热处置工艺设计

目录TOC\o\h\z282091设计任务 192351.1设计任务 1210181.1.1课设规定 156761.1.2设计阐明书规定 1266091.2设计的技术规定 1162272热解决零件图 278633设计方案 3112483.138CrMoAlA钢发动机活塞杆热解决工艺概述 3118003.238CrMoAlA钢活塞杆服役条件、失效形式 3265813.2.1服役条件 32413.2.2失效形式 335464设计阐明 573834.138CrMoAlA钢活塞杆材料选择 5213474.238CrMoAlA钢活塞杆C曲线 6141164.338CrMoAlA钢活塞杆加工工艺流程图 781644.438CrMoAlA钢活塞杆正火、调质、渗氮、低温回火工艺 8274074.4.1锻造工艺曲线 9299494.4.2预备热解决：正火工艺 10250464.4.3调质解决工艺 11216454.4.4渗氮工艺 1112984.4.5最后热解决：低温回火 12317984.538CrMoAlA钢活塞杆热解决工艺理论 12216594.5.1正火工艺原理 12189874.5.2渗氮工艺原理 1411984.5.3回火工艺原理 15320625质量检查 17282155.1质量检查流程 17211235.238CrMoAlA钢活塞杆热解决常见缺点防止及补救 17272405.2.1加热时常见的缺点的防止及补救办法 17217765.2.2渗氮时常见的缺点的防止及补救办法 18153636热解决工艺卡片 206295致谢 2131749参考文献 22设计任务设计任务课设规定熟悉设计题目，查阅有关文献资料，概述38CrMoAlA钢活塞杆的热解决工艺，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、耐蚀性等规定。完毕工艺设计。设计阐明书规定设计阐明书涉及三部分：(1)概述；(2)工艺设计；(3)热解决工艺卡。设计的技术规定含有高的接触疲劳极限；（≥1180MPa）含有高的抗弯强度；（≥1350MPa）含有高的耐磨性；（表面硬度≥HRC55；渗层深度0.4-0.7mm）含有足够的冲击韧性；（≥72J/cm2）含有高的传递精度和最小的工作噪音。热解决零件图图2-1活塞杆CAD技术图图2-1活塞杆构造示意图设计方案38CrMoAlA钢发动机活塞杆热解决工艺概述活塞杆是支持活塞做功的连接部件，大部分应用在油缸、气缸运动执行部件中，是一种运动频繁、技术规定高的运动部件。由于柱塞跳动过大、长时间的柱塞运动与填料之间的频繁摩擦、往复运动的交变应力等造成活塞杆的失效形式有断裂、磨损和疲劳。活塞杆惯用材料为35、45、38Cr等钢材，粗加工后要调质解决，硬度可达230~285HBS，但耐磨性差，需进行高频淬火，必要时还需表面镀铬，并对镀铬层进行抛光，存在裂纹多、硬化硬度低、冲击韧性差等问题。通过对典型38CrMoAlA钢热解决工艺的分析，更加明确在执行热解决工艺过程中所需要注意的问题。能够对的拟定加热温度、时间，保温时间，冷却方式，其目的就是通过对的的热解决工艺，使金属材料的潜在能力得到充足的发挥。根据发动机活塞杆的工作条件，失效形式及性能规定，本设计选择的汽车发动机活塞杆材料为38CrMoAlA钢；在设计正火-调质-氮化-回火加高温回火热解决工艺中，本设计借鉴了《热解决工程师手册》，《钢的热解决》等。根据工艺设计的理论基础设定了完整的热解决工艺流程，使热解决的38CrMoAlA钢满足热作模具钢的质量规定。通过对典型38CrMoAlA钢热解决工艺的分析，更加明确在执行热解决工艺过程中所需要注意的问题。能够对的拟定加热温度、时间，保温时间，冷却方式，其目的就是通过对的的热解决工艺，使金属材料的潜在能力得到充足的发挥。38CrMoAlA钢活塞杆服役条件、失效形式服役条件活塞杆是支持活塞做功的连接部件，大部分应用在油缸、气缸运动执行部件中，是一种运动频繁、技术规定高的运动部件。由于柱塞跳动过大、长时间的柱塞运动与填料之间的频繁摩擦、往复运动的交变应力等造成活塞杆的失效形式有断裂、磨损和疲劳。失效形式（1）断裂活塞杆断裂部位在活塞杆与十字头锁紧螺母旋合处的最末2~3道螺纹的根部。该处螺纹系锻造成形后采用滚压加工，螺纹直径为M95。活塞杆运行时间为2.5年。活塞杆在工作过程中重要承受交变的拉压载荷作用。（2）磨损颗粒污染为活塞杆损坏最快的因素之一，即使在导向套上装有防尘圈及密封件等，但也难免将尘埃、污物带入液压系统，引发活塞杆的磨损。（3）腐蚀活塞杆在工作过程中活塞杆裸露在外直接和环境相接触，很易引发氧化，从而减少其使用寿命。设计阐明38CrMoAlA钢活塞杆材料选择活塞杆惯用材料为35、45、38Cr等钢材，粗加工后要调质解决，硬度可达230~285HBS，但耐磨性差，需进行高频淬火，必要时还需表面镀铬，并对镀铬层进行抛光，存在裂纹多、硬化硬度低、冲击韧性差等问题。经解决后的38CrMoAlA钢材料，能够达成：提高表面硬度和耐磨性，减少产生淬火裂纹的品质。表面硬度值达成HRC50以上，表面层深达1.5毫米以上。传统高频淬火表面硬度值仅在HRC45左右，表面形成的是淬火马氏体组织，通过低温回火使用；若采用空冷淬火，硬化层金相组织存在15%左右的铁素体，因此硬度低；若加热到1000℃一1020℃采用喷液冷却，加热温度高存在隐形淬火裂纹危险或是直接产生裂纹；而压缩空气进行表面淬火，能够避免隐形淬火裂纹或是直接裂纹的产生，并且能够把硬度提高到HRC50以上；由于提高了表面的硬化层硬度，因此也提高了耐磨性15%以上。采用580℃一590℃保温3一5小时空冷或炉冷的稳定化工艺，38CrMoAlA钢并没有明显的韧性下降趋势，稳定化工艺采用空冷或炉冷，一种重要的因素在于调质序时，本次采用960℃一980℃保温2~5小时淬火工艺，这一温度在2Cr13钢的亚温淬火区内，亚温淬火的一种明显特点即是提高多个钢的低温冲击韧性。亚温淬火后得到了少量游离铁素体+马氏体+弥散分布的极细小的残存奥氏体组织，P、Sn、Sb、As等有害杂质集中在铁素体晶内，而不能在原奥氏体晶界上析出，极细小的奥氏体使裂纹扩展变得困难，从而使2Cr13钢的冲击韧性没有明显减少，采用580℃一590℃保温3一5小时空冷或炉冷的稳定化工艺，充足消除了加工应力等多个应力，因此在高频或中频淬火时能确保工件的畸变量。对38CrMoAlA钢活塞杆采用亚温热解决技术后，工件韧性指标冲击功提高10%以上；由于采用了亚温淬火，产生了少量细小针状铁素体，分布于残存奥氏体晶粒内，这样，P、Sn、Sb、As等有害杂质集中在铁素体晶内，在奥氏体晶粒内部的细小针状铁素体和针状奥氏体相间分布形成“晶粒边界效应”，削弱了有害的增进脆性的杂质元素在原奥氏体晶界的分布，从而减低了脆性倾向，亚温淬火的温度较常规淬火温度低诸多，这样就克制了晶粒的长大，淬火后不能形成粗大的残存奥氏体晶粒，增加了晶界的表面积，界面能也就有了很大的提高，并且单位面积内的杂质含量也就自然减少；在脆断时，就需要很高的能量，脆性体现也就不明显。表4-138CrMoAlA钢的化学成分（GB/T1299—）W/%CSiMnCrSP0.35～0.420.20～0.450.30～0.601.35～1.65≤0.035≤0.03538CrMoAlA钢活塞杆C曲线通过查找工艺手册获得38CrMoAlA钢的C曲线以下图4-1，成分以下。图4-138CrMoAlA钢C曲线最上面一条水平虚线表达钢的临界点A1（727℃），即奥氏体与珠光体的平衡温度。图１中下方的一条水平线Ｍs（380℃）为马氏体转变开始温度，Ms下列尚有一条水平线Mf（-50℃）为马氏体转变终了温度。A1与As之间有两条C曲线，左侧一条为过冷奥氏体转变开始线，右侧一条为过冷奥氏体转变终了线。A1线以上是奥氏体稳定区，38CrMoAlA钢中由于合金元素的存在，使得38CrMoAlA钢的Ac1为760℃。38CrMoAlA钢活塞杆加工工艺流程图备料备料锻造正火精机械加工调质解决粗机械加工氮化粗磨削加工低温回火精磨削加工图4-238CrMoAlA钢活塞杆加工工艺流程图38CrMoAlA钢活塞杆正火、调质、渗氮、低温回火工艺图4-338CrMoAlA钢活塞杆加工工艺流程图锻造工艺曲线造渗氮活塞杆的毛坯通过锻造后获得基本的形状。锻造是运用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形，已获得含有一定机械性能、一定形状和尺寸的锻件的加工办法。活塞杆是一种运动频繁、技术规定高的运动部件。其加工质量的好坏直接影响整个产品的寿命和可靠性。查阅《热解决工艺规范数据手册》能够找出38CrMoAlA钢的锻造工的加热温度、始锻温度冷却方式，以下表4-2所示。表4-238CrMoAlA钢的锻造工艺表项目Ac1(Ar1)Ac3(Ar3)加热温度/℃始锻温度终锻温度钢坯760℃(675℃)885℃(470℃)920~940℃1180℃900℃预备热解决：正火工艺普通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。正火的目的是为了细化晶粒、改善组织，提高切削加工性能，为最后热解决做好准备。正火工艺曲线如图4-4所示。图4-4正火工艺曲线图调质解决工艺调质是指钢件淬火及高温回火的热解决工艺。活塞杆受力复杂，在活塞力、惯性力等动载荷条件下工作，规定其基体为索氏体才适应，而调质解决所获金相正是索氏体组织。一种成功的活塞杆，含有高的力学性能基体支撑其硬而耐磨的表面，是优等质量的最重要条件之一。因此，调质解决对活塞杆是必要的热解决工序。调质的目的有：获得索氏体组织满足工件表面硬化的准备；得到高的机械性能指标等。图4-5调质解决工艺曲线图渗氮工艺工程材料在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面的化学热解决工艺，称为渗氮。钢经渗氮后可获得高的表面硬度、高的耐磨性、高的疲劳强度及高的耐蚀性，并且热解决变形极小。根据渗氮时的加热方式及渗氮机理的不同，有普通氮化及离子氮化两大类。普通氮化又可分为气体渗氮、液体氮化和固体氮化。本工艺采用气体渗氮，即将钢件置于渗氮介质中加热并保温一段时间，使氮原子渗入工件表面的办法。图4-6气体渗氮工艺曲线图最后热解决：低温回火零件经最后热解决后硬度较高，除磨削外不适宜再进行其它切削加工，因此工序位置普通安排在半精加工后，磨削加工前。经淬火后表面获得高硬度、高的耐磨性。图4-6低温回火工艺曲线图38CrMoAlA钢活塞杆热解决工艺理论正火工艺原理普通对于亚共析钢正火的加热温度普通为Ac3以上30～50℃，而对于低碳合金钢的正火温度正火温度普通为Ac3以上50～100℃，保温一定时间后取出喷雾冷却这种冷却方式称为高温正火。由铁碳合金相图如图4-7可知42CrMoE的加热温度范畴为850～870℃。加热温度过低先共析铁素体未能全部溶解而达不到细化晶粒的作用，加热温度过高会造成晶粒粗化恶化钢的力学性能。本设计将采用一种工业上惯用办法普通正火即42CrMoE普通正火采用加热到850～870℃，保温一定温度（2～4h)，最后出炉空冷。锻坯通过普通正火后，不仅细化晶粒，提高了材料的硬度，并且改善了材料的组织和性能，减小了活塞杆在渗氮淬火后的淬火变形。良好的应用效果使普通正火得到越来越广泛的应用。保温时间，普通由实验拟定，但也有个经验公式:t=αKDt—保温时间(min)；α—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。普通状况下，碳钢能够按工件有效厚度每25毫米为一小时来计算，合金钢能够按工件的有效厚度每20毫米一小时来计算保温时间，加热时间应为2～4小时左右。图4-7F-C合金相图正火的重要目的是消除锻造缺点，消除活塞杆内部过大的应力,改善材料的切削性,并为渗氮淬火做好组织准备。将组织偏离平衡状态的金属或合金加热到适宜的温度，保温一定时间，然后缓慢冷却。渗氮工艺原理钢铁材料的渗氮过程和渗碳等其它化学热解决同样,涉及氛围的形成、吸附、分解、吸取和扩散五个基本过程。或者说涉及渗剂中的反映、渗剂中的扩散、相界面反映、被渗元素在钢铁中的扩散及扩散过程中氮化物的形成。工件渗氮后，含有极高的表面硬度和耐磨性，高的疲劳强度和高的耐蚀性，同时还含有抗咬合、抗擦伤的能力。由于渗氮含有温度低、工件畸变小的特点，在机械行业中得到广泛的应用。渗氮过程能够概括为下列几个基本过程：向炉内不停的输入氨气；氨分子向金属表面迁移；氨分子被吸附在金属表面；氨分子在相界面上不停分解，形成氮原子和氢原子；活性原子复合成分子，经相界面反映的扩散层界，不停从炉内排出；表面吸附的氮原子溶解于α—Fe中；氨原子由金属表面对内部扩散，并产生对应的浓度梯度；当超出在α—Fe中的溶解度后，在表层开始形成氮化物；氮化物沿金属表面的垂直方向和平行方向长大；表层依次形成γ相和ε相；氮化物层不停增厚；氮从氮化物层向金属内部扩散。在氮化过程中尚有氢的渗入，这将会造成氮化层脆性增加，但是氮化后缓冷时大部分氢能够逸出，因而影响不大。渗氮工艺参数有：1、渗氮温度，渗氮后的表面硬度重要取决于氮化物的弥散度。氮化物的弥散度越大，硬度越高，500℃下列，氮化物的聚集不明显，温度对氮化物弥散度的影响较小，硬度变化不大。超出580℃，氮化物快速聚集长大，表面硬度明显减少。随着渗氮温度的提高，氮原子的扩散速度明显增大，渗氮层增厚。但是渗氮件的畸变量也随着温度的升高而增大。拟定渗氮温度时，应综合考虑温度对渗氮层深度、表面硬度与畸变量的影响，常在480～560℃范畴内选择。形状复杂、表面硬度规定较高的精密零件选下限。2、渗氮时间与渗层深度，温度一定时，渗氮层的深度取决于渗氮保温时间。由图8可知，随着渗氮时间的延长，渗氮层深度的增加速度逐步减慢。过分延长渗氮时间，不仅对渗层的加厚无益，并且会使表面硬度因氮化物的聚集而有所减少。经验表明，38CrMoAlA渗氮钢在正常渗氮温度（510～560℃）下，当渗氮层深度在0.4mm以内时，平均渗氮速度为0.015～0.02mm/h；渗氮深度在0.4～0.7mm之间时，平均渗氮速度为0.005～0.015mm/h；渗层愈深，渗速愈慢。图4-838CrMoAlA钢渗氮层硬度及深度与温度及时间的关系图渗碳的目的使38CrMoAlA钢的表面硬度提高，增加耐磨性，渗氮温度低，工件变形小，精度高，能够提高耐蚀性及疲劳强度等。回火工艺原理38CrMoAlA钢往复式压缩机活塞杆要有较高的力学性能，在渗氮、高频或中频淬火加低温回火后，表面硬度需要达HRC55以上。由不同钢含碳量的硬度与回火温度关系曲线图4-9可知其在240～280℃回火可满足使用规定。图4-9不同含碳量钢硬度与回火温度关系曲线38CrMoAlA钢经渗氮、高频或中频淬火和低温回火后获得显微组织表面为马氏体、未溶铁素体，心部组织为马氏体和贝氏体，或马氏体加贝氏体加屈氏体和少量铁素体的混合组织。回火后不仅消除了内应力，提高了工件韧性并且稳定了工件尺寸，确保了高硬度和高耐磨性。质量检查质量检查流程（1）外观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）变形检查根据图样技术规定检查工件的挠曲变形、尺寸及几何形状的变化。（3）渗层检查在渗氮淬火后进行有检查办法：宏观察量：打断试样，研磨抛光，用硝酸酒精溶液侵蚀直至显示出深灰色的渗氮层，用带有刻度尺的放大镜测量。显微测镜量：渗氮后缓冷试样，磨制成显微试样。根据有关原则规定的显微组织处，例如测至过渡区作为渗氮层深度等。38CrMoAlA渗氮后渗层深度应在0.4～0.7mm。（4）硬度检查淬火解决的零件，普通用洛氏硬度HRC测量。检查硬度时应对的操作硬度计。被检查零件表面必须平滑，不能有氧化皮或油污。检查前零件可用砂纸或锉刀磨光。38CrMoAlA钢在渗氮，淬火、低温回火后，表面硬度应达成HRC55以上。（5）金相组织检查按技术规定及原则行检查渗层碳化物的形态及分布，残留奥氏体数量，有无反常组织，心部组织与否粗大及铁素体与否超出技术规定等，普通在显微镜下放大400倍观察。38CrMoAlA钢活塞杆热解决常见缺点防止及补救加热时常见的缺点的防止及补救办法（1）欠热缺点及其防止、补救形成因素及避免方法钢在加热时，由于加热温度过低火加热时间过短，造成未充足奥氏体化而引发的组织缺点。避免欠热重要方法是严格控制加热温度和加热时间。返办法修可通过重新正火来补救。（2）过热缺点及其防止、补救形成因素及避免方法钢加热时，由于加热温度过高或加热时间过长，引发奥氏体晶粒粗大而产生的组织缺点。避免过热重要方法是严格控制加热温度和加热时间。返修办法可通过重新正火来补救。（3）过烧缺点及其防止、补救形成因素及避免方法钢加热时，由于加热温度过高，造成晶界氧化或局部熔化的组织缺点。避免过烧重要方法是严格控制加热温度和加热时间。返修办法工件过烧无法挽救只能报废。渗氮时常见的缺点的防止及补救办法（1）渗氮层出现网状或波纹状氮化物或针状鱼骨状氮化物缺点及其防止、补救形成因素及避免方法炉温过高，氨含水高；材质晶粒粗大脱碳层未切除；工件有棱边锐角。防治方法有严控渗氮温度；避免棱边和锐角等。返修办法对氨进行脱水，更换干燥剂；控制调质加热温度和保温时间。（2）渗氮后零件畸变缺点及其防止、补救形成因素及避免方法渗氮件比容增大，体积涨大；炉内温度不均匀；加热或冷却速度太快；零件形状复杂或构造不合理。防治方法有合理控制加工余量；使炉温均匀，控制加热或冷却速度，阶梯升温等。返修办法精度规定低的件，能够低于渗氮温度热矫直，矫后低温回火12h去应力。（3）渗层深度浅缺点及其防止、补救形成因素及避免方法温度低，保温时间局限性；基体未经调质解决；新炉灌夹具未预渗或使用时间太久。防治方法：严格工艺纪律，按规定的温度、时间生产。返修办法补渗。（4）表面出现氧化色缺点及其防止、补救形成因素及避免方法渗氮罐漏气、退氮解决或降温时炉内压力低，使冷空气进入；出炉温度过高；干燥剂失效。防治方法有常查炉体密封状况，消除管道积水；定时烘烤干燥剂或更换等。返修办法能够用低压喷砂消除；通氮炉冷至200℃下列出炉。（5）表面硬度低缺点及其防止、补救形成因素及避免方法升温速度快，渗氮灌内温差大；装炉量太多，炉气循环不好；零件表面不清洁，有氧化皮等造成表面硬度低。防治方法有：经常校对测温仪表；根据工艺实验拟定各个阶段的氨分解率，拟定各阶段保温时间等。返修办法含氮量低可补渗；不能长时间超温、超分解率或中断供氨。热解决工艺卡片客户长春第一汽车（集团）有限公司作业程序1、安全生产：必须穿戴好劳保护具在进入工作车间，严格恪守安全操作规程，确保人生安全，操作前检查设备，对的操作，确保设备正常运转。图号CCYQ-HSG-00012、按照工艺曲线在设备控制器设定加热温度、保温时间、冷却条件、清洗规定、保护氛围条件，并按照设备作业原则进行操作。规格HS-00013、装件：按照热解决质量控制阐明书选用工装。材质38CrMoAlA技术规定正火→调质→渗氮→低温回火4、统计：对炉温等热解决数据进行统计，并按批次保存。5、寄存：对于未解决和解决中及解决后工件按三区寄存，并表明热解决进度。JB/T11129-6、异常解决：对于