熱處置工藝設計

目錄TOC\o\h\z282091設計任務 192351.1設計任務 1210181.1.1課設規(guī)定 156761.1.2設計闡明書規(guī)定 1266091.2設計的技術規(guī)定 1162272熱解決零件圖 278633設計方案 3112483.138CrMoAlA鋼發(fā)動機活塞桿熱解決工藝概述 3118003.238CrMoAlA鋼活塞桿服役條件、失效形式 3265813.2.1服役條件 32413.2.2失效形式 335464設計闡明 573834.138CrMoAlA鋼活塞桿材料選擇 5213474.238CrMoAlA鋼活塞桿C曲線 6141164.338CrMoAlA鋼活塞桿加工工藝流程圖 781644.438CrMoAlA鋼活塞桿正火、調質、滲氮、低溫回火工藝 8274074.4.1鍛造工藝曲線 9299494.4.2預備熱解決：正火工藝 10250464.4.3調質解決工藝 11216454.4.4滲氮工藝 1112984.4.5最后熱解決：低溫回火 12317984.538CrMoAlA鋼活塞桿熱解決工藝理論 12216594.5.1正火工藝原理 12189874.5.2滲氮工藝原理 1411984.5.3回火工藝原理 15320625質量檢查 17282155.1質量檢查流程 17211235.238CrMoAlA鋼活塞桿熱解決常見缺點防止及補救 17272405.2.1加熱時常見的缺點的防止及補救辦法 17217765.2.2滲氮時常見的缺點的防止及補救辦法 18153636熱解決工藝卡片 206295致謝 2131749參考文獻 22設計任務設計任務課設規(guī)定熟悉設計題目，查閱有關文獻資料，概述38CrMoAlA鋼活塞桿的熱解決工藝，進行零件的服役條件與失效形式分析，提出硬度、耐磨性、強度、耐蝕性等規(guī)定。完畢工藝設計。設計闡明書規(guī)定設計闡明書涉及三部分：(1)概述；(2)工藝設計；(3)熱解決工藝卡。設計的技術規(guī)定含有高的接觸疲勞極限；（≥1180MPa）含有高的抗彎強度；（≥1350MPa）含有高的耐磨性；（表面硬度≥HRC55；滲層深度0.4-0.7mm）含有足夠的沖擊韌性；（≥72J/cm2）含有高的傳遞精度和最小的工作噪音。熱解決零件圖圖2-1活塞桿CAD技術圖圖2-1活塞桿構造示意圖設計方案38CrMoAlA鋼發(fā)動機活塞桿熱解決工藝概述活塞桿是支持活塞做功的連接部件，大部分應用在油缸、氣缸運動執(zhí)行部件中，是一種運動頻繁、技術規(guī)定高的運動部件。由于柱塞跳動過大、長時間的柱塞運動與填料之間的頻繁摩擦、往復運動的交變應力等造成活塞桿的失效形式有斷裂、磨損和疲勞。活塞桿慣用材料為35、45、38Cr等鋼材，粗加工后要調質解決，硬度可達230~285HBS，但耐磨性差，需進行高頻淬火，必要時還需表面鍍鉻，并對鍍鉻層進行拋光，存在裂紋多、硬化硬度低、沖擊韌性差等問題。通過對典型38CrMoAlA鋼熱解決工藝的分析，更加明確在執(zhí)行熱解決工藝過程中所需要注意的問題。能夠對的擬定加熱溫度、時間，保溫時間，冷卻方式，其目的就是通過對的的熱解決工藝，使金屬材料的潛在能力得到充足的發(fā)揮。根據(jù)發(fā)動機活塞桿的工作條件，失效形式及性能規(guī)定，本設計選擇的汽車發(fā)動機活塞桿材料為38CrMoAlA鋼；在設計正火-調質-氮化-回火加高溫回火熱解決工藝中，本設計借鑒了《熱解決工程師手冊》，《鋼的熱解決》等。根據(jù)工藝設計的理論基礎設定了完整的熱解決工藝流程，使熱解決的38CrMoAlA鋼滿足熱作模具鋼的質量規(guī)定。通過對典型38CrMoAlA鋼熱解決工藝的分析，更加明確在執(zhí)行熱解決工藝過程中所需要注意的問題。能夠對的擬定加熱溫度、時間，保溫時間，冷卻方式，其目的就是通過對的的熱解決工藝，使金屬材料的潛在能力得到充足的發(fā)揮。38CrMoAlA鋼活塞桿服役條件、失效形式服役條件活塞桿是支持活塞做功的連接部件，大部分應用在油缸、氣缸運動執(zhí)行部件中，是一種運動頻繁、技術規(guī)定高的運動部件。由于柱塞跳動過大、長時間的柱塞運動與填料之間的頻繁摩擦、往復運動的交變應力等造成活塞桿的失效形式有斷裂、磨損和疲勞。失效形式（1）斷裂活塞桿斷裂部位在活塞桿與十字頭鎖緊螺母旋合處的最末2~3道螺紋的根部。該處螺紋系鍛造成形后采用滾壓加工，螺紋直徑為M95?；钊麠U運行時間為2.5年?；钊麠U在工作過程中重要承受交變的拉壓載荷作用。（2）磨損顆粒污染為活塞桿損壞最快的因素之一，即使在導向套上裝有防塵圈及密封件等，但也難免將塵埃、污物帶入液壓系統(tǒng)，引發(fā)活塞桿的磨損。（3）腐蝕活塞桿在工作過程中活塞桿裸露在外直接和環(huán)境相接觸，很易引發(fā)氧化，從而減少其使用壽命。設計闡明38CrMoAlA鋼活塞桿材料選擇活塞桿慣用材料為35、45、38Cr等鋼材，粗加工后要調質解決，硬度可達230~285HBS，但耐磨性差，需進行高頻淬火，必要時還需表面鍍鉻，并對鍍鉻層進行拋光，存在裂紋多、硬化硬度低、沖擊韌性差等問題。經(jīng)解決后的38CrMoAlA鋼材料，能夠達成：提高表面硬度和耐磨性，減少產(chǎn)生淬火裂紋的品質。表面硬度值達成HRC50以上，表面層深達1.5毫米以上。傳統(tǒng)高頻淬火表面硬度值僅在HRC45左右，表面形成的是淬火馬氏體組織，通過低溫回火使用；若采用空冷淬火，硬化層金相組織存在15%左右的鐵素體，因此硬度低；若加熱到1000℃一1020℃采用噴液冷卻，加熱溫度高存在隱形淬火裂紋危險或是直接產(chǎn)生裂紋；而壓縮空氣進行表面淬火，能夠避免隱形淬火裂紋或是直接裂紋的產(chǎn)生，并且能夠把硬度提高到HRC50以上；由于提高了表面的硬化層硬度，因此也提高了耐磨性15%以上。采用580℃一590℃保溫3一5小時空冷或爐冷的穩(wěn)定化工藝，38CrMoAlA鋼并沒有明顯的韌性下降趨勢，穩(wěn)定化工藝采用空冷或爐冷，一種重要的因素在于調質序時，本次采用960℃一980℃保溫2~5小時淬火工藝，這一溫度在2Cr13鋼的亞溫淬火區(qū)內，亞溫淬火的一種明顯特點即是提高多個鋼的低溫沖擊韌性。亞溫淬火后得到了少量游離鐵素體+馬氏體+彌散分布的極細小的殘存奧氏體組織，P、Sn、Sb、As等有害雜質集中在鐵素體晶內，而不能在原奧氏體晶界上析出，極細小的奧氏體使裂紋擴展變得困難，從而使2Cr13鋼的沖擊韌性沒有明顯減少，采用580℃一590℃保溫3一5小時空冷或爐冷的穩(wěn)定化工藝，充足消除了加工應力等多個應力，因此在高頻或中頻淬火時能確保工件的畸變量。對38CrMoAlA鋼活塞桿采用亞溫熱解決技術后，工件韌性指標沖擊功提高10%以上；由于采用了亞溫淬火，產(chǎn)生了少量細小針狀鐵素體，分布于殘存奧氏體晶粒內，這樣，P、Sn、Sb、As等有害雜質集中在鐵素體晶內，在奧氏體晶粒內部的細小針狀鐵素體和針狀奧氏體相間分布形成“晶粒邊界效應”，削弱了有害的增進脆性的雜質元素在原奧氏體晶界的分布，從而減低了脆性傾向，亞溫淬火的溫度較常規(guī)淬火溫度低諸多，這樣就克制了晶粒的長大，淬火后不能形成粗大的殘存奧氏體晶粒，增加了晶界的表面積，界面能也就有了很大的提高，并且單位面積內的雜質含量也就自然減少；在脆斷時，就需要很高的能量，脆性體現(xiàn)也就不明顯。表4-138CrMoAlA鋼的化學成分（GB/T1299—）W/%CSiMnCrSP0.35～0.420.20～0.450.30～0.601.35～1.65≤0.035≤0.03538CrMoAlA鋼活塞桿C曲線通過查找工藝手冊獲得38CrMoAlA鋼的C曲線以下圖4-1，成分以下。圖4-138CrMoAlA鋼C曲線最上面一條水平虛線表達鋼的臨界點A1（727℃），即奧氏體與珠光體的平衡溫度。圖１中下方的一條水平線Ｍs（380℃）為馬氏體轉變開始溫度，Ms下列尚有一條水平線Mf（-50℃）為馬氏體轉變終了溫度。A1與As之間有兩條C曲線，左側一條為過冷奧氏體轉變開始線，右側一條為過冷奧氏體轉變終了線。A1線以上是奧氏體穩(wěn)定區(qū)，38CrMoAlA鋼中由于合金元素的存在，使得38CrMoAlA鋼的Ac1為760℃。38CrMoAlA鋼活塞桿加工工藝流程圖備料備料鍛造正火精機械加工調質解決粗機械加工氮化粗磨削加工低溫回火精磨削加工圖4-238CrMoAlA鋼活塞桿加工工藝流程圖38CrMoAlA鋼活塞桿正火、調質、滲氮、低溫回火工藝圖4-338CrMoAlA鋼活塞桿加工工藝流程圖鍛造工藝曲線造滲氮活塞桿的毛坯通過鍛造后獲得基本的形狀。鍛造是運用鍛壓機械對金屬坯料施加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形，已獲得含有一定機械性能、一定形狀和尺寸的鍛件的加工辦法。活塞桿是一種運動頻繁、技術規(guī)定高的運動部件。其加工質量的好壞直接影響整個產(chǎn)品的壽命和可靠性。查閱《熱解決工藝規(guī)范數(shù)據(jù)手冊》能夠找出38CrMoAlA鋼的鍛造工的加熱溫度、始鍛溫度冷卻方式，以下表4-2所示。表4-238CrMoAlA鋼的鍛造工藝表項目Ac1(Ar1)Ac3(Ar3)加熱溫度/℃始鍛溫度終鍛溫度鋼坯760℃(675℃)885℃(470℃)920~940℃1180℃900℃預備熱解決：正火工藝普通均安排在毛坯生產(chǎn)之后，切削加工之前，或粗加工之后，半精加工之前。正火的目的是為了細化晶粒、改善組織，提高切削加工性能，為最后熱解決做好準備。正火工藝曲線如圖4-4所示。圖4-4正火工藝曲線圖調質解決工藝調質是指鋼件淬火及高溫回火的熱解決工藝?；钊麠U受力復雜，在活塞力、慣性力等動載荷條件下工作，規(guī)定其基體為索氏體才適應，而調質解決所獲金相正是索氏體組織。一種成功的活塞桿，含有高的力學性能基體支撐其硬而耐磨的表面，是優(yōu)等質量的最重要條件之一。因此，調質解決對活塞桿是必要的熱解決工序。調質的目的有：獲得索氏體組織滿足工件表面硬化的準備；得到高的機械性能指標等。圖4-5調質解決工藝曲線圖滲氮工藝工程材料在一定溫度下使活性氮原子滲入工件表面的化學熱解決工藝，稱為滲氮。鋼經(jīng)滲氮后可獲得高的表面硬度、高的耐磨性、高的疲勞強度及高的耐蝕性，并且熱解決變形極小。根據(jù)滲氮時的加熱方式及滲氮機理的不同，有普通氮化及離子氮化兩大類。普通氮化又可分為氣體滲氮、液體氮化和固體氮化。本工藝采用氣體滲氮，即將鋼件置于滲氮介質中加熱并保溫一段時間，使氮原子滲入工件表面的辦法。圖4-6氣體滲氮工藝曲線圖最后熱解決：低溫回火零件經(jīng)最后熱解決后硬度較高，除磨削外不適宜再進行其它切削加工，因此工序位置普通安排在半精加工后，磨削加工前。經(jīng)淬火后表面獲得高硬度、高的耐磨性。圖4-6低溫回火工藝曲線圖38CrMoAlA鋼活塞桿熱解決工藝理論正火工藝原理普通對于亞共析鋼正火的加熱溫度普通為Ac3以上30～50℃，而對于低碳合金鋼的正火溫度正火溫度普通為Ac3以上50～100℃，保溫一定時間后取出噴霧冷卻這種冷卻方式稱為高溫正火。由鐵碳合金相圖如圖4-7可知42CrMoE的加熱溫度范疇為850～870℃。加熱溫度過低先共析鐵素體未能全部溶解而達不到細化晶粒的作用，加熱溫度過高會造成晶粒粗化惡化鋼的力學性能。本設計將采用一種工業(yè)上慣用辦法普通正火即42CrMoE普通正火采用加熱到850～870℃，保溫一定溫度（2～4h)，最后出爐空冷。鍛坯通過普通正火后，不僅細化晶粒，提高了材料的硬度，并且改善了材料的組織和性能，減小了活塞桿在滲氮淬火后的淬火變形。良好的應用效果使普通正火得到越來越廣泛的應用。保溫時間，普通由實驗擬定，但也有個經(jīng)驗公式:t=αKDt—保溫時間(min)；α—加熱系數(shù)(min/mm)；K—工件加熱是的修正系數(shù)；D—工件的有效厚度(mm)。

工件有效厚度的計算原則是：薄板工件的厚度即為其有效厚度；長的圓棒料直徑為其有效厚度；正方體工件的邊長為其有效厚度；長方體工件的高和寬小者為其有效厚度；帶錐度的圓柱形工件的有效厚度是距小端2L/3(L為工件的長度)處的直徑；帶有通孔的工件，其壁厚為有效厚度。普通狀況下，碳鋼能夠按工件有效厚度每25毫米為一小時來計算，合金鋼能夠按工件的有效厚度每20毫米一小時來計算保溫時間，加熱時間應為2～4小時左右。圖4-7F-C合金相圖正火的重要目的是消除鍛造缺點，消除活塞桿內部過大的應力,改善材料的切削性,并為滲氮淬火做好組織準備。將組織偏離平衡狀態(tài)的金屬或合金加熱到適宜的溫度，保溫一定時間，然后緩慢冷卻。滲氮工藝原理鋼鐵材料的滲氮過程和滲碳等其它化學熱解決同樣,涉及氛圍的形成、吸附、分解、吸取和擴散五個基本過程?；蛘哒f涉及滲劑中的反映、滲劑中的擴散、相界面反映、被滲元素在鋼鐵中的擴散及擴散過程中氮化物的形成。工件滲氮后，含有極高的表面硬度和耐磨性，高的疲勞強度和高的耐蝕性，同時還含有抗咬合、抗擦傷的能力。由于滲氮含有溫度低、工件畸變小的特點，在機械行業(yè)中得到廣泛的應用。滲氮過程能夠概括為下列幾個基本過程：向爐內不停的輸入氨氣；氨分子向金屬表面遷移；氨分子被吸附在金屬表面；氨分子在相界面上不停分解，形成氮原子和氫原子；活性原子復合成分子，經(jīng)相界面反映的擴散層界，不停從爐內排出；表面吸附的氮原子溶解于α—Fe中；氨原子由金屬表面對內部擴散，并產(chǎn)生對應的濃度梯度；當超出在α—Fe中的溶解度后，在表層開始形成氮化物；氮化物沿金屬表面的垂直方向和平行方向長大；表層依次形成γ相和ε相；氮化物層不停增厚；氮從氮化物層向金屬內部擴散。在氮化過程中尚有氫的滲入，這將會造成氮化層脆性增加，但是氮化后緩冷時大部分氫能夠逸出，因而影響不大。滲氮工藝參數(shù)有：1、滲氮溫度，滲氮后的表面硬度重要取決于氮化物的彌散度。氮化物的彌散度越大，硬度越高，500℃下列，氮化物的聚集不明顯，溫度對氮化物彌散度的影響較小，硬度變化不大。超出580℃，氮化物快速聚集長大，表面硬度明顯減少。隨著滲氮溫度的提高，氮原子的擴散速度明顯增大，滲氮層增厚。但是滲氮件的畸變量也隨著溫度的升高而增大。擬定滲氮溫度時，應綜合考慮溫度對滲氮層深度、表面硬度與畸變量的影響，常在480～560℃范疇內選擇。形狀復雜、表面硬度規(guī)定較高的精密零件選下限。2、滲氮時間與滲層深度，溫度一定時，滲氮層的深度取決于滲氮保溫時間。由圖8可知，隨著滲氮時間的延長，滲氮層深度的增加速度逐步減慢。過分延長滲氮時間，不僅對滲層的加厚無益，并且會使表面硬度因氮化物的聚集而有所減少。經(jīng)驗表明，38CrMoAlA滲氮鋼在正常滲氮溫度（510～560℃）下，當滲氮層深度在0.4mm以內時，平均滲氮速度為0.015～0.02mm/h；滲氮深度在0.4～0.7mm之間時，平均滲氮速度為0.005～0.015mm/h；滲層愈深，滲速愈慢。圖4-838CrMoAlA鋼滲氮層硬度及深度與溫度及時間的關系圖滲碳的目的使38CrMoAlA鋼的表面硬度提高，增加耐磨性，滲氮溫度低，工件變形小，精度高，能夠提高耐蝕性及疲勞強度等?；鼗鸸に囋?8CrMoAlA鋼往復式壓縮機活塞桿要有較高的力學性能，在滲氮、高頻或中頻淬火加低溫回火后，表面硬度需要達HRC55以上。由不同鋼含碳量的硬度與回火溫度關系曲線圖4-9可知其在240～280℃回火可滿足使用規(guī)定。圖4-9不同含碳量鋼硬度與回火溫度關系曲線38CrMoAlA鋼經(jīng)滲氮、高頻或中頻淬火和低溫回火后獲得顯微組織表面為馬氏體、未溶鐵素體，心部組織為馬氏體和貝氏體，或馬氏體加貝氏體加屈氏體和少量鐵素體的混合組織。回火后不僅消除了內應力，提高了工件韌性并且穩(wěn)定了工件尺寸，確保了高硬度和高耐磨性。質量檢查質量檢查流程（1）外觀檢查檢查工件表面有無腐蝕或氧化皮。不得有裂紋及碰傷，表面不得有銹蝕。（2）變形檢查根據(jù)圖樣技術規(guī)定檢查工件的撓曲變形、尺寸及幾何形狀的變化。（3）滲層檢查在滲氮淬火后進行有檢查辦法：宏觀察量：打斷試樣，研磨拋光，用硝酸酒精溶液侵蝕直至顯示出深灰色的滲氮層，用帶有刻度尺的放大鏡測量。顯微測鏡量：滲氮后緩冷試樣，磨制成顯微試樣。根據(jù)有關原則規(guī)定的顯微組織處，例如測至過渡區(qū)作為滲氮層深度等。38CrMoAlA滲氮后滲層深度應在0.4～0.7mm。（4）硬度檢查淬火解決的零件，普通用洛氏硬度HRC測量。檢查硬度時應對的操作硬度計。被檢查零件表面必須平滑，不能有氧化皮或油污。檢查前零件可用砂紙或銼刀磨光。38CrMoAlA鋼在滲氮，淬火、低溫回火后，表面硬度應達成HRC55以上。（5）金相組織檢查按技術規(guī)定及原則行檢查滲層碳化物的形態(tài)及分布，殘留奧氏體數(shù)量，有無反常組織，心部組織與否粗大及鐵素體與否超出技術規(guī)定等，普通在顯微鏡下放大400倍觀察。38CrMoAlA鋼活塞桿熱解決常見缺點防止及補救加熱時常見的缺點的防止及補救辦法（1）欠熱缺點及其防止、補救形成因素及避免方法鋼在加熱時，由于加熱溫度過低火加熱時間過短，造成未充足奧氏體化而引發(fā)的組織缺點。避免欠熱重要方法是嚴格控制加熱溫度和加熱時間。返辦法修可通過重新正火來補救。（2）過熱缺點及其防止、補救形成因素及避免方法鋼加熱時，由于加熱溫度過高或加熱時間過長，引發(fā)奧氏體晶粒粗大而產(chǎn)生的組織缺點。避免過熱重要方法是嚴格控制加熱溫度和加熱時間。返修辦法可通過重新正火來補救。（3）過燒缺點及其防止、補救形成因素及避免方法鋼加熱時，由于加熱溫度過高，造成晶界氧化或局部熔化的組織缺點。避免過燒重要方法是嚴格控制加熱溫度和加熱時間。返修辦法工件過燒無法挽救只能報廢。滲氮時常見的缺點的防止及補救辦法（1）滲氮層出現(xiàn)網(wǎng)狀或波紋狀氮化物或針狀魚骨狀氮化物缺點及其防止、補救形成因素及避免方法爐溫過高，氨含水高；材質晶粒粗大脫碳層未切除；工件有棱邊銳角。防治方法有嚴控滲氮溫度；避免棱邊和銳角等。返修辦法對氨進行脫水，更換干燥劑；控制調質加熱溫度和保溫時間。（2）滲氮后零件畸變缺點及其防止、補救形成因素及避免方法滲氮件比容增大，體積漲大；爐內溫度不均勻；加熱或冷卻速度太快；零件形狀復雜或構造不合理。防治方法有合理控制加工余量；使爐溫均勻，控制加熱或冷卻速度，階梯升溫等。返修辦法精度規(guī)定低的件，能夠低于滲氮溫度熱矯直，矯后低溫回火12h去應力。（3）滲層深度淺缺點及其防止、補救形成因素及避免方法溫度低，保溫時間局限性；基體未經(jīng)調質解決；新爐灌夾具未預滲或使用時間太久。防治方法：嚴格工藝紀律，按規(guī)定的溫度、時間生產(chǎn)。返修辦法補滲。（4）表面出現(xiàn)氧化色缺點及其防止、補救形成因素及避免方法滲氮罐漏氣、退氮解決或降溫時爐內壓力低，使冷空氣進入；出爐溫度過高；干燥劑失效。防治方法有常查爐體密封狀況，消除管道積水；定時烘烤干燥劑或更換等。返修辦法能夠用低壓噴砂消除；通氮爐冷至200℃下列出爐。（5）表面硬度低缺點及其防止、補救形成因素及避免方法升溫速度快，滲氮灌內溫差大；裝爐量太多，爐氣循環(huán)不好；零件表面不清潔，有氧化皮等造成表面硬度低。防治方法有：經(jīng)常校對測溫儀表；根據(jù)工藝實驗擬定各個階段的氨分解率，擬定各階段保溫時間等。返修辦法含氮量低可補滲；不能長時間超溫、超分解率或中斷供氨。熱解決工藝卡片客戶長春第一汽車（集團）有限公司作業(yè)程序1、安全生產(chǎn)：必須穿戴好勞保護具在進入工作車間，嚴格恪守安全操作規(guī)程，確保人生安全，操作前檢查設備，對的操作，確保設備正常運轉。圖號CCYQ-HSG-00012、按照工藝曲線在設備控制器設定加熱溫度、保溫時間、冷卻條件、清洗規(guī)定、保護氛圍條件，并按照設備作業(yè)原則進行操作。規(guī)格HS-00013、裝件：按照熱解決質量控制闡明書選用工裝。材質38CrMoAlA技術規(guī)定正火→調質→滲氮→低溫回火4、統(tǒng)計：對爐溫等熱解決數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，并按批次保存。5、寄存：對于未解決和解決中及解決后工件按三區(qū)寄存，并表明熱解決進度。JB/T11129-6、異常解決：對于