GCr15轴承钢的热处理工艺设计

热处理工艺课程设计说明书课程名称：金属热处理工艺学设计题目：GCr15轴承钢的热处理工艺设计院系：机械工程学院班级：材料成型及控制工程XXXX学号：091101100学生姓名：idealwang指导教师：黄老师-2-热处理工艺课程设计任务书设计题目GCr15轴承钢的热处理工艺计学生姓名Idealwang院系专业机械工程学院材料XXXX设计要求：1.相变点的确定2.热处理工艺参数的制定3.热处理设备的选择4.组织特点和性能的分析5.夹具的设计或选用6.工艺卡片填写学生应完成的工作：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，说明书中要求对各种热处理工序的工艺参数的选择依据和各种热处理后的显微组织作出说明。任务下达日期：2011年12月19日任务完成日期：2011年12月26日答辩日期：指导教师：黄新学生签名：-3-目录1热处理工艺课程设计的目的--------------------42零件的技术要求及选材------------------------42.1工作条件和技术要求-------------------------42.2材料的选择---------------------------------52.3化学成分及合金元素的作用-------------------63热处理工艺课程设计的内容及步骤---------------73.1相变点的确定----------------------------------73.2热处理工艺----------------------------------83.2.1工艺流程-------------------------83.2.2热处理工艺参数的制定-------------103.2.3处理工艺卡片填写---------------------123.2.4作过程中的注意事项------------------------------123.3家具的设计或者选用及零件的摆布------------------------133.4热处理设备的选择-----------------------163.5组织特点和性能的分析------------------------------164总结---------------------------------------------215收获和体会---------------------------------236参考文献-----------------------------------237附表1热处理工艺卡-------------------------25-4-§1热处理工艺课程设计的目的热处理工艺课程设计是高等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）培养学生综合运用所学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、热处理设备选用和夹具设计等。（3）进行热处理设计的基本技能训练，如计算、零件绘图和学习使用设计资料、手册、标准和规范。因此，本课程设计要求我们综合运用所学知识来解决生产实践中的热处理工艺制定问题，包括工艺设计中的细节问题，如设备的选用，夹具的设计等。要求我们设计工艺流程，这需要翻查大量的文献典籍。如何灵活使用资料、手册，怎样高效查找所需信息，以及手册的查找规范和标准等，均不是一蹴而就的事情，需要我们在实践中体会并不断地总结，才能不断进步。材料热处理工艺课程设计是培养材料专业学生在热处理原理方面能力的重要环节，纸上谈兵是经不起考验的，扎实的理论唯有通过实践才能够证明，且科学的实践能够有效巩固甚至发展原有的理论，因此，本课程设计通过给出20余种不同牌号的材料，要求学生以个人（允许讨论）或组队的方式完成热处理工艺的设计，对学生巩固已学热处理知识、学习使用工具书、增强团队合作意识等是大有裨益的。§2零件的技术要求及选材2.1工作条件和技术要求轴承广泛用于柴油机、拖拉机、机床、汽车和火车等各种机械设备与车辆上，它有轴承内套、外套、滚动体和保护器四部分组成的。内套紧装于主轴上，随轴一起转动。而外套则装在轴承座中静止不动，在轴转动过程中，内套和滚动体发生转动和滚动，在高速运动下服役，承受点或线的接触的周期性的高压交变载荷和应力的作用，因此容易-5-造成局部应力集中。随着科学技术的发展，一些特殊用途的轴承想着高转速、高负荷、高温、低温、特大型、特小型、低噪声发展。例如，轴承转速Dn值已达到4000000r/min；承受局部接触应力达4000MPa；工作温度达600℃以上；超低温度达到-350℃；有的轴承最大直径达4.1m、质量达到7700kg；办公室自动化机器等小型轴承则要求抑制噪声。滚动体和内外套三者之间既呈现滚动又呈现滑动，故会产生滚动摩擦和滑动摩擦，因此在分析上述过程中可知，滚动轴承的损坏形式为接触疲劳破坏和磨损，要求滚动体与内外套应具有高的抗疲劳性能和耐磨性，有良好的尺寸稳定性，才能确保轴承高的使用寿命。所以轴承钢的零件热处理后的硬度要求见JB/T1255-2001标准规定，套圈硬度一般为57～65HRC；钢球硬度一般为58～66HRC，滚子硬度一般为57～65HRC。以球轴承为例。图1.向心球轴承及其载荷分布情况2.2材料的选择本课程设计所要求的轴承钢为高碳铬钢。轴承工作时，套圈与滚动体之间呈点接触或线接触，承受着集中的周期性交变载荷，并在其高速运转中，同时存在着滚动摩擦和滑动摩擦。因此疲劳断裂和磨损是轴承破坏的主要形式。基于轴承的工作条件和破坏形式，对轴承钢的性能提出以下要求：具有高的接触疲劳强度和抗压强度；具有高的弹性极限和屈服极限；具有一定的韧性；据有良好的尺寸稳定性；具-6-有一定的抗腐蚀性能；具有高而均匀的硬度与耐磨性；具有良好的工艺性能。根据其性能要求，在材料选择上，也注意以上几点，通常选用高铬轴承钢来制造轴承零件，如GCr15。其含碳量为0.95%～1.05%，铬元素的含量为0.5%～1.65%,确保高硬度的要求。铬元素的加入明显提高了钢的淬透性，同时细化了晶粒，淬火后在马氏体晶体基体上分布细小的、均匀的碳化物，不会出现纤维状的碳化物。铬还能提高低温回火的稳定性。因此适合制造轴承。2.3化学成分及合金元素的作用GCr15为常用的高碳铬钢的一种，是应用最广泛的的一种轴承钢，用于制造中小型轴承，也可以制造部分大型轴承。表1.GCr15钢化学成分（%）钢号CSiMnCrGCr150.95~1.050.15~0.350.25~0.451.40~1.65MoPS≤0.10≤0.025≤0.025表2.GCr15钢常温下的物理性能硬度HV抗拉强度MPa纵向弹性模数/MPa平均线膨胀系数a/℃-1密度g．cm-3材料热处理7721569～18612100000.0000017.85淬火GCr15所含元素的作用：碳保证轴承在淬火和低温回火后得到高硬度、高耐磨性和高的接触疲劳性能。铬可以增加淬透性，还能部分溶于渗碳体形成较稳定的合金渗碳体，热处理后得到的细小的均匀的碳化物，对提高钢的耐磨性，尤其是对提高解除疲劳强度十分有利。铬还能提高马氏体的低温回火稳定性，热处理后得到均匀的高硬度，从而有效地提高钢的耐磨性。硅、锰以进一步提高淬透性，适合制造大轴承。但是锰会增加-7-钢的过热倾向，含量过高会引起残留奥氏体量增加。硅还会增加钢中氧化夹杂，故需要加以限制。钼主要作用是提高钢的淬透性，改善力学性能，特别是具有提高韧性的效果。此外还可以提高钢的耐磨性和渗碳性能，钼含量在此类钢中一般在1.00%以下。磷、硫严格控制有害元素磷和硫量，磷在加热时会促使晶粒长大，并增加钢的脆性，降低硬度、增加淬火开裂倾向。硫会增加钢中硫化夹杂。§3热处理工艺课程设计的内容及步骤3.1相变点的确定GCr15轴承钢是一种高碳铬钢，当向高碳铬轴承钢加入硅和锰合金元素后，它的多元状态图变得更加复杂了。硅的作用主要是引起相变点A1、A3、Acm升高，从而使状态图的A区趋于封闭；锰的作用则是引起S点左移，并使A1、A3下降，Acm升高，造成A区扩大。钢中硅几乎全部溶入固溶体中，而锰除一部分溶入固溶体之外，其余则形成渗碳体型碳化物（Fe，Cr，Mn）3C。通过查找资料，可知Fe-C-Cr状态图上含1.6%Cr的垂直截面：图2.Fe-C-Cr状态图上含1.6%Cr的垂直截面-8-表3.GCr15钢的临界点项目Ac1AcmAr1Ms温度/℃7459007002403.2热处理工艺3.2.1工艺流程及目的铬轴承钢零件的产生工艺路线一般如下:轧制→正火→球化退火→机械加工→淬火→冷处理→低温回火→磨加工→附加回火→成品1.正火工艺如果毛坯锻造工艺不当，出现沿奥氏体晶界析出的二次网状碳化物和条状珠光体组织，因为它们在随后的球化退火过程中不能完全消除，从而影响零件的使用寿命，所以先采用正火工艺来消除这些组织。有粗大的网状碳化物的GCr15钢，采用900～950℃的加热温度，工件透热后保温40～60min，正火。若正火的加热温度过高，在冷却过程中也易析出网状碳化物，故需要采用较快的冷却速度。在油或水中冷却时，冷至500℃时应取出，以免产生裂纹。正火的目的:改善或消除网状碳化物，提高冲击韧度。退火时过热组织的返修。细化原始组织，为提高抗回火稳定性做准备2.球化退火工艺经过锻造后的工件，如果其显微组织为细片状珠光体，则可直接进行球化退火。其目的是：降低硬度，便于切削加工，获得均匀的分布的细颗粒珠光体、为淬火做好准备，改善热处理的综合力学性能，消除加工硬化，增加塑性。GCr15钢通常采用等温退火。其工艺是将刚才加热到780～810℃，保温3～6个小时，然后-9-再690～750℃，保温4个小时以上，以便组织全部球化。790℃被认为最佳的球化加热温度。因为加热温度过高，大量碳化物溶解，球化结晶核心少，球化后为粗大的球状珠光体或部分片状组织；加热温度偏低，球化退火后组织中仍保留尚没转变的片状珠光体。最佳的等温球化退火工艺如图:图3.高碳铬轴承钢等温球化退火工艺曲线球化退火的目的:使片状珠光体转变为细粒珠光体，为淬火准备良好的原始组织。降低硬度使其易于切削加工。提高塑性使其易于冷拉、冲压、冷辗。3.淬火工艺一般采用淬火和低温回火，其目的是提高钢的强度、硬度、耐磨性与抗疲劳性能。GCr15钢的淬火温度为820～860℃，温度太高，就会出现过热组织，使轴承的韧性和疲劳强度下降；温度过低，奥氏体中溶解Cr、C数量减少，影响淬火后的硬度。轴承工件的淬火组织中马氏体和残余奥氏体是不稳定相，室温下停留时间过久，将会导致工件尺寸发生变化，使轴承的精度降低，所以，轴790±10700随炉降温550℃出炉温度温度/℃0时间≥3h≥4h-10-承淬火后，应及时采用160℃±10℃的低温回火，回火时间一般为2～4个小时。淬火的目的:充分发挥材料的各种综合性能潜力，提高硬度、强度、耐磨性、接触疲劳性能等，并为回火提供优良的马氏体组织，以便最终获得最佳综合强韧化的性能。4.冷处理对于精密轴承零件，冷处理是淬火的继续，目的是让淬火后的残留奥氏体转变为马氏体，从而减少残留奥氏体量，以提高零件的尺寸稳定性。冷处理工艺的温度一般为-60～-80℃，保温时间为2～4小时，冷处理后恢复到室温在4小时内进行回火，以防止零件开裂。冷处理的目的:使淬火过程中未能充分转变的残留奥氏体继续向马氏体转变，除能提高零件的尺寸稳定性，还能略微提高零件的硬度和防锈性能。有时也能利用马氏体比体积大这一原理用冷处理来挽救因尺寸缩小而报废的产品。5.回火的目的:零件淬火后必须及时进行回火。回火可以减少并稳定残余应力，稳定组织，避免裂纹和变形，适当降低硬度而大幅度提高韧性，使零件最终获得最佳配合的综合强韧性的力学性能和尺寸稳定性。6.附