第十三章-热处理工艺设计

1第13章热处理工艺设计热处理原理与工艺第13章热处理工艺设计2第13章热处理工艺设计导读3第13章热处理工艺设计概述最佳的热处理工艺方案应满足设计及使用性能的要求，还具有最高点生产率，最少的工序周转和最佳的经济效益。为此：对各种热处理工艺有深入的了解和熟练的掌握，对机械零件的设计，零件的加工工艺过程有充分的了解。4第13章热处理工艺设计热处理工艺与零件设计的关系零件设计，包括根据服役条件选择材料、确定结构、几何尺寸、传动精度及热处理技术要求5第13章热处理工艺设计13.1热处理构件结构形状要求13.1.1根据零件服役条件合理选择材料及提出技术要求一、根据零件服役条件合理选择材料不能只按照材料手册中的性能选择材料，考虑尺寸因素的影响；调质状态的零件6第13章热处理工艺设计7第13章热处理工艺设计8第13章热处理工艺设计二、合理确定热处理技术条件根据零件服役条件，恰当提出性能要求；热处理要求只能订在所选钢号淬透性和可硬性允许的范围之内；热处理要求应该允许有一定的热处理变形；考虑经济效果9第13章热处理工艺设计10第13章热处理工艺设计13.1.2、零件结构设计与热处理工艺性的关系零件结构直接影响热处理工艺的实现，注意；1、零件热处理加热冷却时便于装卡，吊挂；2、有利于热处理时均匀加热和冷却；3、避免尖角，棱角。11第13章热处理工艺设计12第13章热处理工艺设计13第13章热处理工艺设计13.2热处理工艺与热加工工艺的关系机器零件，往往经过毛胚制造、切屑加工、热处理等工艺来完成。热处理工序的安排，有的是便于成型加工，有的是为了消除别种加工工序的缺陷；提高机器使用性能。安排：适当的位置，如其他工序的之前，中间或末尾14第13章热处理工艺设计13.2.1锻造工艺对热处理质量的影响锻造加热的影响；锻造比不足或锻打方法不当时的影响；锻造变形不均匀性的影响；15第13章热处理工艺设计13.2.2切削加工与热处理的关系热处理可改善切削加工性能，提高表面光洁度，提高道具寿命材料应具有一定”脆性“，易于断屑，但又不能使刀具磨损大；合适硬度HB187～220切削加工或磨削加工后的痕迹，影响应力大小，甚至造成裂纹；16第13章热处理工艺设计13.2.3工艺路线对热处理的影响17第13章热处理工艺设计13.3加工工艺之间的组合与复合热处理减少成本，提高质量的目的，可进行复合加工；如，锻后余热淬火（形变强化和相变强化结合）形成形变热处理新工艺；不同热处理工艺之间也可以组合起来，获得更优异的性能18第13章热处理工艺设计13.3.1形变热处理概念：将塑性变形和热处理有机结合，以提高材料力学性能的复合工艺称为－－分类：1）相变前变形的形变热处理；2）相变中进行变形的3）相变后变形的19第13章热处理工艺设计相变前变形的形变热处理:a）在奥氏体稳定区域变形后，进行淬火，得马氏体（高温形变热处理）；b)在亚稳奥氏体区域变形后进行淬火，使之发生马氏体相变（低温形变热处理），可大幅提高强度c)在亚稳定区域变形后进行贝氏体或珠光体转变（等温形变等温淬火），结果塑性较好20第13章热处理工艺设计2）相变中进行变形的a)马氏体相变中的形变热处理，能在保证塑性的前提下保证强度，用于高锰钢，奥氏体不锈钢等；b)珠光体或贝氏体转变中形变的形变热处理；这种处理在提高强度的同时，得到极为优异的冲击韧性；21第13章热处理工艺设计3）相变后变形的形变热处理a)马氏体的形变，对马氏体进行室温形变，然后进行200℃左右的时效，可获得极高得强度，适用于制造高强度得中小型零件；b)回火马氏体的形变；c)珠光体或贝氏体的形变，主要用于快速球化退火及冷拔钢丝；22第13章热处理工艺设计形变热处理的强化机制1）细化奥氏体晶粒，改变淬火后的形态及结构；2）使钢中碳化物颗粒变细，分布弥散均匀；3）改变脆性相的数量及分布、从而减弱结构钢的可逆和不可逆回火脆性。23第13章热处理工艺设计13.3.2复合热处理复合热处理：为了充分发挥不同化学热处理的特点及各种热处理方法所能达到的优良性能，发展起来的对工件实施两种以上化学热处理，或化学热处理与其他热处理的工艺；24第13章热处理工艺设计1、渗氮整体淬火高碳钢工件，在渗氮后再加以整体（淬透）淬火，可以获得高硬度、高疲劳极限、高耐性及良好的抗腐蚀性能。表面获得高的压应力；方式：先在500～700℃温度范围内渗氮，然后再中性介质或吸热性气氛中加热淬火；在含有活性氮原子的气氛中淬火加热，与此同时渗氮然后淬火冷却、冷处理、低温回火GCr15在含氮气氛中(40|H2,2CO,40N2,5NH3),于850℃淬火加热35分钟，油冷，可在深达0.25～0.38mm的表层获得残余压应力。25第13章热处理工艺设计2、渗氮高频加热表面淬火渗氮后进行感应加热表面淬火，可以使渗氮时的白亮层消失，获得细小含氮马氏体，表面硬度很高，硬化层大，疲劳强度也好。26第13章热处理工艺设计27第13章热处理工艺设计3、渗碳加高频淬火齿轮类零件，渗碳加高频淬火，可得到沿齿轮廓分布的硬化层，变形小；渗碳淬火加上低温渗流工艺相结合，可得到更高的耐磨性；28第13章热处理工艺设计13.4热处理工艺设计的步骤和方法设计要求：方案应保证达到零件使用性能所提出的热处理技术要求，质量稳定可靠，工序简单，操作容易，管理方便，生产效率高，原材料消耗少，生产成本低廉。步骤：根据性能及技术要求，提出可能的几种方案，首先从能达到的性能要求，工艺操作的简繁及质量可靠性分析比较，再根据批量，设备条件等进行综合技术经济分析，确定最佳热处理工艺方案。29第13章热处理工艺设计例子：东方红40拖拉机驱动轴，如图根据服役条件，设计选用材料为40Cr或45Cr。热处理技术要求是：调质，硬度HB269~305，金相组织无游离铁素体，轴承颈处及花键部位高频淬火，硬度HRC53以上，淬硬层深度不小于1.5mm，马氏体5～6级。30第13章热处理工艺设计方案1工艺路线：锻造－毛坯调质－加工成型－Φ90圆柱面及花键处高频淬火。分析：优点是工艺简单，调质是不需考虑氧化脱碳问题；缺点是加工余量大，调质效果不好。31第13章热处理工艺设计方案2工艺路线：锻造－粗车及鉆Φ23孔(留加工余量)－调质－加工成型(包括扩Φ23孔)－Φ90圆柱面、锥度及花键部分高频淬火。分析：优点是克服了第一方案的调质效果不良，以及锥度与花键交界面危险断面处恰好是高频淬火影响处的弱点，其使用性能大为改观。缺点是加工余量大，增加了加工工序和加工工序周转，延长了生产周期，对调质工序和加热时氧化、脱碳控制要求较严，高频淬火时，锥度部分需要圆角淬火,高频操作比较复杂，质量不稳定。32第13章热处理工艺设计方案3方案：改正整体结构为组合结构，把整体分解为法兰盘和花键轴，花键轴为通花键，与法兰盘用花键连接；工艺路线：法兰盘：锻－调质－加工成型－Φ90外圆高频淬火－拉削花键孔；花键轴：棒料鉆孔－调质－加工成型－花键中频淬火。33第13章热处理工艺设计优点：省料，在大量生产中花键轴可以订购管材；调质效果好，基本上与该钢种的临界直径相适应；感应加热淬火工艺单一，操作方便、质量稳定。花键中频淬火，深度达到4.5~5mm，疲劳强度提高。缺点：增加了法兰盘拉削内花键孔的工艺，但省去了锻造拔制锥度及花键部分直径的工序，简化了花键轴的加工。34第13章热处理工艺设计实践结果采用第一种工艺时，由于强度比较低，当与行星架锥度紧配合时，茶馆女子锥度部分与法兰盘连接处发生剪切断裂；锥度部分配合不好，载荷主要靠花键传递时，剪切应力大大超过，驱动轴将在花键根部迅速剪切断裂，寿命更低；第三种方案，实验结果表明，与第一方案相比，疲劳寿命大幅度提高，条件疲劳极限扭矩提高到原来的2.8倍，极限应力幅度提高至原来的4.5倍。田间实验500小时，没出现断裂现象。第三种制造成本提高不多，而寿命大幅度提高，总的经济效果是良好的。