1、目录 第一章 热处理工设计目的 1 第二章 课程设计任务 1 第三章 热处理工艺设计方法 1 3.1 设计任务 . 1 3.2 设计方案 . 2 3.2.1 12CrNi3 叶片泵轴的设计的分析 2 3.2.2 钢种材料 2 3.3 设计说明 3 3.3.1 加工工艺流程 3 3.3.2 具体热处理工艺 4 3.4 分析讨论 . 11 第 4 章 结束语 13 参考文献 . 14 12CrNi3 叶片泵轴的热处理工艺设计 一. 热处理工艺课程设计的目的 热 处理工艺课程设计是高等工业学校金属材料工程专业一次专业课设计练习，是热处 理原理与工艺课程的最后一个教学环节。其目的是： （ 1）培养学生
2、综合运用所学的热处理课程的知识去解决工程问题的能力，并使其所学 知识得到巩固和发展。 （ 2）学习热处理工艺设计的一般方法、热处理设备选用和装夹具设计等。 （ 3）进行热处理设计的基本技能训练，如计算、工艺图绘制和学习使用设计资料、手 册、标准和规范。 二. 课程设计的任务 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， 选择热处理设备，设计或选定装夹具，作出热处理工艺卡。最后，写出设计说明书， 说明书中要求对各热处理工序的工艺参数的选择依据和各热处理后的显微组织作出 说明。 三. 热处理工艺
3、设计的方法 1. 设计任务 12CrNi3 叶片泵轴零件图如图 3.1 图 3.1 12CrNi3 叶片泵轴 2、设计方案 2.1.工作条件 叶片泵是由转子、定子、叶片和配油盘相互形成封闭容积的体积变化来实现泵的吸 油和压油。叶片泵的结构紧凑，零件加工精度要求高。叶片泵转子旋转时，叶片在 离心力和压力油的作用下，尖部紧贴在定子内表面上。这样两个叶片与转子和定子 内表面所构成的工作容积，先由小到大吸油再由大到小排油，叶片旋转一周时，完 成两次吸油与排油。泵轴在工作时承受扭转和弯曲疲劳，在花键和颈轴处收磨损。 因此，要求轴有高的强度，良好的韧性及耐磨性。 2.1.1 失效形式 叶片泵轴的主要失效形
4、式是疲劳断裂，在花键和轴颈处可能发生工作面的磨损、咬 伤，甚至是咬裂。 2.1.2 性能要求 根据泵轴的受力情况和失效分析可知 ,叶片泵轴主要是要求轴具有高的强度，良好 的韧性及耐磨性，以保证轴在良好的服役条件下长时间的工作。 2.2 钢种材料 12CrNi3A 钢属于合金渗碳钢，比 12CrNi2A 钢有更高的淬透性，因此，可以用于制 造比 12CrNi2A 钢截面稍大的零件。该钢淬火低温回火或高温回火后都具有良好的 综合力学性能，钢的低温韧性好，缺口敏感性小，切削加工性能良好，当硬度为 HB260320 时，相对切削加工性为 60%70%。另外，钢退火后硬度低、塑性好， 因此，既可以采用切
5、削加工方法制造模具，也可以采用冷挤压成型方法制造模具。 为提高模具型腔的耐磨性，模具成型后需要进行渗碳处理，然后再进行淬火和低温 回火，从而保证模具表面具有高硬度、高耐磨性而心部具有很好的韧性，该钢适宜 制造大、中型塑料模具。 12CrNi3 高级渗碳钢的淬透性较高 ,退火困难。由于不渗 碳表面未经镀铜防渗 ,因此渗碳后进行低温回火 , 降低硬度 , 便于切去不渗碳表 面的渗碳层 。材料加工成叶片泵轴需进行复杂的化学热处理，使心部硬度为 HRC31HRC41，表面硬度不低于 HRC60，从而使泵轴表面有较高硬度，心部呈现 一定的韧性，以适应泵轴的工作环境；并且严格规定了表层的含碳量、组织均匀性
6、、 晶粒度及化学热处理等 1。 3. 设计说明 3.1 加工工艺流程 叶片泵轴的制造工序基本上相同，对于不同的钢种，在其热处理时有些许差异。一 般都采用棒料经锻造正火机加工渗碳淬火回火矫直机加工。 12CrNi3 钢的化学成分见表 3.12 成分分析： 表 3.1 12CrNi3 钢的化学成分 化学成 分 C Si Mn S P Cr Ni Cu 含量% 0.100.1 5 0.170.3 7 0.300.6 0 允许残 余含量 0.035 允许残 余含量 0.035 0.600.9 0 2.753.1 5 允许残 余含量 0.030 钢的含碳量可保证形成大量的合金碳化物，淬火加热时，一部分融
7、入奥氏体中，提 高其稳定性，同时也使马氏体中的合金元素含量增加，保证其硬度；而未溶的碳化 物则起细化晶粒、提高韧性的作用并提高钢的耐磨性。 Cr 是 12CrNi3 合金钢中主要的合金元素，它使钢的淬透性大大增加，提高其回火稳 定性，并产生二次硬化现象。铬与碳形成高硬度的碳化物，加热时未溶的碳化物可 细化晶粒、提高钢的耐磨性的作用。 锰和硅是炼钢过程中必须加入的脱氧剂，用以去除溶于钢液中的氧。它还把钢液中 的氧化铁还原成铁，并形成氧化锰和二氧化硅。锰除了脱氧作用外，还有除硫作用， 即与钢液中的硫结合成 MnS,从而在相当大成度上消除硫在钢中的有害影响。这些反 应产物大部分进入炉渣，小部分残留与
8、钢中，成为非金属夹杂物。脱氧剂中的锰和 硅会有一部分溶于钢液中，冷至室温后即溶于铁素体中，提高铁素体的强度。硅溶 于铁素体中后有很强的固溶强化作用，显著提高钢的强度和硬度。 Ni 也是 12CrNi3 合金钢中的主要元素。它的存在提高了钢的强度，而不降低其塑性， 改善了钢铁的低温韧性降低了钢铁的临界冷却速度，提高铁的淬透性扩大奥氏体区， 是奥氏体化的有效元素 2。 3.2 具体热处理工艺 3.2.1 试样热处理工艺 正火目的：正火使晶粒细化和碳化物分布均匀化，去除材料的内应力，降低零件硬 度，提高切削性能，为渗碳做预处理。因为 12CrNi3 合金钢淬透性较高，退火困难， 因此一般不用退火。
9、正火工艺加热温度：92010，根据化学成分计算 Ac3温度：Ac 3=910-203C0.5- 13.2Ni+44.7Si+104V+31.5Mo+13.1W874，故正火选择（Ac 3+30-50）即 920 10。 正火保温时间：加热保温时间经验公式：t=KD,-加热系数，空气电阻炉-合金钢 取 1.3-1.6（min/mm）；K 为装炉修正系数，取 1-1.5；D- 工件的有效厚度（mm）， 当高度（h）/壁厚（）1.5 时，以 h 计。故最终保温时间： t=KD=1.61.540=96min，取 2h。 正火后的组织：P+少量 F 正火曲线： 正火炉如表 3.2 表 3.2 箱式电阻炉
10、型号参数 型号 名称 额定功率 （kw） 额定温度 （） 额定电压 （v） 相数 工作区尺 寸（mm） 最大装载 量（kg） 温度/ 时间/h 920 2h 空冷 o RX3-15-9 15 950 380 3 650300 250 80 正火炉选择 RX3-15-9 箱式电阻炉，使用电加热，节约成本 正火工装如图 3.2： 图 3.2 正火工装尺寸图 注：壁厚为 10mm 装炉量：12 个/批 3.2.2 渗碳处理 12CrNi3 合金钢渗碳处理一般在初磨之后，精磨之前。其渗碳温度一般在 920940表面渗碳处理:将含碳的钢放到碳势高的环境介质中,通过让活性高的碳 原子扩散到钢的内部,形成一
11、定厚度的碳含量较高的渗碳层,再经过淬火回火,使工 件的表面层得到碳含量高的钢,而心部因碳含量保持原始浓度而得到碳含量低的合金 钢,合金钢的硬度主要与其碳含量有关,故经渗碳处理和后续热处理可使工件获得外 硬内韧的性能.渗碳处理的作用是:提高表面层的耐磨性,同时保持心部有高的耐冲击 能力,即强韧性。 渗碳后的冷却方式一般采用空冷 3。 渗碳温度：920-940，（Ac 3+30-50）目前生产中，经常使用的气体渗碳温度范 围是 900-940。取 930，此温度既可以满足渗层深度要求，又能缩短渗碳所需时 间。低于此温度范围渗碳速度过低；而超出此温度范围太多会使奥氏体晶粒粗大， 降低零件的力学性能。
12、 6 渗碳方式：采用滴注式气体渗碳。把含碳有机液体滴入或注入气体渗碳炉内，含 碳有机液体受热分解产生渗碳气氛，对工件进行渗碳。滴注式气体渗碳设备简单， 多用煤油作渗碳剂，成本低廉，主要应用于周期式气体渗碳炉 7 渗剂选择：甲醇和煤油。 保温时间：4h。根据哈里斯公式：D= 算出 D=3.45h，故渗碳时间取 4h。 渗碳炉如表 3.3： 表 3.3 井式渗碳炉型号 根据零件尺寸选择 RQ3-60-9 设备性能、规格、温度、加热方式：额定功率 60KW，额定温度 950，使用电加 热。 渗碳淬火工装主视图，俯视图如图 3.3： 型号 额定功率 （KW） 额定温度 （） 额定电压 （V） 相数 工
13、作区尺 寸（mm） 最大装载 量（kg） 质量 （kg） RQ3-25-9 25 950 380 3 3004 50 50 1700 RQ3-35-9 35 950 380 3 3006 00 100 1850 RQ3-60-9 60 950 380 3 4506 00 150 2650 103700/T 800t 图 3.3 工装主视图、俯视图尺寸图 装炉量：12 个/批 渗碳淬火曲线如图 3.4: 图 3.4 渗碳淬火曲线 装炉排气时，连滴甲醇 35 滴后调整到 130140 滴/min 3.2.3 淬火+低温回火热处理 钢的淬火与回火是热处理工艺中最重要，也是用途最广泛的工序。淬火可以显
14、著提 高钢的强度和硬度。为了消除钢的残留内应力，得到不同强度，硬度和韧性配合的 性能，需要配以不同温度的回火。所以淬火和回火又是不可分割的，紧密联系在一 起的两种热处理工艺。淬火的主要目的是使奥氏体化后的工件获得尽量多的马氏体， 然后配以不同温度的回火获得各种需要的性能。 12CrNi3 叶片泵轴的淬火。淬火加热规范决定了奥氏体的实际晶粒度及碳化和合 金元素的固溶度对马氏体的形态及回火的性能(硬度、强度、塑性、回火稳定性、 淬火回火时的体积变形)都有显著的影响。当加热到 Ac1温度(约 810)以上时。原 始组织索氏体和碳化物转变为奥氏体和碳化物。随着加热温度升高，合金碳化物继 续向奥氏体中溶
15、解增加了奥氏体中 C 和 Cr 的浓度，淬火马氏体的硬度增加，其耐 磨性也越强，冲击韧度逐渐升高。12CrNi3 泵轴的淬火在井式炉中加热至 93010 o 温度/ 时间/h 煤油/（滴/min） 甲醇/（滴/min） 930 强渗 扩散 130 140 800 0.5 油淬 炉内降温 100 100 130 130 130 2040 130140 2 2 滴注甲醇或煤油渗碳，时间为 4h，降温至 80010，保温 0.5h,直接淬冷于油槽中。 淬火加热温度 钢的淬火加热温度与钢的含碳量有关，共析钢和过共析钢的淬火温度为 Ac1+（30- 50）；亚共析钢的加热温度为 Ac3+（30-50），
16、且一般在空气炉中加热比在盐浴 炉中加热高 10-30，综合考虑淬火加热温度印在区间 81010，在此选 800。 淬火介质：通过对比，最终选用 N1（10 号）机械油。 依据：本着淬火烈度最低的原则，该冷却介质冷却能力适中适合 12CrNi3 小件零件 的淬火工艺处理。其低温区冷却能力远小于水，可以减少工件应力的产生，减少由 于内应力产生的变形和开裂。 可供选择的几种冷却介质的冷却能力见于表 3.4 表 3.4 几种冷却介质的冷却能力注：油温 20 冷却能力 普通淬火油 N1 机械油 N3 机械油 特性温度/ 633 460 490 特性时间/s 2.25 4.8 4.75 800400 冷却
17、/s 3.15 5.05 5.25 800300 冷却/s 4.55 7.2 8.85 加热与保温时间 炉中的工件应在规定的加热温度范围内保持适当的时间，以保证必要的组织转变和 扩散。加热与保温时间一共有三部分组成：由零件入炉到达指定工艺温度所需升温 时间（1）、透热时间（2）以及组织转变所需时间（3）组成。1+2 由设 备功率、加热介质以及工件尺寸、装炉数量等决定，3 则与钢材的成分、组织以 及热处理技术要求等有关。 常用的经验公式为：=KD 式中：加热时间，min； 加热时间系数，min/mm； K装炉量修正系数； 工件有效厚度， mm。 对于圆柱形工件的有效厚度，但高度大于直径时，可按直
18、径为有效厚度进行计算， 图中的工件的毛坯直径为 40mm，即工件的有效厚度为40mm，加热系数 和 装炉修正系数见下表，对于 12CrNi3 合金渗碳钢，1.2，2.0，则 1 21.324030min，考虑到透热之后，因而我选择 0.5h 的保温时间 4。 12CrNi3 叶片泵轴的低温回火 回火温度 低温回火温度为 180，保温 1h。回火中的主要组织为回火马氏体。回火马氏体 既保持了钢的高硬度，高强度和良耐磨性，又适当提高了韧性。经淬火并低温回火 后得到隐晶回火马氏体和均匀细小的粒状碳化物组织，具有很高的硬度和耐磨性， 同时降低了钢的淬火应力和脆性 5。 回火时间 从工件入炉后炉温升至回
19、火温度时开始计算。回火时间一般为 1-3h， 本设计中的零件的有效厚度为 40mm，选择回火炉为井式电炉，与渗碳炉使用一种炉。 回火保温时间如图表 3.5 表 3.5 回火保温时间参考 低温回火（150-250） 有效厚度 /mm 25 25-50 50-75 75-100 100-125 125-150 保温时间 /min 30-60 60-120 120-180 180-240 240-270 270-300 回火工艺曲线如图 3.5： 温度/ 180 1h 图 3.5 回火工艺曲线 3.2.4 热处理后检验方法 外观检测和方法选择 工件表面不能有淬火裂纹,锈蚀和影响使用性能的缺陷。一般通
20、过磁粉探伤或其他无 损检测设备。 金相组织检验 淬火后一般得到马氏体组织，由于奥氏体化温度不同，马氏体形态的大小不一样， 一般分为 8 级，1 级属于奥氏体化温度偏低，淬火组织是是隐晶马氏体+细针状马氏 体和不大于 5%的铁素体。而 8 级属于过热组织，是粗大的板条状马氏体+片状马氏 体。正常淬火是 2 至 4 级，其组织委细小的板条马氏体+片状马氏体。之后用金相显 微镜观察，确定所属等级。 表面淬火后的金相组织按马氏体大小分为 10 级，4 到 6 级是正常组织，为细小马氏 体，1 到 3 级是粗大或中等大小的马氏体，因淬火加热温度偏高引起，7 到 10 级组 织中有未溶铁素体或网状托氏体。
21、之后用金相显微镜观察，确定所属等级。 3.2.5 热处理工艺曲线图 时间/h O 温度/ 920 930 800 180 2h 4h 1h 油淬 炉内降温 空冷 图 3.6 热处理工艺曲线总图 4.分析与讨论 4.1 材料的组织性能 12CrNi3 钢在 860第一次淬火加热时，碳化物的熔解少，基体的含碳量在 0.10%- 0.17%左右，Cr 在 0.6%-0.9%，硫和磷的碳化物熔解更少，Ni 为主要元素。12CrNi3 叶片泵轴由 900920渗碳780800油 淬(-40)(-70)冰冷处理 150200回火（低温）后，渗碳层硬度 HRC58。渗碳层碳化物扩散层较浅， 约 0.15mm
22、。淬透性 d50mm，心部组织较粗大。渗碳层碳化物扩散层较深，约 0.30mm0.45mm，渗碳层硬度由表及里递减平缓，心部组织较细小。明显的变形量 产生于热处理工序，尤其是在渗碳淬火冷却过程中，渗碳淬火处理时，稍有不慎会 受到一些不良因素的影响，使工艺加工质量出现异常波动，未及时发现就可能造成 这一天加工的整批泵轴变形超差，甚至全部报废。需要着重控制的几个主要因素是 ： 渗碳轴的表面碳浓度，渗层深度会对渗层组织的膨胀系数产生影 响，渗碳轴的 表面碳浓度、渗层深度不同时，其公法线的变形就不 一样 。如果渗碳时不对炉气 时间/h 0.5h 碳势及工艺过程进行严格控制，每炉零件的表面碳浓 度 、
23、渗层深度都不一样而 且波动很大，就会造成轴变形没有规律 。 装炉方式：工件各部位冷却的不同步，决定了工件存在内应力，在一定条件下会 产生变形 。 淬火温度：共渗温度与淬火温度对变形有很大影响，共渗温度与淬火温度越高， 花键孔的收缩量越大，且淬火温度的影响更明显。这是因为淬火温度越高，产生的 组织应力越大、变形越大，但淬火温度不宜过低 ，否则共渗层会出现非马氏体组织， 对零件的性能不利 。 淬火介质：淬火介质的冷却特性是影响泵轴缩孔的重要因素。如果能合理地选择 淬火介质，可把淬火泵轴的缩孔控制在工艺，条件规定的范围内。通过长期摸索， 得到合适的热处理工艺，可以将变形量控制到最小。 4.2 热处理
24、缺陷分析 硬度过高，其产生的可能原因：冷却速度快，组织中珠光体片间距变细，可以通 过调整冷却方式或冷却介质来预防；保温时间短，组织均匀化为完成，可以适当 延长保温时间；装炉量大，炉温不均匀，可以适当减小装炉量。重新退火，严格 控制工艺参数，可消除硬度过高缺陷 过热及过烧，其产生的原因如下：加热温度过高，使晶界氧化或局部熔化。防止措 施：（1）防止零件在加热过程中产生过热现象，根据选用的设备制定正确合理的热 处理工艺参数；（2）在操作过程中严格控制加热温度、保温时间，或采取预热等降 低加热速度的措施，尽可能消除晶粒长大的因素。 氧化、脱碳，产生原因：加热时炉温较高，过剩空气量大，炉内气氛呈氧化性
25、。对 策：避免加热温度过高，避免保温时间过长控制炉气为中性或还原性气氛铸 件表面涂防氧化涂料或石灰采用防护罩或铁屑、木炭，将铸件与炉气隔离 裂纹，产生原因：铸件入退火炉前有较大内应力；铸件入炉时炉温过低，或低 温时加热速度过快，产生的热应力较大。对策：严格控制入炉温度，低温阶段加热 速度应缓慢 变形，产生原因：支垫不良（支点少，未垫实）； 加热温度不均匀，冷速过快， 热应力过大；摆放不正，或工件与工件互相挤压；对策：合理增加支点，仔细 垫实；薄壁箱体类件上部避免压工件；铸件成垛装炉，支垫面不得有飞边、毛刺、 凸起物；入炉前，先划线检查；装炉时，针对变形情况支压刚出炉件不得吊放 在风中冷却。 回
26、火缺陷的原因和控制 回火硬度偏高：由于回火不足，即回火温度低、回火时间不够。可以提高回火温度、 延长回火时间来解决。 回火硬度低：由于温度过高或淬火组织中有非马氏体。可以降低回火温度和淬火工 艺来解决。 回火硬度不均匀：回火炉温不均、装炉量过多造成。 网状裂纹：回火加热速度过快，表层产生多项拉应力。可以采用较慢的回火加热速 度。 回火开裂：淬火后未及时回火形成显微裂纹。可以减少淬火应力，并在淬火后及时 回火。 四.结束语 通过分析可知，12CrNi3 钢经淬火低温回火或高温回火后都具有良好的综合力学性 能，钢的低温韧性好，缺口敏感性小，切削加工性能良好，当硬度为 HB260320 时， 相对切
27、削加工性为 60%70 另外，钢退火后硬度低、塑性好，因此，既可以采用切 削加工方法制造模具，也可以采用冷挤压成型方法制造模具。为提高模具型腔的耐 磨性，模具成型后需要进行渗碳处理，然后再进行淬火和低温回火，从而保证模具 表面具有高硬度、高耐磨性而心部具有很好的韧性，该钢适宜制造大、中型塑料模 具，但该钢有回火脆性倾向和形成白点的倾向。目前导致模具损坏的因素很多，但 主要的还是锻造工艺或热处理工艺不尽合理而造成的。12CrNi3 是高级渗碳钢，与 15Cr、20Cr 钢相比，其强度、塑性、淬透性均高。主要用来制作重负荷条件下要求 高强度，高硬度和高韧性的主轴及要求中心韧性很高或承受冲击负荷、表
28、面耐磨、 热处理变形小的轴、杆以及在高速和冲击负荷下工作的各种传动齿轮、调节螺钉、 凸轮轴。零件的综合性能处理与组成其本身的元素基体外，最主要的影响因素是热 处理工艺。通过良好的热加工工艺，可以有效的将合金材料的综合性能提高。从而 使零件的寿命得以延长，从而获得更好的效益。 参 考 文 献 1 陈光等. 航空燃气涡轮发动机结构设计. 北京：北京航空学报出版社，1988 2 徐颖强.赵宁.吕国志.航天硬化泵轴材料性能研究.机械科学技术，2002,21 （4）:602606 3 崔忠圻.覃耀春.金属学与热处理，2007,5：123124，283284. 4 陈宗民统计方法在铸造工序及产品质量中的应
29、用J.铸造设 备研究，2003，f51：2225 5 杨满.实用热处理技术手册，机械工业出版社，2008,6： 119-120 6热处理标准化技术委员会.金属热处理标准应用手册.机械工业出版社.1994-8 7吉泽升，张雪龙.热处理炉.哈尔滨工程大学出版社.1999-1 热处理工艺卡片 产品型号 12CrNi3 叶片泵 轴 零（部）件图号 A3 热处理工艺卡 产品名称 叶片泵 零（部）件名称 叶片泵轴 材料牌号 12CrNi3 零件重量 1kg 工艺路线 锻造正火机加工渗碳淬火回火矫直机加工 技术条件 检验方法 硬化层深度 0.7-1.0mm 金相法检测 硬度 58-63HRC 洛氏硬度检测
30、58-63HRC 合格 金相组织 表面：回火 M+碳化物 心部：P 光学金相显微镜 力学性能 表面高硬度高耐磨性，心 部韧性好 维氏检测 简图： 允许变形量 0.15mm 同轴度检验 冷却工序号 工序名称 设备 装炉方式 及数量 装炉 温度 加热 温度 加热时间 h 保温时间 h 介质 温度 时间 h 工时 （h） 1 正火 RX3-15-9 室温 920 2 2 空气 室温 - - 2 渗碳 RQ3-60-9 930 930 - 4 空气 800 - - 3 淬火 淬火槽 800 800 - 0.5 油 室温 - - 4 回火 RQ3-60-9 随挂具装 炉 12 个/批 室温 180 0.5 1 空气 室温 - - 编制人 周万宇 编制日期 2015.12.25 审核日期 2015.12.25
