1、1前言 这次课程设计主要是制定典型零件的生产工艺，是以金属热处理原则、 金属热处理工艺学和金属材料学为基础的一门综合课程设计。从本次课 程设计中，我们可以获得综合运用所学的基本理论、基本知识、基本技能，独立 分析和解决实际问题的能力；培养严肃、认真、科学的工作作风和勇于进取开拓 的创新净胜。通过本次课程设计，可以使我们初步掌握零部件生产工艺过程；掌 握典型零件的选材、热处理原则和工艺制定原理；理论联系实际，综合运用基础 课及专业课程多方面的知识去认识和分析零部件热处理生产过程的实际问题，培 养解决问题的能力。 热处理工艺是整个机器零件和工模具制造的一部分，热处理是通过改变钢的 内部组织结构，以
2、改善钢的性能，通过适当的热处理可以显著提高钢的机械性能， 延长机器零件的使用寿命。合理的热处理工艺方案，不但可以满足设计及使用性 能的要求，而且具有最高的劳动生产率，最少的工序周转和最少的经济效果。 通过课程设计是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 待加工零件（胶质木模）图 表面渗碳深度：0.81.0mm，硬度要求：5054HRC，畸变量要求为 0.1mm。 2.1 零件的服役条件、失效形式及性能要求 （1）服役条件：该零
3、件为一胶质木模，属于塑料模具，主要用于压制电气胶 木衬板。模具型腔表面直接与塑料接触，经受其压力、温度、摩擦、和腐蚀等作 用。 （2）失效形式：模具在工作过程中要反复受到压力、循环的热负载以及摩擦 和腐蚀，因此其失效形式主要有型腔表面的磨损、型腔表面的热疲劳、模具型腔 的塑性变形以及型腔表面的腐蚀。 （3）性能要求：模具的表面粗糙度要低，尺寸精度和配合精度要求高，在工 作过程中具有一定的硬度，不容易变形。 3. 材料的选择 模具产品的质量不仅关系到生产制品的质量和性能，而且直接影响着工业的 生产效率和成本。 为满足以上所述的模具的耐磨性，较高的强度，耐腐蚀性，心部韧性等良好 的综合性能要求，通
4、常采用合金渗碳钢，因为普通钢如 45，55 或 10，20 钢渗碳 后淬透性较差心部组织强度韧度不足只能用作小批量，低精度，小尺寸模具，无 法胜任较大载荷较大批量生产的周期性冲击。塑料模具的选择可参考下表： 表 1 塑料模具材料的选用 工作条件 推 荐 材 料 小批量、低精度、小尺寸模具 45、 55 或 10、20 钢渗碳、40Cr、低熔点合金、锌基合金、有色金属及其合金等 较大载荷、较大批量的模具 20Cr、12CrNi3A（渗碳） 大型、复杂、大批量的注射模和 挤压成型模 3Cr2Mo、4Cr3Mo3SiV、5CrNiMo、 5CrMnMo、4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1 热固
5、性成型塑料模具及要求高耐 磨高强度塑料模具 9Mn2V、7CrMn2WMo、CrWMn、MnCrWV、 Cr2Mn2SiWMoV、Cr5WV、Cr12MoV、Cr12 耐腐蚀和高精度的塑料模具 4Cr13、9Cr18、Cr18MoV、Cr14Mo、Cr14Mo4V 复杂、精密、高耐磨塑料模具 25CrNi3MoAl、18Ni-250、18Ni-300、18Ni-350 3.1 渗碳钢的主要指标性能 3.1.1 用途 渗碳钢主要用于制造要求高耐磨性、承受高接触应力和冲击载荷的重要零件， 如汽车、拖拉机的变速齿轮，内燃机上的凸轮轴、活塞销等。 3.1.2 性能要求 (1)表面渗碳层硬度高，以保证优
6、异的耐磨性和接触疲劳抗力，同时具有适当 的塑性和韧性。 (2)心部具有高的韧性和足够高的强度。心部韧性不足时，在冲击载荷和过载 作用下容易断裂；强度不足时，则教脆的渗碳层容易碎裂、剥落。 (3)有良好的热处理工艺性能。在高的渗碳温度下（900950）下，奥氏 体晶粒不易长大，并有良好的淬透性。 3.1.3 成分特点 低碳：含碳量一般为 0.10.25，以保证心部有足够的塑性和韧性，含碳量 高则心部韧性下降。 合金元素：主加元素为 Cr、Mn、Ni、B 等，它们的主要作用是提高钢的淬透 性，从而提心部的强度和韧性；辅加元素为 W、Mo、V、Ti 等强碳化物形成元素， 这些元素通过形成稳定的碳化物
7、来细化奥氏体晶粒，同时还能提高渗碳层的耐磨 性。 3.2 渗碳钢的选用 常用的渗碳钢有 20Cr、12CrNi3、20CrMnTi、20Cr2Ni4A 等。它们在淬火后 在一定的温度范围内都可以达到硬度为 5054HRC 的要求，但最终选择要依靠材 料的淬透性、加工工艺、能耗、成本等决定。综合这些因素可以考虑 20Cr 和 12CrNi3 这两种材料。 （1）20Cr 钢是在 20 钢基础上，为提高其性能，加入 0.71.0 百分之 Cr 而成。 由于金属铬的加入提高了钢的淬透性，而且铬又是强化铁素体元素，溶于铁素体 中亦可起到强化作用，因而提高了渗碳件心部强度。由于淬透性高，在淬火时即 可采
8、取较缓慢的冷却剂即可，从而减小零件的淬火变形。这种钢大多用于制造心 部强度要求较高，表面承受磨损、截面在 30mm 以下或形状复杂而负荷不大的渗 碳零件（油淬），如：机床变速箱齿轮、齿轮轴、凸轮、蜗杆、活塞销、爪形离 合器等；对热处理变形小和高耐磨性的零件，渗碳后应进行高频表面淬火，如模 数小于 3 的齿轮、轴、花键轴等。此钢也可在调质状态下使用，用于制造工作速 度较大并承受中等冲击负荷的零件，这种钢还可以用作低碳马氏体淬火用钢，更 进一步增加钢的屈服强度和抗拉强度（约增加 1.51.7 倍）。 （2）12CrNi3A 钢是航空工业上使用的较广泛的渗碳钢，它属于珠光体类钢， 属于中淬透性渗碳钢
9、。一般用于制造重要齿轮，重要的联接螺杆，轴类零件，活 塞涨圈，调节螺钉，传感器传动杆，固定销等渗碳件。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 6070。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 白点倾向。 对比上述两种材料，
10、综合考虑各方面因素，可以优先选择 20Cr 作为胶质木模 的加工材料。 3.3 20Cr 的主要性能数据 材料名称：合金渗碳钢 牌号：20Cr 标准：GB/T3077-1988 3.3.1 特性及适用范围 强度和淬透性较高的 20Cr 钢，韧性较差；焊接性较好，焊后一般不需热处理。 用于心部强度要求较高和表面承受磨损、尺寸较大的、或形状较复杂而负荷不大 的渗碳零件，如齿轮、齿轮轴、凸轮、活塞销、蜗杆等。 3.3.2 化学成分 表 2 20Cr 主要合金元素含量 合金 元素 C Si Mn S P Cr 含量 0.180.24 0.170.37 0.500.80 允许参与含量 0.035 允许参
11、与含量 0.035 0.701.00 3.3.3 力学性能 表 3 20Cr 的主要力学性能 性能 指标 抗拉强度 Rm（MPa ） 屈服强度 Re（MPa） 伸长率 A（） 断面收缩 Z（） 冲击功 Ak（J） 冲击韧性 ak（J/cm2 ） 硬度 数值 835（ 85 ） 540（ 55） 10 40 47 59（6） 179 3.3.4 热处理规范及金相组织 热处理规范：淬火：第一次 890，油冷；回火 200，空冷。20Cr 钢比相 同含碳量的碳素钢的强度和淬透性都明显的高；油淬到班马氏体硬度的淬透度为 2023mm。这种钢淬火低温回火后具有良好的综合力学性能，低温冲击韧性良 好，回火
12、脆性不明显。渗碳是钢的晶粒有长大倾向，所以要求二次淬火以提高心 部韧性，不宜降温淬火。当正火硬度为 HB170217 时相对切削加工性约为 65，焊接性中等，焊前应预热到 100150，冷变形是塑性中等。该钢使用于 制造中、小型塑料模具。为了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很高硬度、高耐磨性 而心部具有很好的韧性。对于使用寿命不很高的模具，也可以直接进行调质处理。 3.4 元素作用分析 碳（C ）：钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑形和冲击性降低， 当碳含量0.23%时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金钢结构钢，含
13、碳 量一般不超过 0.20%。碳含量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，此外，碳能增加 钢的冷脆性和时效敏感性。 锰（Mn）：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰 0.300.50% 。在碳素钢中加入 0.70%以上时就算“锰钢” ，较一般的钢不但有足够 的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬透性，改善钢的热加工性能。含锰 1114% 的钢有极高的耐磨性。但是，锰量增高，钢的抗腐蚀能力减弱，焊接性 能降低。 硅（Si）：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有 0.150.30% 的硅。如果钢中含硅量超过 0.500.60%,硅就算合金元素。硅能显著 提高钢的弹性极限，屈
14、服点和抗拉强度，故广泛用于作弹簧钢。在调质结构钢中 加入 1.01.2%的硅，强度可提高 1520%。硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐 蚀性和抗氧化的作用，可制造耐热钢。含硅 14%的低碳钢，具有极高的导磁率， 用于电器工业做矽钢片。硅量增加，会降低钢的焊接性能。 铬（Cr）：在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同 时降低塑性和韧性。铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是不锈钢，耐热 钢的重要合金元素。 磷（P）：在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能 变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。因此通常要求钢中含磷量小于 0.045%，优质 钢要求更低些。 304
15、 不锈钢管 硫（S）：硫在通常情况下也是有害元素。使钢产生热脆性，降低钢的延展性 和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。所以 通常要求硫含量小于 0.055%，优质钢要求小于 0.040%。在钢中加入 0.08-0.20%的 硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。 4. 确定加工路线 塑料模具热处理包括预备热处理和最终热处理。要求处理后模具材料有适中 的工作硬度易于加工；有足够的强度和韧性；较小的淬火变形量，型腔表面容易 抛光；及一定的耐蚀性和耐热性。根据 20Cr 材料性能以及加工要求，可初步确定 其加工路线为：备料锻造退火粗加工（留加工余量 10mm）渗碳淬火
16、 回火精加工 5. 热处理工艺方法选择 5.1 退火工艺 退火目的：作为预先热处理的步骤，退火可以使经过铸造、锻轧或切削加工 的材料或工件软件，改善塑性和韧性，使化学成分均匀化，去除残余应力，或得 到预期的物理性能。 退火方法：退火的一个最主要工艺参数是最高加热温度（退火温度），大多 数合金的退火加热温度的选择是以该合金系的相图为基础的，如碳素钢以铁碳平 衡图为基础。各种钢（包括碳素钢及合金钢）的退火温度，视具体退火目的的不 同而在各种钢种的 Ac3 以上、Ac 1 以上或以下的某一温度。各种非铁合金的退火温 度则在该合金的固相线温度以下、固溶度线温度以上或以下的某一温度。 5.2 渗碳 渗碳
17、型塑料模具用钢的热处理对渗碳层的要求，一般渗碳层厚度 0.81.5mm，渗碳层的含碳量为 0.71.0 （质量分数）为佳；渗层不允许有粗 大的未溶碳化物，网状碳化物，晶界内氧化等缺陷。 渗碳温度一般在 900920，保温时间为 510h。 5.3 淬火 淬火的目的是为了消除渗碳层的晶粒，并获得细针状或隐晶状马氏体和粒状 碳化物组织，从而使工件具有高的硬度、耐磨性和疲劳强度。 5.4 回火 回火（低温回火），在最终淬火后进行，其目的是为了减少或者消除渗碳层 中的残余奥氏体，并是渗碳层中的淬火马氏体转变为回火马氏体，以提高钢的韧 性，保持淬火马氏体的高硬度和高耐磨性，降低淬火应力和脆性。一般钢铁回
18、火 时，硬度和强度下降，塑性提高。回火温度越高，这些力学性能变化越大。 6. 制定热处理工艺制度 6.1 预备热处理（退火） 将金属加热到一定温度，保持足够时间，然后以适宜速度冷却（通常是缓慢 冷却，有时是控制冷却)的一种金属热处理工艺。退火工艺随目的不同而又多种， 如重结晶退火、等温退火、均匀化退火、球化退火、再结晶退火等等。 重结晶退火：应用于平衡加热和冷却时有固态相变(重结晶)发生的合金。其退 火温度为各该合金的相变温度区间以上或以内的某一温度。加热和冷却都是缓慢 的。合金于加热和冷却过程中各发生一次相变重结晶，故称为重结晶退火，常被 简称为退火。 这种退火方法，相当普遍地应用于钢。钢的
19、重结晶退火工艺是：缓慢加热到 Ac3（亚共析钢）或 Ac1（共析钢或过共析钢）以上 3050，保持适当时间，然 后缓慢冷却下来。通过加热过程中发生的珠光体（或者还有先共析的铁素体或渗 碳体）转变为奥氏体（第一回相变重结晶）以及冷却过程中发生的与此相反的第 二回相变重结晶，形成晶粒较细、片层较厚、组织均匀的珠光体(或者还有先共析 铁素体或渗碳体) 。退火温度在 Ac3 以上（亚共析钢）使钢发生完全的重结晶者， 称为完全退火，退火温度在 Ac1 与 Ac3 之间 (亚共析钢 )或 Ac1 与 Acm 之间（过共 析钢），使钢发生部分的重结晶者，称为不完全退火。前者主要用于亚共析钢的 铸件、锻轧件、
20、焊件，以消除组织缺陷（如魏氏组织、带状组织等），使组织变 细和变均匀，以提高钢件的塑性和韧性。后者主要用于中碳和高碳钢及低合金结 构钢的锻轧件。此种锻、轧件若锻、轧后的冷却速度较大时，形成的珠光体较细、 硬度较高；若停锻、停轧温度过低，钢件中还有大的内应力。此时可用不完全退 火代替完全退火，使珠光体发生重结晶，晶粒变细，同时也降低硬度，消除内应 力，改善被切削性。 重结晶退火也用于非铁合金，例如钛合金于加热和冷却时发生同素异构转变， 低温为 相(密排六方结构 )，高温为 相（体心立方结构），其中间是“+”两 相区，即相变温度区间。为了得到接近平衡的室温稳定组织和细化晶粒，也进行 重结晶退火，即
21、缓慢加热到高于相变温度区间不多的温度，保温适当时间，使合 金转变为 相的细小晶粒；然后缓慢冷却下来，使 相再转变为 相或 + 两相 的细小晶粒。 查工艺手册得 20Cr 的 Ac3 为 838，20Cr 属于亚共析钢，所以其完全退火的 温度是 Ac3+3050，即为 868888，基本与工艺手册 860880相符。保温时 间 68h，炉冷至 200出炉空冷，退火后硬度小于 140HRC。 表 4 塑料模具用钢的退火工艺 加热 等温钢号 温度/ 时间/h 温度/ 时间/h 冷却方式 退火后硬 度（HBS） 10,20 890910 46 炉冷至 200出 炉空冷 134 15Cr，20Cr 86
22、0880 68 炉冷至 200出炉空冷 140 40，40Cr 820840 2 炉冷至 500出炉空冷 168 6.2 渗碳 渗碳工艺有气体渗碳固体渗碳和液体渗碳。常用的渗碳工艺是气体渗碳。气 体渗碳工艺生产率高，劳动条件好，比较容易控制渗碳过程，渗碳质量好，在生 产中应用广泛。气体渗碳使工件在气体介质中进行碳的渗入过程的方法。气体渗 碳具有加热时间段，可在渗碳后直接淬火，可以通过控制气氛，来获得一定的碳 度的渗碳层等优点。 表 4 强渗时间、扩散时间及渗碳层深度 气体渗碳通常在井式渗碳炉中进行，甲醇作为稀释剂，煤油具有价格低廉， 渗碳能力强的特点，因而选煤油作为渗碳剂。图 3 为煤油-甲醇
23、滴注式渗碳工艺曲 线。 不同温度下的强渗时间要求的渗 层深度 /mm （92010 ）/ (93010)/ (94010)/ 强渗后 的渗层深度 /mm 扩散 时间/h 扩散 后的渗层 深度/mm 0.4-0.7 40min 30min 20min 0.20-0.25 1 0.5-0.6 0.6-0.9 1.5h 1h 30min 0.35-0.40 1.5 0.7-0.8 0.8-1.2 2h 1.5h 1h 0.45-0,55 2 0.9-1.1 由哈里斯公式： ；-保温时间/h ；T- 热力学温度/K；T372016.80 有上述条件得出 T=944 ，基本符合所要求的渗碳温度。 渗碳是
24、通常温度控制为 900920，对于煤油-甲醇滴注式渗碳工艺通常渗碳 温度为 920940（93010 ）。 根据技术条件要求，全脱碳层深度为 1.21.4mm，取排气时间 1h，表 4 渗碳 时间、深度的相关参数所示，在要求的渗层深度为 0.81.0mm，渗碳温度为 （93010），由表得到其强渗时间为 2h，扩散时间为 2h。 图 2 煤油-甲醇滴注式渗碳工艺曲线图 6.3 淬火工艺的制定 查资料得 20Cr 的临界点如下表 5 所示： 表 5 20Cr 临界点 钢号 Ac1 Ac3 Ar1 Ms 20Cr 766 815 702 799 920110 强渗 2 100 130 扩散 2 0
25、.5 20-40 130 130 1 00 130 140130 140 80010 160-180 2.5 温度/ 煤油/滴 min 甲醇/滴/min 时间/h 10 6.3.1 淬火加热规范的确定 根据淬火定义，实现淬火过程的必要条件是加热温度必须高于临界点以上 （亚共析钢 Ac3，过共析钢 Ac1），以获得奥氏体组织。20Cr 属于亚共析钢，故 其加热温度只需高于 853。另外偏高的淬火温度可以使工件加热速度加快，表面 氧化减少，而且能提高工作效率。因此加热温度可选 860880。 淬火加执时间，应包括工件整个截面加热到预定淬火温度，并使之该温度下 完成组织转变、碳化物溶解和奥氏体成分均
26、匀化所斋的时向。 常用经验公式为：=kD 式中 加热时间，min ； 加热时间系数，min/mm； K 工件装炉量修正系数；通常取 1 01.5； D工件有效厚度，mm。 工件的有效厚度为 50mm，加热系数 和装炉修正系数 k 分别见表 6 和表 7。 对于 20Cr 钢，a=1.5-1.8，k=1，则 =(1.5-1.8)1.050=75-90min，为了使碳化 物充分溶解和奥氏体成分均匀化，对合金钢加热时间应充足，取加热时间 t=90min。 表 6 常用钢的加热系数（min/mm） 工件材料 直径/mm 600气体 介质炉中预热 750-850盐 浴炉中加热或 预热 800-900气
27、体介质炉中加 热 1100-1300盐 浴炉中加热 50 0.3-0.4 1.0-0.2 碳素钢 50 0.4-0.5 1.2-1.5 50 0.45-0.5 1.2-1.5 低合金钢 50 0.5-0.55 1.5-1.8 高合金钢高速钢 0.35-0.40 0.3-0.35 0.3-0.35 0.65-0.85 0.17-0.2 0.16-0.18 表 7 工件装炉修正系数 工件装炉位置 装炉系数 K 工件装炉位置 装炉系数 K 1 1 1 1.4 2 4 0.5d 1.4 0.5d 2.2 2d 1.3 1d 2.0 1.7 2d 1.8 对于形状复杂，要求畸变形小，或用合金钢制造的大型
28、铸锻件，必须控制加 热速度以保证减小淬火畸变及开裂倾向，一般采用预热加热。对于形状简单的中、 低碳钢直径小于 100mm 的中低合金结构钢可直接到温入炉加热。(若工件直径比 较大，形状较复杂，则需要选用预热加热，一般以 30-70/h 速度升温到一定温度， 保温一段时间，再以 50-100/h 迅速升温。 6.3.2 淬火冷却方法 介质的选择，首先应按工件所采用的材料及其淬透层深度的要求来选择，凡 是淬火烈度大于按淬透层深度所要求的淬火烈度的淬火介质都可采用；但是从淬 火应力变形开裂的角度考虑，淬火介质的淬火烈度越低越好，综合这两方面的要 求，选择淬火介质的第一个原则应是在满足工件淬透层深度要
29、求的前提下，选择 淬火烈度最低的淬火介质。因为 20Cr 淬透性低，故应先在空气中预冷到 750左 右，再转入 80-100的热油中冷却，停留 10-12min 后空冷。 6.4 回火 模具淬火后要及时的进行回火处理，以免在应力的作用下造成模具变形甚至 开裂的现象。 6.4.1 回火保温时间 回火时间一般从工件入炉后升温至回火温度是开始计算，一般为 1-3h，可参 考经验公式加以确定： t=K+AD 式中：T 回火时间（ min）、K 回火时间基数、 A回火时间系数、D 工件有效厚度（mm ） 。由于工件的有效厚度是 50-75mm，选择保温时间为 2h 左右。 表 8 低温回火保温时间参数
30、有效厚度 （mm） 25 2550 5075 75100 100125 125150 保温时间 （min） 3060 60120 120180 180240 240270 270300 6.4.2 回火温度及冷却介质 20Cr 是渗碳型模具钢，综合实际操作性和经济性，回火即可达到技术要求。 根据回火温度的不同，分为低温回火、中温回火、高温回火三种。 （1）低温回火（150250），组织是回火马氏体，和淬火马氏体相比，回 火马氏体既保持了钢的高硬度、高强度和良好耐磨性，又适当提高了韧性。硬度 为 6165HRC ，主要用于高碳钢，合金工具钢制造的刃具、量具、模具及滚动轴 承，渗碳、碳氮共渗和表面
31、淬火件等。 （2）中温回火（350500），组织为回火屈氏体，对于一般碳钢和低合金 钢，中温回火相当于回火的第三温度区，此时碳化物开始聚集，基体开始回复， 淬火应力基本消除。硬度为 3550HRC，具有高的弹性极限，有良好的塑性和韧 性，主用于弹性件及模具处理。 （3）高温回火（500650），组织为回火索氏体，硬度为 220330HBS。淬火和随后的高温回火称为调质处理，经调质处理后，钢具有优 良的综合机械性能。因此，高温回火主要适用于中碳结构钢或低合金结构钢，用 来制作汽车、拖拉机、机床等承受较大载荷的结构零件，如曲轴、连杆、螺栓、 机床主轴及齿轮等重要的机器零件。因为配油盘需要进行调质处
32、理，所以选择高 温回火。 综上所述，我选择低温回火。 图 3 胶质木模的热处理工艺曲线 7. 热处理设备选择 根据热处理工艺方法、零件尺寸、产品批量及技术要求选择相应的热处理设 备。常用的热处理加热设备按能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（650-1000）和低温炉（650）。其 中以中温箱式炉最为常用。生产上常用的加热设备有电阻炉、浴炉、气体渗碳炉、 920940 回火 空冷 油冷 2h 完全退火 渗碳 860880 淬火 4h 860880 1.5h 时间/h 温度/ 160180 2h 高频感应加热设备等。炉型的选择应依据不同的工艺要求及工件的
33、类型来决定。 热处理设备的选择要从经济性、可靠性、配套性、安全性以及工厂的实际情况等 进行选择。 7.1 完全退火热处理炉的选择 根据 20Cr 钢完全退火、球化退火的加热温度均小于 900，所以选择中温箱 式电阻炉。中温箱式电阻炉可用于退火、正火、回火或固体渗碳等。表 9 为各型 号中温箱式电阻炉的参数。 表 9 中温箱式电阻炉产品规格及技术参数 炉温 850时的指标 型号 功率/kW 电压/V 相数 最高工作温度 炉膛尺寸长 宽高 mmmmmm 空载 损耗 空炉升 温时间 最大装 载量 RX3-15-9 15 380 1 950 600350250 5 2.5 80 RX3-30-9 30
34、 380 3 950 950450350 7 2.5 200 RX3-45-9 45 380 3 950 1200400600 9 2.5 400 RX3-60-9 60 380 3 950 1500750450 12 3 700 RX3-75-9 75 380 3 950 1800900550 16 3.5 1200 综合炉子的运行、可靠性、性能、寿命、经济性以及零件的尺寸等因素。退 火处理时选用 RX3-15-9 型号箱式电阻炉。其结构简图如图 3 所示： 图 4 45KW 中温箱式电阻炉 1-炉底板 2-电热元件 3-炉衬 4-配重 7.2 渗碳工艺的热处理炉的选择 通过查热处理手册（如
35、表 10），最终选择的是 RQ3-60-9 井式气体渗碳炉 （如图 4）。 表 10 井式渗碳炉产品规格及技术参数 炉温 950时的指标 型号 功率/kW 电压/V 相数 额定温 度 工作空间尺寸 （直径深度） /mm 空载 损耗 空炉升 温时间 最大装 载量 RQ3-25-9 25 380 1 950 300450 7 2.5 50 RQ3-35-9 35 380 3 950 300600 9 2.5 40 RQ3-60-9 60 380 3 950 450600 12 2.5 150 RQ3-75-9 75 380 3 950 450900 14 2.5 220 RQ3-90-9 90 3
36、80 3 950 600900 16 3 400 图 5 井式气体渗碳炉 7.3 淬火工艺的热处理炉选择 由于淬火的温度在 860，故应选择中温箱式电阻炉，这种箱式电阻炉一般 可用于小批量工件的淬火、正火、退火等常规热处理。下表所示产品规格及技术 参数可选择的电阻炉是 RX3-15-9 型电阻炉。 表 11 中温箱式电阻炉产品规格及技术参数 炉温 1300时的指标 型号 功率/KW 电压 /V 相数 最高工 作温度 / 炉膛尺寸（长 宽 高） /（mmmmmm） 空载耗能 /KW 空炉升温 时间 /h 最大装载 量 /kg RX3-15-9 15 380 3 950 600300250 5 2
37、.5 80 RX3-30-9 30 380 3 950 950450350 7 2.5 200 RX3-45-9 45 380 3 950 1200600400 9 2.5 400 7.4 回火工艺加热炉的选择 由于回火时无特殊工艺要求，加热炉完全可以选择与淬火炉一样，这样操作 起来也更方便，所以选择是 RX3-15-9 型电阻炉。 8. 工装设计 8.1 热处理夹具的选择 热处理夹具的选择原则: 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复合热处理技术要求时，确保设备具 有高的生产能力。夹具应具有质量轻，
38、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； 热处理夹具和料盘用钢应从温度、装载条件、加热速度、冷却速度、炉气组 分及工作炉炉型等因素综合生产运行和经济方面来确定热处理夹具用钢。 8.2 热处理夹具的确定 8.2.1 渗碳时夹具的选择 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 证零件热处理质量复合热处理技术要求时，确保设备课程设计说明书具有高的生 产能力，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。 图 6
39、 井式炉用单件吊具 8.3 清洗设备的选择 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选用相 应的清洗设备。 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
40、杆式和往复式等各类专用清洗设 备。根据生产特点，小批量的中小型零件，可选择室式清洗机，它主要用于批量 不大的中小零件。 9. 检验设备及方法选择 9.1 硬度检测 洛氏硬度试验是目前应用最广的试验方法，但它与布氏硬度不同，不是测定 压痕的直径，而是测量压痕的深度。它以深度值 t 表示材料的硬度指标，金属愈 硬则压痕深度 t 愈小；反之则 t 愈大。如果直接以 t 的大小作为硬度指标，将与人 们对硬度大小的概念矛盾，为此人们取一常数 K 减去压痕深度 t，即（K-t）作为 硬度值的指标，并规定每 0.002mm 为一个洛氏硬度单位，用符号 HR 表示，则洛 氏硬氏值为：R=(K-t)/0.002
41、 ，这样便可在表盘上直接读出洛氏硬度之。 所用的压头是金刚石圆锥，预载荷为 100N，总载荷为 1000N。适用于薄钢板、 表面硬化层为中等厚度的钢、珠光体可锻铸铁等。三爪卡盘的淬硬层深度为 12mm，HRC55 60，用此压头测量硬度是合适的。 9.2 渗层深度检测 总氮碳共渗层深度为 0.8mm1.0mm。测定方法有硬度法和金相法，且两种 方法同等有效。对于薄层的情况，用硬度法测量时试验力较小，规行为 1.962.94N。在技术要求中若提出以硬度法作为仲裁结果，或硬化层对侵蚀剂不 敏感时可采用显微硬度法。渗层深度（有效硬化层）检测在 100 倍显微镜上观察， 也可在维氏硬度计上观察，将基准
42、线紧贴靠在试样被检测面的外边缘，旋动移动 手柄，将活动线停在过渡区的 1/2 处，读取基准线与活动线之间的间距数，除以 100 即为渗层深度。 9.3 无损检测 无损检测是在不损坏零件的条件下检验材料内部及表面缺陷，或者对硬度及 硬化层深度进行检查。所有经过热处理件必须进行外观及畸变检查，不允许有开 裂、烧伤、腐蚀等缺陷。 常用的无损检测技术有：射线探伤、超声检测、渗透探伤等。利用 X 射线或 射线在穿透被检物各部分时强度衰减的不同，检测被检物的缺陷。若将 受到不同程度吸收的射线投射到 X 射线胶片上，经显影后可得到显示物体厚度变 化和内部缺陷情况的照片。如用荧光屏代替胶片，可直接观察被检物体
43、的内部情 况。 10. 热处理缺陷分析 热处理是由几个阶段组成的，这几个阶段的作用各不相同，在每个阶段产生 的缺陷也各不相同，因此要结合热处理的工艺流程、采用的设备、冷却及冷却方 式、回火温度等，具体地分析零件的热处理缺陷。 101 加热过程中产生的缺陷分析及对策 10.1.1 钢的氧化与脱碳 钢在氧化性气氛中加热，零件的表面将产生氧化层，并且随着炉内氧含量的 增加和加热温度的提高，氧化层深度会不增加，因此在实际热处理过程中要将氧 化性气氛消除并确保工艺温度符合技术要求。 钢的脱碳是指钢件在加热处理过程中，由于炉内脱碳性气氛与钢表面的碳原 子发生化学反应，即钢表面的碳原子部分或全部被烧掉。因此
44、降低了其表面的含 碳量，从而影响到零件表面质量和力学性能。在无保护加热时造成脱碳点是不可 避免的。脱碳后的表面组织为铁素体，内部为奥氏体组织，在淬火后二者转变为 马氏体过程中表面产生拉应力作用，将会造成表面的变形和开裂，表面硬度抗拉 强度和疲劳强度等普遍下降，出现零件的早期失效。因此必须避免脱碳的发生。 控制表面氧化脱碳的方法可归为两类： 一是改变加热介质的成分和性质，即是在加热处理时要严格控制加热炉中的 氧气、二氧化碳、水蒸气等气体。防止其与工件铁与碳发生化学反应而得到控制。 二是工件在加热过程中与炉气隔绝。比如采用涂料保护，确保零件的无氧化 和脱碳加热，或将零件埋入磺砂，采用铸铁屑封箱等方
45、式，或在还原气氧中进行 加热，或采用盐浴等特殊的加热方式，均可有效地避免零件氧化与脱碳。 10.1.2 过热和过烧 过热是零件在热处理过程中，由于超过淬火加热温度过高或在高温下停留过 长等，使零件在奥氏体迅速长大以致力学性能量显著下降，或晶粒显著长大的现 象称为过热。一般规律，如果钢材加热温度超过预定的奥氏体化温度 150 摄氏度 以上，就称为过热。其特征是淬火后马氏华晶粒粗大，将会引起淬火零件的变形 和开裂，而且还会造成零件机械强度降低，韧性显著下降。 影响过热的因素可归纳为以下几点：（1）材料组织不良，如在锻造后退火球 化组织不合格，或碳化物偏析，有网状碳化物；（2）热时温度过高或保温时间
46、过 长，造成晶粒急剧长大；（3）件在加热过程中受热不均匀，造成零件局部过热现 象； 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。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； （2）过多次正火和退火不细化晶粒，为重新进行热处理做好组织上的准备。 过烧是金属和合金在氧化性气氛中加热，由于加热温度在 120 摄氏度以上， 使奥氏华在晶界发生严重氧化，甚至熔化的现象，称为过烧。过烧造成组织粗化， 并在晶界间形成氧化物，以致于晶界之间的强度很低，脆性大，在外界条件下造 成沿晶断裂，无法满足零件力学
47、性能的要求。而使零件报废。因此要严格控制加 热炉气氛介质、热温度和设备等，确保避免零件过烧的现象发生。 10.2 淬火、回火过程中缺陷的分析及对策 10.2.1 淬火硬度低 淬火致使模具表面硬度低，达不到额定要求的原因如下：（1）淬火温度低或 淬火温度过高，保温时间短；（2）预热时间过短或预热温度过低；（3）原材料 存在严重的石墨化或存在粗颗粒的碳化物；（4）冷却介质选择不当，淬火时冷却 速度过慢；（5）零件在加热时受热不均匀。 为了避免淬火硬度低的现象产生可采用如下方法：（1）选择合理的锻造工 艺；（2）正确选择钢种；（3）严格控制淬火工艺；（4）控制盐浴水分；（5） 选择合适的回火温度。
48、10.2.2 淬火变形 导致模具淬火变形有以下几种原因：（1）工件形状不对称；（2）机械加工 导致应力过大，在淬火前未消除；（3）加热和冷却不均匀；（4）工件加热时加 持不当。 避免淬火变形的可采用以下几种措施：（1）选用合适的冷却介质，使工件 受热均匀；(2）控制工件的冷却速度。 10.2.3 淬火裂纹 导致模具淬火裂纹有以下几种原因： （1）模具形状特殊，厚度不均，带尖 角和螺纹孔等；（2）未经中间退火而再次淬火；（3）淬火后未及时回火；（4） 回火不足；（5）磨削操作不当。（6）防止工件产生淬火裂纹可采用以下防止方 法：（7）堵塞螺纹孔，填补尖角，包扎危险截面和薄壁处采取分级淬火；（8） 返修或翻新模具时，须进行退火或高温回火；（9）及时回火；（10）保证回火时 间，合金钢应按要求次数回火。 10.2.4 脆性大 导致工件回火后脆性大的原因有以下几种：（1）钢材内在质量(碳化物偏析 级别大等) ；（ 2）原始组织粗大；（3）淬火温度过高或保温时间过长；(4）在回 火脆性区内回火；(5）回火温度偏低或回火时间不足； 控制模具脆性大的措施有以下几种方法：（1）严格控制钢材内在质量； （2）经适当的预先热处理，改善组织；（3）正确掌握加热温度和加热时间； （4）尽量避免在回火脆性区内回火；（5）选定合适的回火工艺。 10.3 渗碳过程中可能产生的缺陷 硬度偏低：生产实践
