多为脆性断裂,应用于超高压设备上的高强度螺栓,为了保证容器的密封,往往需要施以较大的预应力。高强度螺栓施加预拉力和靠摩擦力传递外力,需要较好的韧性、塑性、较高的强度、较细的晶粒。为满足这些性能的要求常用经过调质处理后的45号钢、40硼钢、20锰钛硼钢、42crmo等。用于高强度螺栓材料的钢,一次预备热处理是退火,主要目的是为了降低硬度,改善切削加工性;消除锻造残余应力,稳定
6、尺寸,减少变形与裂纹倾向;细化晶粒,调整组织,消除组织缺陷。随后经淬火加高温回火后,使零件表面得到高的硬度和耐磨性,而心部仍保持一定的强度及较高的塑性、韧性。通过对经典合金结构钢热处理工艺的分析,更加明确在执行热处理工艺过程中所需要注意的问题。能够正确确定加热温度、时间,保温时间,冷却方式,其目的就是通过正确的热处理工艺,使金属材料的潜在能力得到充分的发挥。根据联轴螺栓的工作条件,失效形式及性能要求,本设计选择的联轴螺栓材料为42crmo高强度联轴螺栓钢;在设计退火淬火高温回火热处理工艺中,本设计借鉴了热处理工程师手册,热处理手册(共四卷),高强度螺栓摩擦连接概论,工程结构设计原理,金属热处理
7、工艺等。根据工艺设计的理论基础设定了完整的热处理工艺流程,使热处理的42crmo联轴螺栓表面不仅具有高硬度,高耐磨性,高的耐点蚀性能,高的疲劳强度,而且心部还具有高的强度和韧性,从而满足联轴螺栓的质量要求。2 42crmo高强度联轴螺栓热处理工艺设计2.1 齿轮的服役条件、失效形式及性能要求2.1.1 服役条件、失效形式 联轴螺栓在工作时螺栓施加很大的预拉力,使连接构件间产生挤压力,从而使垂直于螺杆方向有很大摩擦力,而且螺栓处会产生较大的扭矩进而产生扭转应力的作用。联轴螺栓和工件连接处在上述不同应力作用下导致不同的失效形式,主要有脆性断裂、疲劳磨损、皮下点蚀、弯曲疲劳折断,冲击折断等。2.1.
8、2 性能要求 1.能承受使在接头中产生规定的摩擦力所必要的螺栓预紧力; 2.能准确的施加螺栓预紧力,也就是能可靠的进行拧紧作业; 3.能确保其预拉力; 4.在一般情况下,预拉力产生的螺栓应力对螺栓钢材来说是相当高的应力,但在这种情况下应不发生脆性破坏,而安全可靠; 5.要考虑腐蚀的问题;6.制造简便,能大量生产,价格便宜。2.2 螺栓材料的选择螺栓材料的选择在有特殊用途的时候必须考虑螺栓的硬度、强度等。在选择螺栓时首先要考虑材料问题。目前市场上的螺栓标准件材料主要有碳钢螺栓、不锈钢螺栓、铜螺栓三种材料。 (1)碳钢。我们以碳钢料中碳的含量区分低碳钢,中碳钢和高碳钢以及合金钢。1、低碳钢:c%0
9、.25%国内通常称为a3钢。2、中碳钢:含碳0.25%0.45%。3、合金钢:在普碳钢中加入合金元素,增加钢材的一些特殊性能:如35、40铬钼、scm435,10b38。(2)不锈钢。性能等级:45,50,60,70,80主要分奥氏体不锈钢(18%cr、8%ni)耐热性好,耐腐蚀性好,可焊性好。a1,a2,a4马氏体不锈钢、13%cr不锈钢耐腐蚀性较差,强度高,耐磨性好。c1,c2,c4铁素体不锈钢。18%cr奥氏体不锈钢镦锻性较好,耐腐蚀性强于马氏体不锈钢。(3)铜。常用材料为黄铜、锌铜合金。市场上主要用h62、h65、h68铜做标准件。高强度螺栓工作条件比普通螺栓差,特别是桥梁、轨道、水轮
10、机等重要联接部分。它受力较大、受扭力、横向切应力、冲击较频繁,因此对材料要求较高。由于弯曲与接触应力都很大,所以重要螺栓都经过调质、淬火处理,以提高耐磨性和疲劳抗力。为了保证心部有足够的强度及韧性,材料的淬透性要求较高,心部硬度应在hrc4058。另外,螺栓生产特点是批量大,利润低,因此在选钢材时,在满足力学性能的前提下对工艺性能必须予以足够的重视。实践证明,42crmo钢具有较高的力学性能,在淬火、高温回火后,材料内部成分均匀,获得更好的综合力学性能。 2.3 42crmo钢的c曲线通过查找热处理手册获得42crmo钢的c曲线如图1所示,成分如表1。 图1. 42crmo钢c曲线表1 42c
11、rmo钢的成分材料化学成分(质量分数)%原始状态奥氏体化温度奥氏体化时间晶粒度ms42crmoc:0.380.45si:0.170.37mn:0.500.80p:0.035s:0.035cr:0.901.20mo:0.150.25ni,cu0.030球化退火860-360经锻造将获得螺栓的毛坯。图2是高强度联轴螺栓的零件图。图2 高强度联轴螺栓的零件图2.4 42crmo钢的热处理工艺设计2.4.1 42crmo的工艺流程1.加工路线备料锻造退火粗、半精加工淬火、高温回火射线探伤精加工2. 锻造工艺设计造联轴螺栓的毛坯经过锻造后获得基本的形状。锻造是利用锻压机械对金属坯料施加压力,使其产生塑性
12、变形,使获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸的锻件的加工方法。用棒料镦粗后经切削加工制成的联轴螺栓,其组织致密,金属内孔隙减少,纤维组织弯曲呈放射状,力学性能得到很大的提高。查阅热处理工艺规范数据手册可以找出42crmo钢的锻造工艺的加热温度、始锻温度冷却方式,本设计具体的锻造工艺参数如表2所示。表2 42crmo钢的热加锻造工艺规范项目ac1(ar1)ac3(ar3)加热温度始锻温度终锻温度钢坯730(690)800(-)11501200113011808502.4.2 42crmo的热处理工艺设计1预备热处理工序退火退火一般均安排在毛坯生产之后,切削加工之前,或粗加工之后,半精加工之前。退
13、火的目的是为了降低硬度,改善切削加工性;消除锻造残余应力,稳定尺寸,减少变形与裂纹倾向;细化晶粒,调整组织,消除组织缺陷。作为用做联轴螺栓的中碳钢42crmo需要球化退火,其退火工艺曲线如图3所示。100150/h46h680以上控制冷却速2030/h680以下炉冷550空冷0 时间/h 温度/ 750770图3 42crmo钢退火工艺曲线2淬火、高温回火零件经最终热处理后硬度较高,除磨削外不宜再进行其他切削加工,因此工序位置一般安排在半精加工后,磨削加工前。经淬火后表面获得高硬度、高的耐磨性,而心部仍维持良好的综合力学性能。为降低表面淬火的淬火应力,保持高硬度、耐磨性,淬火后应高温回火。注:
14、采用常规的调质工艺,在满足高强度的基础上,其塑性和韧性指标往往达不到技术要求。本设计通过采用水- 空间淬的淬火工艺,能够对截面大的零件提高冲击吸收攻,成功地解决了实际生产中采用油淬调质不能满足验收条件的难题。图4为半加工后淬火、回火热处理工艺曲线。8504h水-空间淬6006h时间/h图4 淬火、回火热处理工艺曲线空冷温度/03.射线探伤作为五大常规无损检测方法之一的射线检测(radiology),在工业上有着非常广泛的应用。射线探伤是利用x射线对金属工件进行检测,根据射线穿透物质时的衰减特征来探测被检物中的不连续性并记录与显示其图象的方法。x射线与自然光并没有本质的区别,都是电磁波,只是x射
15、线的光量子的能量远大于可见光。它能够穿透可见光不能穿透的物体,而且在穿透物体的同时将和物质发生复杂的物理和化学作用,可以使原子发生电离,使某些物质发出荧光,还可以使某些物质产生光化学反应。如果工件局部区域存在缺陷,它将改变物体对射线的衰减,引起透射射线强度的变化,这样,采用一定的检测方法,比如利用胶片感光,来检测透射线强度,就可以判断工件中是否存在缺陷以及缺陷的位置、大小。 i/i=-((-)t)/(1+n)这个公式就是射线检测基本原理的关系式,i/i称为物体对比度,从它我们可以得知,只要缺陷在透射方向上具有一定的尺寸、其衰减系数与物体的线衰减系数具有一定差别,并且散射比控制在一定范围,我们就
16、能够获得由于缺陷存在而产生的对比度,从而发现缺陷。2.5 42crmo高强度联轴螺栓的热处理工艺理论基础、原则2.5.1 42crmo高强度联轴螺栓的退火工艺理论基础、原则 1退火加热温度将亚共析钢加热至ac3以上2030,保温一段时间,然后缓慢冷却,得到在铁素体基体上均匀分布的球状或颗粒状碳化物的组织,这种热处理工艺称为球化退火。由铁碳合金相图如图5可知42crmo 的加热温度范围为820840。加热温度过高会使螺栓严重脱碳,降低了螺纹的强度,使用时发生脱扣的现象。因此必须控制脱碳深度和加热温度。本设计将采用一种工业上常用方法球化退火即42crmo普通球化退火。采用加热到750770,保温一
17、定时间(46h),然后控制冷速(680以上),550后出炉空冷。球化退火后使珠光体内的片状渗碳体以及先共析渗碳体都变为球粒状,均匀分布于铁素体基体中。具有这种组织的中碳钢硬度低、被切削性好、冷形变能力大。近年来球化退火得到越来越广泛的应用。l 图5 fe-c合金相图2退火加热保温时间保温时间,这个问题比较复杂,一般由试验确定,但也有个经验公式:t = kd加热系数(min/mm)k工件加热是的修正系数d工件的有效厚度(mm) 工件有效厚度的计算原则是:薄板工件的厚度即为其有效厚度;长的圆棒料直径为其有效厚度;正方体工件的边长为其有效厚度;长方体工件的高和宽小者为其有效厚度;带锥度的圆柱形工件的
18、有效厚度是距小端2l/3(l为工件的长度)处的直径;带有通孔的工件,其壁厚为有效厚度。一般情况下,对于中碳合金钢可以按工件有效厚度每15毫米为一小时来计算,所以保温时间应为46小时左右。3退火的目的退火使经过铸造、锻轧、焊接或切削加工的材料或工件软化,改善塑性和韧性,使化学成分均匀化,去除残余应力,得到预期的物理性能。2.5.2 42crmo淬火工艺原理淬火是为了提高的钢件表面硬度、高耐磨性和心部良好强韧性的配合提供必要条件。一般淬火以下列几种典型的热处理工艺:预冷淬火、一次淬火、二次淬火。对于高强度螺栓一般用细晶粒合金钢,考虑到效益的因素,最为广泛采用第一种和第二种方法进行热处理,工艺简单。
19、下面将简单叙述预冷淬火。预冷淬火先把已在规定淬火温度下充分保温后的工件出炉空冷一小段时间,然后再淬火的工艺,一般预冷到720左右,这种操作对操作者技能要求很高。1预冷的目的预冷的目的是通过减少工件与淬火介质之间的温度差来最大限度的降低工件变形、开裂等淬火畸变的可能。2淬火冷却方式选择螺栓的临界直径为54mm左右,由钢及其热处理曲线手册得到的42crmo钢临界淬透性曲线图6和半马氏体硬度与钢的含碳量关系曲线图7可知42crmo钢用水淬火可满足使用要求。本设计采用一种新型淬火方法:水空间淬法。水空间淬火是指将加热保温后的钢材淬入一种冷却能力较强的介质中,避免珠光体转变,然后再淬入另一种冷却能力较弱
20、的介质中,发生马氏体转变。这种淬火工艺利用了两种介质的优点,获得了较理想的冷却条件。在生产中,选用水作为第一种冷却介质,空气作为第二种冷却介质。工件在水中的冷却速度较油中快,大部分奥氏体发生的是马氏体转变,由于有效截面较大,不可避免心部或靠近心部的位置存在珠光体转变,回火后的组织中存在铁素体,但通过这种淬火方式,所保留的铁素体的量较油冷淬火要少。强度相近而组织不同的钢,其冲击吸收功和韧脆转变温度以马氏体高温回火后的组织回火索氏体最佳,贝氏体回火组织次之,片状珠光体组织最差。当有铁素体存在时,由于铁素体是解理裂纹易于扩展的通道,可导致材料变脆。当有铁素体存在时, 由于铁素体是解理裂纹易于扩展的通
21、道,因此油冷后,工件的0v型缺口冲击吸收功偏低。水空间淬间淬,通过高温回火后,则拥有较多的回火索氏体, 0v型缺口冲击吸收功远大于油冷试样。图6 42crmo钢淬透性曲线 图7 半马氏体硬度与钢的含碳量关系曲线2.5.3 42crmo回火工艺理论基础、原则1回火温度确定原则42crmo联轴螺栓需有较高的力学性能,在退火、淬火加高温回火后, 心部硬度hrc4058。由不同钢含碳量的硬度与回火温度关系曲线图8(钢的热处理胡光立、谢希文 西北工业大学出版社)可知其在600回火可满足使用要求。图8 不同含碳量钢硬度与回火温度关系曲线2回火温度时间确定原则回火保温时间,是根据材料、工件尺寸、对工件的性能
22、要求和加热炉型而定的,对于中、高温回火的工件,回火保温时间可按下列经验公式计算:t=dd+b (min)式中t=回火保温时间(min)d=工件有效厚度(mm)b =附加时间,一般为1020mind=加热系数(min/mm)。一般来说中碳合金结构钢回火时间按照3045min/mm,大致算出该工件回火时间约为6小时。3回火的目的42crmo淬火经高温回火后获得显微组织得到回火索氏体,回火索氏体也是马氏体的一种回火组织,是铁素体基体与粒状碳化物的混合物,常温下是一种平衡组织。高温回火后强度、塑性和韧性都较好的综合力学性能。2.6 选择设备、仪表和工夹具2.6.1 设备1退火设备 罩式退火炉主要用于在
23、自然气氛或保护气氛中进行钢的退火、回火。该退火炉控制系统结构见图9,其系统主要由计算机、通信装置、控制器、测试终端等。它的工艺流程是接料装炉扣内罩冷密检验预冲洗扣加热罩加热保温更换加热罩扣冷却罩冷却后冲洗等。图9 罩式退火炉控制系统的结构2淬火设备42crmo高强度螺栓考虑到效益等因素淬火是选择普通型间隙作业淬火槽。该淬火槽主要由槽体、介质注入泵、溢流槽等组成。由于本设计采用水空间淬火所以对淬火的工作技术要求较高,淬火槽的基本工作顺序是:输送工件水中淬火空冷水中淬火空冷(反复直到室温)。在水中和空中冷却的时间必须严格控制,否则螺栓心部的铁素体数量将得不到减少。3回火设备中温箱式电阻炉: 额定功
24、率30kw,额定电压380v,额定温度900。2.6.2 仪表1温度检测表热电偶:k-wrn-型镍铬镍硅(镍铝),温度范围-40-1000。2温度显示与调节仪表电子自动平衡温度指示调节仪表:xwda100。其技术参数如表3。表3 xwda100系列记录仪主要技术参数序号技术参数数据序号技术参数数据1指示基本误差0.58热电阻导线阻抗(22)(2时标定,实际在0-4之间)2记录基本误差19记录纸速度交流50hz 220v103指示死区0.2510报警输出设定精度:1,设定范围:10-90,滞环:0.5,输出换触头,触头容量:ac、200v、1a4尺标长度100mm5行程时间5s11电源电压交流5
25、0hz 220v106信号源内阻直流电位差计输入小于5k,热电偶输入10012功耗约8va7电流输入时分流电阻电流输入时分流电阻:10ma输入电流500ma,分流电阻1:500a入电流10ma,分流电阻10:20ax输入电流500a,分流电阻25013质量5.5kg3数字式温度显示仪表:面板是数字温度仪表:ry2312,测量范围:0-1300。2.6.3 设计工夹具零件在热处理过程中,根据零件的外形、尺寸及批量和所选用的加热炉型号,需要多种吊具和工夹具以保证零件的加热均匀,不至于变形,保证操作安全。1夹具普通螺栓可以直接堆放,鉴于本设计采用特殊的淬火方法,需要反复的更换淬火介质,所以夹具选择网
26、状的耐高温铁筐,将螺栓堆放在铁筐中。2挂钩悬挂夹具的器具,一头弯曲,一头带孔,用来固定夹具。3定位销用来固定挂钩与仪器。2.7 42crmo高强度联轴螺栓度热处理质量检验项目、内容及要求1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。2工件变形检查根据图样技术要求检查工件的弯曲变形、尺寸及几何形状的变化。3硬度检查 在淬火后检查包括表面及心部硬度,一般用洛氏硬度hrc标尺测量。42crmo 钢在淬火、高温回火后,心部硬度hrc4058。表面硬度比心部硬度不超过300hbw。4金相组织检查按技术要求及标准检查组织形态及分布,残留奥氏体和回火索氏体数量,有无反常组织,心
27、部组织是否粗大及铁素体是否超出技术要求等,一般在显微镜下放大400倍观察。2.8 42crmo高强度联轴螺栓热处理常见缺陷的预防及补救方法2.8.1 加热时常见的缺陷的预防及补救方法1欠热缺陷及其预防、补救1)形成原因及防止措施钢在加热时,由于加热温度过低、加热时间过短,产生细片状和点状珠光体组织这不仅影响生产而且直接危害高强度联轴螺栓的性能, 因其碳化物较细, 弥散度大, 容易溶入奥氏体, 导致淬火过热和淬火裂纹现象。防止欠热主要措施是严格控制加热温度和加热时间。2)返修方法可通过重新退火来补救。2过热缺陷及其预防、补救1)形成原因及防止措施钢加热时,由于加热温度过高或加热时间过长,引起奥氏
28、体晶粒粗大而产生的组织缺陷并形成大量的网状碳化物。防止过热主要措施是严格控制加热温度和加热时间。2)返修方法可通过重新退火来补救。3过烧缺陷及其预防、补救1)形成原因及防止措施钢加热时,由于加热温度过高,造成晶界氧化或局部熔化的组织缺陷。防止过烧主要措施是严格控制加热温度和加热时间。2)返修方法工件过烧无法挽救只能报废。4 表面脱碳缺陷及其预防、补救1)形成原因及防止措施退火加热温度过高和保温时间不当导致氧化脱碳现象严重。防止脱碳主要措施是严格控制加热温度和加热时间,严格控制脱碳层深度。2) 返修方法螺栓主要工作地方为螺纹,若螺纹脱碳严重,则可导致螺栓工作时脱扣,所以可以直接报废处理。2.8.
29、2 淬火、回火缺陷与预防、补救1表层大量残余奥氏体缺陷及其预防、补救1)形成原因及防止措施 淬火温度过高,奥氏体中碳及合金元素含量较高。 2) 返修方法冷处理; 缓冷再加热淬火;高温回火后,重新加热淬火;采用合适的加热温度,重新淬火。2硬度过高或过低或不均匀缺陷及其预防、补救1)形成原因及防止措施主要是由于回火温度过低、过高或炉温不均匀所造成的。回火后硬度过高还可能是由于回火时间过短。硬度不均匀可能是由于一次装炉量过多,或选用加热炉不当所致。这类问题可以通过调整回火温度等控制。2) 返修方法再回火炉中重新加热回火。3回火变形缺陷及其预防、补救形成原因及防止措施由于回火前工件内应力不平衡,回火是应力松弛或产生应力重新分布所致。要避免回火变形,或采用多次校直多次加热,或采用压具回火等。4回火脆性缺陷及其预防、补救1)形成原因及防止措施主要原因是由于所选回火温度不当,或回火冷却速度不够(第二类回火脆性)所致。防止回火脆性的出现应正确选择回火温度和冷却方式。2) 返修方法一旦出现回火脆性,对于第一类回火脆性,只能通过加热淬火,另选回火温度回火:对于第二类回火脆性,可采取重新加热回火,然后加速回火冷却速度的方法消除。2.9 热处理工艺卡2.9.1 42crmo退火工艺卡热处理工艺卡零件名称高
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