S7332螺纹磨床丝杆热处理生产工艺过程设计

1、中北大学课程设计说明书1.前言热处理工艺课程设计是材料科学基础金属工艺学材料力学性能以及金属材料学等课程学习的基础上开设的，它是金属材料工程专业一个重要的实践性教学环节，对提高学生综合应用所学知识解决工程实际问题以及创新设计的能力具有重要作用。课程设计不但能使我们巩固学过的专业知识，而且还能为我们走上工作岗位打下良好的基础。课程设计的任务是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热处理方法，制定工艺参数，画出热处理工艺曲线图，选择或选定装夹具，作出热处理工艺卡。现代工业的飞速发展对机械零部件工模具等提出的要求愈来愈高。热处理不仅对锻造机

2、械加工的顺利进行和保证加工效果起着重要作用，而且在改善或消除加工后缺陷，提高工件的使用寿命等方面起着重要作用。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、低消耗、清洁、高效、精确的热处理工艺方法。为获得理想的组织与性能，保证零件在生产过程中的质量稳定性和使用寿命，就必须从工件的特点要求和技术条件，认真分析产品在使用过程中的受力状况和可能失效形式，正确选择材料；再根据生产规模现场条件热处理设备提出几种可行的热处理方案，最后根据其经济性方便性质量稳定性和便于管理降低成本等因素，确定出一种最佳方案。合理的热处理工艺不但可以

3、强化金属材料，充分挖掘材料性能潜力，降低结构重量、节省和能源，而且能够提高机械产品质量，大幅度延长机器零件的使用寿命。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。通过课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才是真正的知识，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。2. 零件图分析图1是本次课程设计给定的零件图。图1 S7332螺

4、纹磨床丝杆示意图技术要求：淬火层深度5.56mm，硬度56HRC。 2.1服役条件 S7332螺纹磨床采用滚珠丝杆，5级精度。丝杆一般在机床上由两点或几个支点来支撑运行进行旋转运动，推动螺母及连接的滑板等零件进行平移。丝杆于螺母的螺纹牙齿侧面相对滑行，丝杆每转一周则推进一个螺距，螺母存在很大的摩擦力，螺母与丝杆齿形面易于磨损，而且一根丝杆仅仅一部分磨损严重，引起螺距误差进而影响精度。2.2失效形式滚珠丝杆工作时常承受弯曲、扭转、疲劳、冲击，同时在滑动与转动部位承受摩擦作用，其工作表面承受较大的接触应力，杆件本身也承受着较大的扭转应力。滚珠丝杆主要的失效形式是解除疲劳破坏（既疲劳剥落，俗称麻点）

5、，同时也存在机械损伤磨损。2.3性能要求丝杆整体要有一定的刚度要求和强度，在工作中不能产生大的挠度和塑性变形，因此必须具有较好的综合力学性能和高的尺寸稳定性。同时其相关工作部位（滚道、轴径）也要求具有高的磨损抗力,高的接触疲劳强度既具有高硬度、高强度与足够的耐磨性。还要求丝杆在工作过程中，具有传动灵敏平稳、定位精度和重复精度高等要求；对于在腐蚀介质和较高温度下工作的丝杆，还要求具有耐腐蚀性和耐热性等。3. 材料选择3.1 材料的选择根据螺纹磨床丝杠的服役条件,为保证高精度及高的精度保持性,必须具有高硬度、高耐磨性和尺寸稳定性。一般精密淬硬丝杠常选用9Mn2V、CrWMn、GCr15等合金工具钢

6、制造。由于9Mn2V钢淬透性好，淬火畸变倾向小，淬火硬度高(可达58HRC以上)，加工的表面粗糙度值低、磨削裂纹倾向小，因此选用9Mn2V钢制造螺纹磨床丝杠可以保证其耐磨性和尺寸稳定性。3.2 材料中的化学成分及作用 表1给出了9Mn2V钢的化学成分。其中各化学元素的作用如下：表1 9Mn2V 钢的化学成分(质量分数)牌号化学成分（重量百分比）碳(C)锰(Mn)镍(Ni)硅(Si)磷(P)硫(S)铬(Cr)铜(Cu)钒(V)9Mn2V0.850.951.702.000.250.400.030.03-0.300.100.25（1）碳 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，当碳

7、量0.23%超过时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%。碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。（2） 锰 主要是为了提高钢的淬透性。加热时，锰的碳化物(Fe、Mn)3C易于溶解，晶粒易于长大，增加了钢材的过热敏感性。锰引起马氏体相变点Ms降低，淬火后残余奥氏体较多，故淬火变形相应较小。（3）钒钒可以无限量固溶入铁中，并阻止沃斯田铁晶粒的成长，钒在钢中有脱酸除氧之能力，故含钒之钢其断面结晶密实，此外钒的作用还有：a能提高淬火温度。b改善硬化能，高温淬火加热时，能防止其晶粒生长。c有助於钢之结晶组织

8、细微化。4 .确定加工路线（冷、热加工）加工工艺主要包括机加工和热处理工艺。机加工是指通过加工机械精确去除材料的加工工艺。热处理是指采用适当的方式对金属材料或工件进行加热、保温和冷却以获得预期的组织结构与性能工艺。9Mn2V钢是一种合金工具钢,用其制造丝杠进行表面淬火时, 其原材料的碳化物网及显微组织对淬火质量影响较大。通常要求其碳化物网的级别不大于3级，显微组织为珠光体24级。因此在毛坯化验时,如发现碳化物网级别超标，必须进行球化退火处理。显微组织则可以通过球化退火达到要求。丝杠在表面淬火后，为进一步提高硬度和耐磨性，稳定尺寸,减小工件在后序加工中的畸变，可以在淬火后进行冰冷处理，使工件内部

9、的残留奥氏体尽量转变为马氏体。由于丝杠磨削加工量大，在磨削过程中产生的热量大易产生二次回火现象，将导致局部组织变化,同时产生较大的磨削应力，若不及时给予消除,会导致丝杠畸变，故在粗磨后必须进行低温时效。因此，9Mn2V钢丝杠的加工工艺过程一般为：下料正火球化退火粗车及粗磨外圆中频淬火热矫直深冷处理回火磨外圆及粗磨螺纹低温时效精磨低温时效。5. 热处理工艺方法选择5.1 预备热处理的选择预备热处理的目的是改善加工性能、消除内应力和为最终热处理准备良好的金相组织。其热处理工艺有退火、正火、时效、调质等。1、调质处理：一般后面要进行表面淬火处理，其预备热处理的目的是为了使工件表面淬火前得到强韧性结合

10、优良的心部性能，降低使用过程中的心部疲劳开裂；2、正火处理：一般后面进行的是化学热处理（渗碳+淬火）或者调质热处理，其预备热处理的目的就是细化晶粒、消除机加应力、均匀不平衡组织等，为后面的最终热处理奠定良好的组织基础；3、退火处理：后面最终热处理一般都是调质处理，其作为预备热处理的目的就是为了消除应力以及降低表面硬度。正火与退火工艺相比，其主要区别是正火的冷却速度稍快，所以正火热处理的生产周期短。故退火与正火同样能达到零件性能要求时，尽可能选用正火。大部分中、低碳钢的坯料一般都采用正火热处理。一般合金钢坯料常采用退火，若用正火，由于冷却速度较快，使其正火后硬度较高，不利于切削加工。综上所述，9

11、Mn2V材质的丝杆采用正火加球化退火处理。5.2 中间热处理的选择9Mn2V钢丝杆选择深冷处理后回火：将淬火后的工件，在零度以下的低温介质中继续冷却到零下70待工件截面冷到温度均匀一致后，取出空冷，可使残余奥氏体全部或大部分转变为马氏体。因此，不仅提高了工件硬度、抗拉强度，还可以稳定工件尺寸 。 9Mn2V钢经深冷处理，深冷处理可使淬火马氏体析出高度弥散的超微细碳化物，随后进行200低温回火后这些超微细碳化物可转变为碳化物。未经深冷处理的马氏体，在低温周火后，仅在某些局部区域析出有少量碳化物。9Mn2V采用低温化学热处理方法, 在保持9Mn2V钢高硬度和高耐磨性的基础上，大大提高其使用寿命。5

12、.3 最终热处理的选择最终热处理的目的是通过适当的热处理使工件的硬度、耐磨性和强度等力学性能能够满足工件的技术要求。5.3.1 渗碳 渗碳是将钢件置于具有足够碳势的介质中加热到奥氏体状态并保温，使其表面层形成一个富碳层的热处理工艺。根据所使用的介质的物理状态，可以将渗碳分为气体渗碳、液体渗碳和固体渗碳三类。冲击活塞的渗碳处理在井式气体渗碳炉中进行，渗碳处理过程炉膛排气阶段采用大量甲醇排除炉内空气，渗碳剂则使用煤油，剂量100滴/min，渗碳温度为930，渗碳阶段时间为10h，扩散阶段时间为3h，渗碳层含碳量控制在0.95%1%。5.3.2 回火其目的主要是为了稳定组织，减少或消除淬火应力，提高

13、钢的塑性和韧性，获得强度、硬度和塑性，根据回火的温度不同，回火可分为高温回火、中温回火、低温回火，经过回火的钢随着回火温度的升高，硬度越低。对于9Mn2V钢，渗碳处理之后，为了减少冲击活塞在淬火后残余奥氏体的存在，将其进行了一次高温回火，高温回火处理后再重新加热淬火，淬火后紧接着在180低温回火6h。5.3.3 淬火钢的淬火是将钢加热到临界温度（Ac3或Ac1）以上，保温一定时间使之奥氏体化后，以大于临界冷却速度的冷速进行冷却的一种工艺过程。对于9Mn2V钢采用淬火温度850，淬火介质为矿物油。5.3.4 时效为了消除精密量具或模具、零件在长期使用中尺寸、形状发生变化，常在低温回火后（低温回火

14、温度150250）精加工前，把工件重新加热到100150，保持520小时，这种为稳定精密制件质量的处理，称为时效。对在低温或动载荷条件下的钢材构件进行时效处理，以消除残余应力，稳定钢材组织和尺寸，尤为重要。时效处理分自然时效和人工时效，人工时效就是冬菇炖鸡肉所说的，人工时效指的是把粗加工后的零件放在自然的环境里35年后在进行精加工，称为自然时效。根据9Mn2V钢材质的丝杆性能及技术要求，采用低温时效处理。6. 制订热处理工艺制度 金属材料和铁制品退火、正火和淬火保温时间由设备加热方式、零件尺寸、钢的成分、装炉量和设备功率等多种因素确定。加热所需时间包括从室温到炉温仪表指示达到所需温度的升温时间

15、、炉料表面和心部温度均匀所需的均热时间以及内外达到温度后为了完成相变所需的保温时间三个部分。但在实际生产中，只有大型工件或装炉量很多情况下，才把升温时间和保温时间分别进行考虑，一般情况下把升温时间和保温时间统称为加热时间。在具体生产条件下，加热时间常用经验公式计算，常用经验公式为：t=a×k×D。表2为常用钢的加热系数。表2 常用钢的加热系数工件材料工件直径/mm750-850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>500.3-0.40.4-0.51.0-1.21.2-1.5合金钢50>500.45-0.500

16、.50-0.551.2-1.51.5-1.8式中，t加热时间（min或s）；a加热系数（min/mm或s/mm）；D工件有效厚度（mm）；K炉装方式修正系数。根据表3零件形状系数，表4炉装修正系数和丝杆尺寸，S7332螺纹磨床丝杆的有效厚度为D=74.5×1=74.5mm。表3 各种截面的零件形状系数形状形状系数球、正方体0.75圆棒、方棒1.0板（宽b、厚a）b2a；1.50 2a<b4a；1.75 b>4a；2.0管两端开口短管2.0 一端封闭管2-4 长管或两端封闭管>4表4 炉装方式修正系数工件装炉方式修正系数工件装炉方式修正系数1.01.01.01.42.

17、04.01.42.21.32.01.71.8S7332螺纹磨床丝杆为高精度、高要求的零件，装炉量不宜太多，但为了提高生产效率，应根据炉膛空间合理估算装炉量。6.1 预备热处理工艺制度的制订 表5为9Mn2V钢制定的球化退火工艺，图2是相应的球化退火工艺路线图。表5 9Mn2V球化退火工艺加热速度加热温度保温时间等温温度等温时间冷却速度90100/h7702h6904h30/h图2 9Mn2V球化退火工艺曲线6.1.1 加热速度加热速度主要与钢的成分、工件的尺寸和形状等因素有关。为防止变形开裂，应该适当控制加热速度。碳钢和低合金钢的中、小件的加热速度一般控制在100200/h；中、高合金钢形状复

18、杂的或截面大的工件一般应进行预热或采用低温入炉进行随炉升温的加热方式，在温度低于600700是的加热速度为3070/h，高于此温度后控制在80100/h。根据本设计中零件尺寸及形状的实际情况，采用低温入炉加热，加热速度为90100/h能够达到目的。6.1.2 加热温度球化退火主要应用共析、过共析钢，使钢中碳化物球化以降低硬度，改善组织，提高淬火钢的性能及减少淬火缺陷等。加热温度对钢中碳化物的球化效果有着很大的影响。球化退火加热温度不宜太高，应控制在稍高于Ac1，如Ac1+（2030），可获得不均匀奥氏体和大量细小的残留碳化物，作为碳化物球化的非自发核心，以促进球化。所以根据9Mn2V的Ac1点

19、的温度（740）得到球化温度为770。6.1.3 加热时间加热时间主要与钢的成分、工件的尺寸与形状、加热温度、加热介质、加热方式、装炉量及热处理目的有关，采用公式KW（min）来计算，其中K表示与加热条件有关的综合物理因素，而W=V/F（mm）表示与工件的尺寸和形状有关的几何因素（V为工件的体积，F为工件的面积）。根据本设计中零件的尺寸确定加热时间为：(0.60.9)×60（3654）min。所以取加热时间为50min。KW使用时间系数见表6：表6 炉型时间系数炉型系数 工件形状柱状板状薄管厚管盐炉KWKW0.7(0.1670.25)D(0.1170.175)D0.7(0.1670.

20、5)B(0.1170.35)B0.7(0.250.5)(0.1750.35)1.0(0.250.5)(0.250.5)空气炉KWKW3.5(0.1670.25)D(0.60.9)D4(0.1670.5)B(0.62)B4(0.250.5)(12)4(0.250.5)(1.252.5)注：D为有效厚度；B为板厚；为管壁厚。6.1.4 保温时间工件在炉内要进行一段时间的保温，一方面是为了使工件能够很好地透热，另一方面使工件内部各部分的温度分布均匀一致，组织状态均匀一致。保温时间的确定也与钢的成分、工件的尺寸与形状等有关。由于合金钢中碳化物内存在大量的合金元素，提高了碳化物的稳定性，使得合金碳化物即

21、使在高温下也很难溶解，所以要进行长时间的保温，通过查阅资料相应钢种的等温退火曲线取保温时间为2h。6.1.5 等温温度由热处理手册查得，对于过共析钢和合金工具钢的球化退火温度的确定应该是Acm+（2030），所以根据9Mn2V的Acm点温度（660）来确定其等温温度为690。6.1.6 等温时间等温时间取决于该材料的化学成分及工件截面尺寸，为了使工件能够很好地完成等温转变，使合金碳化物能够很好地转变成球状碳化物，且均匀细小。根据合金钢手册相关钢种的等温曲线的等温时间，所以取等温时间为4h。6.1.7 冷却速度冷却速度对钢退火后的组织与性能影响的一般规律是：冷却速度越大，奥氏体分解温度越低，则珠

22、光体转变产物越细，应力越大，硬度越高。所以，为达到预期的处理效果，冷却速度应控制适当。由于要求等温球化退火的冷却速度缓慢，所以根据相关资料取冷速度为小于等于30/h。退火件一般采用随炉冷却至低于550出炉空冷，对于要求内应力较小的工件应炉冷至低于350出炉空冷。各类钢材的退火冷却速度见表7：表7 钢材冷却速度对比钢材类别碳钢合金钢钢合金钢冷却速度（/h）10015050802070注：球化退火的冷却速度为2060/h。6.2 深冷处理工艺参数（1） 深冷处理温度：-70。 基于现有设备及经济适用原则，我们选择-70。（2）停留时间：2h 钢材淬火至室温，在室温下所停留的时间称为停留时间，若停留

23、时间过长会发生奥氏体热稳定化现象，使以后的冷却过程中马氏体不易继续形成，影响深冷处理效果，因此停留时间应短些。这里我们选择2h。6.3 回火工艺参数 低温回火目的：消除淬火时产生的残余应力，提高材料的塑性和韧性，稳定工件尺寸，得到良好的综合力学性能。（1）加热速度加热速度与退火、淬火工艺中的加热速度一致，取90100/h。（2）加热温度 对于工具、模具钢的回火要求是能够保持高硬度的条件下，使脆性有所降低，残余内应力有所减小，所以采用低温淬火。根据手册查得低温回火温度范围在150250进行，但是如图9知9Mn2V钢的回火脆性温度区间在190250，所以加热温度为150180。其回火温度的选择如表

24、8所示。（3） 保温时间 回火时间是从工件入炉后炉温升至回火温度是开始计算，回火时间为13h。表8 各工件回火温度对比工件名称回火温度回火组织回火目的工艺名称工具、轴承、渗碳件及碳氮共渗件表面淬火件150250回火马氏体在保持高硬度的条件下使脆性有所降低，残余应力有所减小低温回火弹簧、模具等350500回火托氏体在具有高屈服强度及优良的弹性的前提下使钢具有一定塑性和韧性中温回火主轴、半轴、曲连杆等重要零件500650回火索氏体使钢既有较高的强度又有良好的塑性和韧性高温回火切削加工量大而变形要求严格的工件及淬火返修件500760消除内应力去应力回火精密工模具、机床丝杠、精密轴承120160长期保

25、温稳定化的回火索氏体及残留奥氏体稳定钢的组织及工件尺寸稳定化处理表9 冷作模具钢的回火脆性温度范围钢号CrWMn9Mn2VGCr159SiCrCr12Cr12MoV温度/250300190230200250200240290350325375也可以根据经验公式tn（min）=Kn+An×D加以确定。其中Kn为回火时间系数；An为回火时间系数；D为工件的有效厚度。本设计中的零件的有效厚度为30mm，假设选择回火炉为箱式电阻炉，查表得Kn为120，An为1，所以计算结果为150min，所以取3h。Kn及An值的选择可参考表10。表10 各类回火炉系数回火条件300以上300450450以

26、上井式电炉盐浴炉井式电炉盐浴炉井式电炉盐浴炉Kn/min1201202015103An/(min/mm)10.410.410.4（4）冷却速度工件回火后即可出炉空冷至室温。（5）回火工艺曲线9Mn2V钢的回火工艺曲线如图3所示。图3 9Mn2V回火工艺曲线6.4 时效工艺的制定6.4.1 时效温度和时效时间 对在低温或动载荷条件下的钢材构件进行时效处理，以消除残余应力，稳定钢材组织和尺寸，尤为重要。所以，针对工件性能要求，粗磨之后，为了消除磨削应力的影响，在170时效8h。6.4.2 时效工艺曲线9Mn2V钢的时效工艺曲线如图4所示。图4 时效工艺图7. 热处理设备选择热处理常用的加热设备按能

27、源分有燃料加热设备和电加热设备；按工作温度可分为高温炉（1000）、中温炉（6501000）和低温炉（650）。生产上常用的加热设备有电阻炉、浴炉、气体渗碳炉、高频感应加热设备等。 选择热处理设备要遵从一定的原则，主要有经济性、可靠性、配套性、安全性以及工厂的实际情况等。其主要依据为：1）零件热处理工艺要求、技术条件。2）零件的形状、尺寸、重量和材质。3）零件生产量和劳动量。4）热处理所需要的辅料和能源供应。5）车间劳动安全卫生和环保要求。6）设备投资和运行成本。7）与前后工序的关系和衔接。 活塞为工业化大批量生产，所以它的热处理设备的选择应遵循经济、可靠、配套、安全等原则。7.1 退火设备的

28、选择在本设计中的零件形状为杆型，形状规则且比较长，其预备热处理的目的为球化退火，使其获得满意的机械加工工艺性能，为最终热处理做好组织上的准备。由于该材料的退火工艺中无需通过气体保护进行加热，所以可以采用中温井式电加热；此外，进行预备热处理的工件有足够的加工余量，所以对工件脱碳层的要求相对就要小；并且本设计是针对单件小批量生产设计，所以退火炉选择普通间隙式箱式电阻炉即可满足设计要求。中温井式电阻炉的技术参数和结构如表11所示。表11 中温箱式电阻炉产品规格及技术参数型号功率/KW电压/V相数最高工作温度炉膛尺寸（直径×深度）/（mm×mm）炉温850时的指标空载耗能/KW空炉

29、升温时间/h最大装载量/kgRJ2-40-9403801950600×80092.5350RJ2-65-9653803950600×1600162.5700RJ2-75-9753803950600×24002031100RJ2-60-9603803950800×10000133800RJ2-95-99538039501800×20002231600RJ2-125-91253803950800×30002742400RJ2-90-99038039501000×12001841600RJ2-145-914538039501000

30、×24002643000RJ2-190-919038039501000×36003344500 这类炉子由炉体和电气控制柜组成。炉体由炉架和炉壳、炉衬、炉门、电热元件及炉门升降机构等组成。电热元件多分布于两侧墙和炉底。炉内温度均匀度状态主要受电热元件布置，炉门的密封和保温等状态的影响。通常炉膛前端温度较低。工件在高中、温箱式电阻炉中加热主要靠电热元件和炉壁的热辐射。根据形状、尺寸以及生产批量可选择型号有RJ2759和RJ21259的中温井式电阻炉。基于经济适用原则，我们选用RJ2759作为该丝杆的退火热处理设备。7.2 回火及时效处理设备的选择 在回火过程和低温时效处理中对

31、热处理工件要求基本一致，只是为了使工件达到使用状态下的性能要求，从加热温度对工件化学成分、形状影响的方面和从热处理设备成本方面来考虑，由于加热温度不高，所以对工件的氧化情况就不是很严重，且工件变形也比较均匀，对精加工影响不大，所以还是选用中温井式电阻炉作为该丝杆的回火设备，其结构和技术规格和预备热处理中的一样。7.3 淬火设备的选择由于该零件是低合金工具钢9Mn2V制作的丝杆，所以要求其整体具有高达56HRC的硬度以及5.56mm的淬火层深度，同时还要求工件淬火后表面的化学成分波动小，没有裂纹产生和很小的畸变度。为了满足上述要求，就需要对工件在淬火加热气氛和淬火冷却时要采取相应的措施，在工件加

32、热时应该通过例如真空的手段防止工件表面化学成分的变化，在淬火时应采用油作为淬火介质来控制工件的冷却速度。其中淬火介质按照下表中所列出的相关参数选择合适的淬火介质。根据工件的尺寸、形状及生产批量选择DGFC1022型中频发电机即可满足要求。设备为100kw，2500hz的中频发电机，卧式淬火机，带有三个淬火托架，输出功率40kw、电压为400V，电流120A。所选择炉型的相关参数及结构示意图如表12。表12 国产机式变频装置型号输出功率/kw变频机电压/V额定功率/Hz中频电容机总容量/kF冷却水压力/kPa电动机发电机DGF-C-52-2503807502500750195294DGF-C-1

33、02-21003807502500750195294DGF-C-162-216038075025001750195294DGF-C-252-2250600075025001750195294DGF-C-322-22×16038075025002×1750195294DGF-C-502-250038075025003000195294DGF-C-102-21003807508000960195294DGF-C-162-21603807508000960195294DGF-C-202-22×10038075080002×9601952947.4冷处理设备选择

34、图4是低温低压箱结构。处理室内通过对流换热的方式对工件材料进行处理，即液氮经喷管喷出后在低温低压箱内直接汽化，利用汽化潜热及低温氮气吸热使处理箱及被冷物件温度降低，通过控制液氮的输入量和风机的转速来控制降温速度，并实现对处理温度的自动调节。依靠这种系统对材料进行深冷处理时，具有换热效果好、降温速度和处理温度可控、温度分布均匀等优点。图4 低温低压箱结构8. 工装设计（夹具、辅具等）8.1 热处理夹具的选择热处理夹具的选择原则为：符合热处理技术条件：保证零件热处理加热，冷却，炉气成分均匀度，不致使零件在热处理过程中变形。符合经济要求：在保证零件热处理质量符合热处理技术要求时，确保设备具有高的生产

35、能力，夹具应具有质量轻，吸热量少，热强度高及使用寿命长的特点。 符合使用要求：保证装卸零件方便和操作安全。根据零件尺寸及选择的热处理设备选用井式炉用单件吊具和加热用星型吊具，如图5，图6所示。 图5 井式炉用单件吊具图6 井式炉加热用星型吊具8.2 热处理辅具8.2.1 清洗设备的选择 清洗设备是指对热处理前后工件清洗的设备。零件在热处理前需清除锈斑、油演、污垢、切削冷却液和研磨剂等，以保证不阻碍加热和冷却不影响介质和气氛的纯度，以防零件出现软点、渗层不均匀、组织不均匀等影响热处理质量的现象。热处理后也常需清洗以去除零件表面残油、残渣和炭黑等附着物，以保障热处理零件清洁度、防锈和不影响下道工序

36、加工等要求。根据零件对清洁度要求、生产方式、生产批量及工件外形尺寸的要求选用相应的清洗设备。常用的清洗设备有碱水溶液、磷酸水溶液。有机溶剂的清洗槽和清洗机以及配合真空、超声波的清洗装置。一般清洗机常用于清除残油和残盐，可分为间歇式和连续式两种：前者有清洗槽、室式清洗机、强力加压喷射式清洗剂等；后者有传送带式清洗机及各类生产线、自动线配置的悬挂输送链式、链板式、推杆式和往复式等各类专用清洗设备。室式清洗机主要用于批量不大的中小零件。输送带式清洗机，适用于批量较大的小型零件。根据生产特点，小批量的中小型零件，可以选用室内清洗机。室内清洗机结构如图7所示。图7 室内清洗机8.2.2 矫直设备 矫直设

37、备用于矫正零件的翘曲变形。热矫又有不同的方法，一种是利用焊枪局部加热零件，另一种是利用零件仍在热处理的余热（或奥氏体组织）状态下进行矫直，适用于矫直时易断裂的零件，以及冷矫直后由于弹性作用容易反弹的零件。所以选用热矫的后种方法。根据表13所给出的常用矫正设备及适用范围，选择单柱式液压矫直机作为本次工艺的矫直设备。单柱式液压矫直机结构如图8所示。表13 常用矫正设备及适用范围设备类型规格主要用途手动压床15t单件、小批小零件矫直压力机525t单件、小批小零件矫直单柱液压机10100t轴类零件矫直及齿轮扩孔轧辊矫直机等径或径差很小零件矫直 图8 单柱式液压矫直机9. 检验设备及方法选择9.1退火后

38、的检验9.1.1 完全退火后的硬度检验 硬度应小于或等于229HBW 方法：通过加载将钢球压头压入被检测的金属零件表面，根据单位压痕面积上所受的负荷大小来确定硬度值。 式中，D-球压头直径，单位mm；F-试验力，单位N；d-压痕平均直径，单位mm；1N=0.102kgf，即1牛等于0.102千克力；HBW的单位为kgf/mm。9.1.2 金相检验低合金工具钢球化退火后正常组织为均匀分布的球化体。若组织中有点状和细片状珠光体或分布不均匀的粗大球化体及粗片状珠光体，都是不正常组织。碳化物网要求小于等于2级，珠光体为25级。但是对于一条成熟的生产线来说，此项检验室可以省略。在本设计中为可靠做保证，根

39、据相关手册，选择一台低温金相显微镜即可。其中在制作金相试样的过程中，采用简单方便的冷酸浸蚀试验法来显示金相组织，根据表14冷酸浸蚀溶液成分及使用范围选择合适的酸浸蚀剂： 表14 冷酸浸蚀溶液成分及使用范围编号成分适用范围123盐酸500mL、硫酸35、硫酸铜150氯化高铁200、硝酸300、水100盐酸300、氯化高铁500、加水至1000钢与合金45610%20%过硫酸铵水溶液10%40%（容积比）硝酸水溶液氯化高铁饱和水溶液加少量硝酸（每500溶液加10硝酸）碳素结构钢合金钢78硝酸1份、盐酸3份硫酸铜100、盐酸和水个500合金钢9盐酸60、盐酸200、氯化高铁、过硫酸铵30、水50精密

40、合金高温合金10100350工业氯化铜氨，水1000碳素结构钢合金钢9.2 淬火回火后的检验9.2.1 外观工件表面不允许有裂纹和有害的伤痕（必要时可用磁粉探伤或其他无损检测方法检测）。锻造余热淬火工件，表面不能有折叠等缺陷。9.2.2 硬度硬度必须满足技术要求大于56HRC，如表15所示，表面硬度的误差范围，根据不同类型的工件，不能超过3。 通过表中可以查得，本设计中对零件表面硬度误差范围的允许值为4HRC。选用洛氏硬度计进行硬度的检验。根据热处理手册相关资料，洛氏硬度计的压头为金刚石圆锥，预载荷为100N，总载荷为1500N。表15 淬回火件的表面硬度误差范围淬火件硬度要求范围表面硬度误差

41、范围（HRC）单件同一批件3535035350特殊重要件333555重要件444766一般件6559779.2.3 畸变淬火回火的畸变允许值不得超过下图数据所示，本设计中的零件在淬火后的最大弯曲允许值为0.5mm。10. 热处理缺陷分析10.1 退火缺陷分析10.1.1 硬度过高由于常在碳质量分数大于4.5%的中、高碳钢中出现硬度过高的现象，产生的原因主要有：（1）冷却速度快或等温温度低，组织中珠光体片间距变细，碳化物弥散度增大或球化不完全。（2）某些高合金钢等温退火时，等温时间不足，随后冷至室温的速度又快，产生部分贝氏体活马氏体转变，是硬度升高。（3）装炉量过大，炉温不均匀。10.1.2 球

42、化不完全对于共析钢、过共析钢球化退火组织中有片状珠光体，即球化不完全。（1）、细片状珠光体+点状珠光体，产生原因是退火温度偏低或保温时间不足，原始组织中细片状珠光溶解不完全，或等温温度低、冷却速度快，碳化物弥散度大。（2）、粗片状珠光体+球状珠光体，由于退火温度高火保温时间过长，未溶碳化物少，冷却速度又缓慢或等温温度偏高引起的。10.1.3 球化不均匀过共析钢球化退火后有时存在粗大的碳化物，出现碳化物不均匀现象。其原因是球化退火前未消除网状的碳化物在球化退火时发生熔断、聚集形成的。球化退火前通过正火消除网状碳化物可使缺陷消除。10.1.4 粗大魏氏组织加热温度过高，奥氏体晶粒粗大，冷速又较快的

43、中碳钢中常出现粗大魏氏组织，其铁素体呈片状按羽毛或三角形分布在原奥氏体晶粒内。可通过完全退火或重新正火是晶粒细化加以消除。10.1.5 退火石墨碳素工具钢和低合金工具钢，退火加热温度过高或温度时间过长，或者多次返修退火，组织中出现石墨碳，并在其周围形成铁素体。具有石墨碳的退火工件，韧性低，断口呈灰黑色，又称黑脆。工件淬火时易形成软点，造成工模具崩刃或早期磨损。这种缺陷一般可作报废处理，也可通过扩散退火+重新正常退火挽救。10.2 淬火缺陷分析10.2.1 淬火畸变淬火畸变形成的原因主要有以下几点：（1）、体积变化，热处理前后各种组织比体积不同时引起体积变化的组要原因，其中马氏体贝氏体珠光体奥氏

44、体的比体积依次减小。（2）、形状畸变，工件各部位相对位置或尺寸发生改变，主要是由于加热温度不均，形成的加热应力引起畸变或工件在炉中放置不合理，在高温下常因自重产生蠕变畸变。另外就是加热时，随加热温度升高，钢的屈服强度降低，已存在于工件内部才残余应力达到高温下的屈服强度时，就会引起工件不均匀塑性变形而造成形状畸变和残余应力松弛，淬火冷却时的不同时性形成的热应力和组织应力使工件局部塑性变形。可以通过采用合理的热处理工艺，对于复杂或者合金含量高的工件要进行预热等；合理设计零件，防止出现直棱直角和截面突变等不合理的情况；合理的锻造和预先热处理改善原始组织，消除残余应力，从而减小淬火畸变。10.2.2

45、淬火开裂淬火开裂的原因有很多，比如说和热处理工件的形状，材质，热处理工艺，原始组织，材料本身，加热冷却速度的控制等等。可以通过改进工件结构，截面力求均匀，不同截面处应有圆角过渡，尽量减少不通孔、尖角，避免应力集中引起的开裂；合理选择钢材；避免有显微裂纹及严重非金属夹杂物和碳化物偏析的原材料；争取进行预先热处理，避免正火、退火组织缺陷；正确选择热处理工艺参数；合理选用淬火介质和淬火方法；对工件易开裂部位经行局部包扎并淬火后应及时回火或等温回火。10.2.3 硬度不足 淬火硬度不足原因及相应的控制措施如表16所示。表16 淬火硬度不足原因及控制措施序号淬火硬度不足的原因控制措施1介质冷却能力差，工

46、件表面有铁素体、托氏体等非马氏体组织1）采用冷速较快的淬火介质2）适当提高淬火加热温度2淬火加热温度低，或预冷时间长，淬火冷却速度低，出现非马氏体组织1）确保淬火加热温度正常2）减少预冷时间3钢的淬透性差，且工件截面尺寸大，不能淬硬采用淬透性好的钢4高碳高合金钢淬火加热温度较高，残留奥氏体过量减低淬火加热温度或采用深冷处理5等温时间过长，以前奥氏体稳定化严格控制分级或等温时间6表面脱碳采用可控气氛加热或其他防脱碳措施7合金元素内氧化，表层淬透性下降，出现托氏体等非马氏体而内部则为马氏体组织1）减低炉内气氛中氧化性组分含量2）选用冷速快的淬火介质10.2.4 软点 当炙热的工件浸入冷却介质的瞬间，周围的介质加热被汽化，在工件表面形成一层蒸汽膜。这层膜的导热