9sicr圆板牙热处理工艺设计（完美版）

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《金属学与热处理》课程设计报告

9SiCr圆板牙的热处理工艺设计

学院化学工程与现代材料专业金属材料工程

姓名张二飞学号12042418

指导教师张美丽完成时间2023.05

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目录

摘要41引言42材料设计52.1性能特点52.1.19SiCr的基本信息52.1.29SiCr物理特性62.1.39SiCr的钢材规格62.2成分特点62.2.19SiCr中合金成分及含量62.2.29SiCr中合金成分的作用73零件设计73.1圆板牙的服役条件、失效形式73.1.1服役条件73.1.2失效形式73.2设计零件83.2.1圆板牙的技术要求83.2.2圆板牙的平面图及剖面图83.3.3圆板牙钢的材料选择84热处理及机械加工设计104.1圆板牙的加工工艺104.1.1圆板牙的加工工艺图104.1.29SiCr圆板牙(M12)钢退火-淬火-回火热处理工艺104.1.3锻造工艺曲线114.1.4球化退火工艺曲线124.1.5淬火工艺曲线144.1.6低温回火工艺曲线164.29SiCr圆板牙钢退火、淬火、回火热处理工艺理论174.2.1退火原理174.2.2淬火工艺原理17

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4.2.3回火工艺原理184.3圆板牙热处理常见缺陷的预防及补救方法194.3.1圆板牙球化退火的缺陷及其预防、补救194.3.2圆板牙球化淬火的缺陷及其预防、补救194.3.3圆板牙低温回火的缺陷及其预防、补救205选择检测设备及方法215.1选择检测设备215.1.1设备215.1.2仪表225.1.3工具夹235.2圆板牙热处理质量检验项目、内容及要求236终止语2572.1.29SiCr物理特性

高碳合金工具钢，韧性较好，具有较好的回火稳定性，热处理时变形小。该钢中碳化物分布均匀，不易析出碳化物网，并易于正火消除，通过正火可以消除网状以及粗片碳化物组织。但是抗压强度和耐磨性不足，加工性较差。该钢的表面剩余含碳量为0.6%-0.7%的脱碳层时，由于碳化物的减少使得表面层的过热敏感性增大。经正常加热淬火以后表面硬度仍可

以达到60-62HRC，但其抗弯强度却下降40%-50%。表面层晶粒度达到7级，心部为10级。

该钢锻造性能良好，由于易脱碳，需要在中性气氛或者保护气氛炉中加热。施以锻热调质处理，可以获得细密的回火索氏体组织，简化工艺，省时节电，既有良好的切削加工性能，又有理想的余热处理组织。

模具钢该钢受热软化温度为320℃，淬透性比铬钢好，油淬淬硬性深度40-50mm。该

钢零保温淬火韧化工艺，可以消除搓丝=板因常规淬火加热氧化脱碳造成的早期失效，不均匀奥氏体修或可以细化马氏体，搓火后得到隐晶马氏体或者细针状马氏体，这种组织强韧性好。

9SiCr量具刃具用钢，是常用的低合金工具钢，具有较高的淬透性和淬硬性，以及较高的回火稳定性。

2.1.39SiCr的钢材规格

9SiCr国产合金工具钢材∮459SiCr国产合金工具钢材∮509SiCr国产合金工具钢材∮559SiCr国产合金工具钢材∮609SiCr国产合金工具钢材∮65

2.2成分特点

2.2.19SiCr中合金成分及含量

碳C:0.85~0.95硅Si:1.20~1.60锰Mn:0.30~0.60硫S:≤0.030

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磷P:≤0.030铬Cr:0.95~1.25

镍Ni:允许剩余含量≤0.25铜Cu:允许剩余含量≤0.30

2.2.29SiCr中合金成分的作用

9SiCr中合金元素Cr、Mn、Si、W、V等可以溶入渗碳体中，形成合金渗碳体。溶入奥氏体中，可以提高过冷奥氏体的稳定性，提高淬透性，加强马氏体基体，提高回火抗性。

3零件设计

3.1圆板牙的服役条件、失效形式

3.1.1服役条件

圆板牙是用来加工外螺纹专用工具。作为刃具必需具有较高的淬透性，保证圆板牙内部刃口部位淬硬；螺孔中径、螺距及内孔的精度涉及到加工后螺纹的精度，切削工作温度不高，其工作温度一般不超过300℃，并不要求高的红硬性，但是其螺距及内孔要求变形小，刃部不得脱碳。此外，工作时受扭矩较大，所以要保证在工作时刃口不崩刃、耐磨性好，圆板牙寿命长，则须保证材料有良好的强韧性协同。

3.1.2失效形式

1）磨损磨损大都是由于工具与被加工工件或切屑之间的磨粒磨损造成的，有时也可能是由于工件表面形成积屑瘤而形成的粘合磨损所造成的。工具产生不正常磨损的原因是耐磨性不高。热处理时产生工具表面脱碳，脱元素等现象也可能造成耐磨性降低。

2）崩刃包括微崩刃、大块崩刃、掉牙、掉齿等现象。好多崩刃现象的产生是由于切削时切削刃长期承受循环应力所产生的一种疲乏破坏现象，有时也可能是由于突然产生冲击应力而造成的。

3）断裂与破碎切削工具由于承受较大的冲击或者由于工具本身的脆性较

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大有时会产生整体的断裂、破碎现象。工具的断裂、破碎与工具本身的韧性不足有关，但是所有的断裂、破碎现象都是由于脆性较大而引起的。

4）被加工工件达不到技术要求在切削过程中，由于工具产生严重的磨损或工具的切削刃上有明显的崩刃现象，这时工具虽然可以继续切削，但是由于被加工工件的尺寸精度或者表面粗糙度达不到技术的要求，因而不能继续使用。

3.2设计零件

3.2.1圆板牙的技术要求

圆板牙属于手工切削或低速切削的工，要求齿部有较高的耐磨性，同时齿部不能太脆，因此要有较高的韧性且变形要小，因此不能脱碳。

硬度：60～63HRC。

金相组织：马氏体针﹤3级，残留碳化物网≤3级。

尺寸：螺纹中径应控制在12mm、厚度为14mm、外圆直径34mm的范围内。装炉量：5件。

3.2.2圆板牙的平面图及剖面图

平面图剖面图

3.3.3圆板牙钢的材料选择

圆板牙属于薄刃工具，其刃部所受的冲击力不大，制造的材料组织中含有均

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匀分布的细小合金碳化物，使用时刃口部位不易崩刃，淬透性好，淬火应力和变形小，只有这样才能保证上述技术要求。综合圆板牙的工作条件、失效形式、性能要求等诸多因素来选择材料。制造圆板牙常用的钢种有9SiCr，GCr15，T12，CrWMn等。

9SiCr钢工作温度可达300℃。由于钢中Cr、Si的参与，提高了淬透性。由于Cr、Si的作用，使钢中的碳化物细小均匀，使用时刃口部位不易崩刃；Cr除了提高淬透性、回火抗力外，还可以减少Si石墨化倾向；Si抑制低温回火时的组织转变十分有效，所以该钢的低温回火稳定性较好，热处理时多采用分级或等温淬火，变形也很小。其缺点是脱碳敏感性比较大。根据该钢的特点，如采取适合的工艺措施，控制其脱C现象，9SiCr钢是制造薄刃圆板牙的理想材料。

CrWMn钢由于Cr、W、Mn同时参与，使其有较高的淬透性使，Cr、W、Mn都是碳化物形成元素，使钢中有较多的碳化物，淬火后硬度高，可达到64~66HRC，但热硬性不如9CrSi，但CrWMn钢热处理后变形小，故称微变形钢。W能细化碳化物，改善了韧度；由于Mn的存在大为降低了Ms点，淬火后的剩余奥氏体比较多，淬火变形也较小；但该钢的碳化物多且易形成网状，假使碳化物粗大且不均匀，则制造薄刃后，刃部有崩刃的危险。CrWMn钢主要用于制造断面尺寸较大、淬火变形要求小、耐磨性要求较高的工具。

GCr15是典型的滚动轴承钢，也可以制造工具。Cr的参与增加了钢的淬透性，并能形成较稳定的细小均匀的碳化物，它的冶金质量比一般钢要高。在淬火低温回火后可获得高而均匀的硬度。热处理变形比较小，尺寸很稳定。但是该钢和9SiCr相比，回火稳定性比较差。因此，对刃口要求高且在内部的圆板牙来说，GCr15不如9SiCr更适合。因此选择9SiCr作为制造圆板牙的材料。

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4热处理及机械加工设计

4.1圆板牙的加工工艺

4.1.1圆板牙的加工工艺图

检查清洗淬火+回火机械加工球化退火锻造毛坯

4.1.29SiCr圆板牙(M12)钢退火-淬火-回火热处理工艺

制造9SiCr圆板牙（M12）采用的热处理工艺包括预备热处理德球化退火和最终热处理的淬火+低温回火。球化退火的加热温度选择为800℃，500℃出炉后空冷；淬火的温度；等温淬火的加热温度为630℃，等温温度190℃，冷却介质

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不根据零件的直径，而是根据厚度计算。本设计的有效厚度为14mm，装炉条件修正系数取1，所以预热时间和淬火时间分别为：

预热时间t=a·K·D=90×1×14=1260s=21min；

淬火时间t=a·K·D=45×1×14=630s=10.5min，取11min；

3）等温时间等温停留的时间对力学性能也有影响，适当的时间使圆板牙具有最正确的强韧性。试验说明，超过60分钟，圆板牙的性能大为下降。这由于下贝氏体和剩余奥氏体量太多的起因。所以等温时间为30～45min。根据装炉量等因素采用45分钟比较适合。等温淬火后的金像组织为：细小马氏体+粒状合金碳化物+剩余奥氏体。

4）淬火的冷却冷却时淬火的关键，应根据9SiCr圆板牙钢的淬透性、工件尺寸和形状有关。9SiCr钢的淬透性较高，一般均在油中火硝盐中淬火，本设计选择油淬。由于尽量缓慢的冷却可使降低淬火应力，减小变形和防止开裂。

4.1.6低温回火工艺曲线

由于钢中Cr、Si的参与，提高了9SiCr圆板牙钢的回火稳定性，因此可采用低温回火。查阅《简明热处理工手册》可知9SiCr圆板牙的回火温度为190~200℃，回火时间为90~120min。淬火后后的圆板牙应马上回火，以消除淬火应力，并提高韧性和塑性。采用低温回火可以保持圆板牙的高硬度、高耐磨性和高韧性。低温回火过程中，马氏体分解，剩余奥氏体部分转变，使淬火内应力降低好多，脆性也降低了。

本设计的圆板牙直径为12mm、装炉量5件，所以选择回火温度为200℃，保温时间90min。低温回火后组织为：细小马氏体+粒状碳化物+少量的剩余奥氏体。硬度为60～63HRC。在选取回火温度时，应避免第一类回火脆性（250~350℃）。冷却方式为空气中冷却。具体的回火工艺参数如下图所示。

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温度T∕℃Ar1730℃200℃90min空冷硬度60～62HRC时间t∕h

9SiCr回火工艺曲线

4.29SiCr圆板牙钢退火、淬火、回火热处理工艺理论

4.2.1退火原理

将组织偏离平衡状态的金属或合金加热到适当的温度，保温一定时间，然后缓慢冷却以达到接近平衡状态组织的热处理工艺称为退火。退火的目的在于均匀化学成分、改善机械性能、消除或减少内应力，并为零件最终热处理准备适合的内部组织。

钢件退火工艺种类好多，按加热温度可分为两大类：一类是在临界温度（Ac1或Ac3）以上的退火，又称相变重结晶退火，包括完全退火、不完全退火、扩散退火和球化退火等；另一类是在临界温度以下的退火，包括软化退火、再结晶退火及去应力退火等。

4.2.2淬火工艺原理

把钢加热到临界点Ac1或Ac3以上一定温度，保温一定时间，然后以大于临

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界淬火速度的速度冷却，使过冷奥氏体转变为马氏体或贝氏体组织的热处理工艺称为淬火。淬火方法有以下种：

1）单液淬火法：一种冷却介质,用于形状简单的工件。

2）预冷淬火法：先在空气中预冷,再投入介质中冷却，可减小内应力。3）双液淬火法：先在冷却能力较强的介质中冷却，再转入冷却能力弱的介质中冷却，即保证获得马氏体组织，又减小淬火应力，但工艺控制难。

4）分级淬火法：在盐浴炉中保温一定时间后，出炉空冷，获得马氏体组织，可保证工件较小的变形与防止开裂，适用于截面尺寸不大、形状繁杂的工件。

5）等温淬火法：在盐浴炉中保温足够时间，发生下贝氏体转变后出炉空冷，获得下贝氏体组织，淬火内应力小，具有良好的综合力学性能，适用于处理形状繁杂、尺寸较小，要求较高硬度和韧性的工件。

6）局部淬火法：只对工件需要硬化的部位进行加热淬火。

4.2.3回火工艺原理

回火是指将淬火钢加热到临界点A1以下某一温度，保温一定时间，使淬火组织转变为稳定的回火组织，然后以适当的方式冷却到室温的一种热处理工艺。回火分五个阶段进行：马氏体中碳的偏聚；马氏体分解；剩余奥氏体的转变；碳化物的转变；α相得状态的变化及碳化物的聚集长大。回火目是获得工件所需的组织和性能、稳定工件尺寸和消除或减小淬火内应力。回火的种类：

1）低温回火（150～250℃）组织：回火马氏体。

目的：降低内应力和脆性、保持高硬度和高耐磨性。用途：刀具、模具、滚动轴承、渗碳件、表面淬火件。2）中温回火（350～500℃）

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组织：回火托氏体。

目的：较高的强度、硬度以及良好的塑性和韧性、高的弹性极限。用途：弹簧、热锻模具。3）高温回火（500～650℃）组织：回火索氏体。

目的：获得较好的综合力学性能。用途：汽车、机床等的重要结构零件。

4.3圆板牙热处理常见缺陷的预防及补救方法

4.3.1圆板牙球化退火的缺陷及其预防、补救

圆板牙球化退火后易产生组织缺陷为球化组织粗大不均、球化不完全、组织中有网状碳化物，原因是球化退火千没有消除网状渗碳体，在球化退火时集聚而成或退火温度过高或过低、等温时间短。消除方法是进行正火和一次球化退火。防止措施是改善锻造工艺或采用正火预备热处理，消除网状碳化物及碳化物不均匀性

常见的缺陷还有过烧、黑脆。过烧是由于加热温度过高，出现晶界氧化，甚至晶界局部熔化，造成工件报废。黑脆是在钢退火后硬度虽然很低但脆性很大，一折即断。金相组织特点是部分渗碳体转变为石墨。产生原因是退火温度过高保温时间过长，冷却缓慢。预防方法是制定正确的热处理工艺，发生黑脆后不能返工。

4.3.2圆板牙分级淬火的缺陷及其预防、补救

圆板牙对变形的要求十分高，所以应特别注意淬火的变形缺陷。淬火时产生变形、开裂。预防措施是尽量做到均匀加热及正确加热；进行及时的回火；选择

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正确的冷却方法和冷却介质。补救方法是重新淬火工件中间退火。产生变形的主要矛盾是热应力和组织应力。热应力由于表层冷却快，产生热涨冷缩，内部受压应力，此时产生塑性变形，形成表面积大的部分向外伸展，表面积小的齿部向内缩进的状况，如图14所示。

热应力对板牙的影响

组织应力的作用正好相反,板牙继续冷却的时候，表层冷却转变为马氏体，马氏体比容较大，因此产生膨胀，其内部由于外层而产生张应力，外层受压应力，此时内部产生塑性变形。

组织应力对板牙的影响脱碳是圆板牙9SiCr制造圆板牙的缺，发生脱碳的根本原因是盐浴中存在大量的氧化物，因此必需对盐浴进行严格的脱氧。圆板牙脱碳后其表面硬度下降，磨去表面脱碳层，硬度仍能达到要求。热处理后板牙螺纹不再磨加工，因此齿部脱碳使耐磨性大大降低。脱碳后圆板牙难以挽救，只能预防。

4.3.3圆板牙低温回火的缺陷及其预防、补救

回火的主要缺陷是硬度不合格，过高或过低、硬度不均匀，以及回火时产生变形及脆性等。主要是由于回火温度过低，回火时间过短。硬度太高可以适当的

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7提高回火温度适当的重新回火来进行调整。

回火后工件可能发生变形，这是由于回火前工件内应力不平衡，回火应力松弛或产生应力重分布所致。要避免回火变形，采用屡屡校直屡屡加热或采用压具回火。

回火脆性的出现由于所选的回火温度不当。防止脆性的出现，应当正确的选择回火温度。本设计的回火温度为200℃，为避免第一类回火脆性，只有通过重加热淬火，另选温度回火。

5选择检测设备及方法

5.1选择检测设备

5.1.1设备

加热炉为主要的设备。按工作介质分：空气炉、盐浴炉、保护气氛炉、滚动离子炉、真空炉。按外形和炉膛形状分：箱式炉、井式炉、台车式炉、推杆式炉、转底式炉、底式炉。根据圆板牙的热处理工艺选择用盐浴炉加热，盐浴炉主要是利用熔盐的对流加热工件。按加热方式分内热式和外热式。用的最多的是内热式盐浴炉为电极盐浴炉，这类炉子加热迅速均匀，工作温度范围较宽，工件不易产生氧化脱碳，适用于合金的加热。

电极盐浴炉分为插入式电极盐浴炉和埋入式电极盐浴炉。插入式电极盐浴炉的优点是炉膛截面有长方形、方形、圆形及多边形等形状。埋入式电极盐浴炉则能够俭约电能和提高工作室的利用面积。本设计选择插入电极式盐浴炉，如下图。

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插入式电极盐浴炉结构

埋入式电极盐浴炉结构

5.1.2仪表

热处理中温度是一个很重要的参数，实现确切的测量与控制，对提高热处理质量十分重要。温度测量与控制主要用测温元件和显示仪表。测温原件主要有热

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电偶，热电阻，辐射高温计等，显示仪表主要有毫伏计，电子电位差计等。热电偶可以插入介质中，简单便捷。电子电位差计是一种自动平衡显示仪，能同时显示温度、自动记录曲线和控制炉温，在热处理中应用比较广泛。本设计选择热电偶和电子电位差计。

5.1.3工具夹

圆板牙的特点是厚度与直径相比显得薄，淬火时内孔易涨大，除了用等温淬火来消除变形外，必要时要利用夹工具来调整尺寸变形。常用工夹具的主要用途，以便加热，冷却；减小或限制加热、冷却时的变形；对已变形的工件校正等。热处理常用的工夹具为淬火架，淬火挂（吊）具，渗碳吊具、淬火篮筐等1本设计选择如图11所示的两种挂具作为工夹具加热。

图11淬火挂（吊）具

5.2圆板牙热处理质量检验项目、内容及要求

1）变形检查