【正文】 中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 第 1 頁(yè) 共 23 頁(yè) 1 前言 熱處理工藝是金屬材料工程的重要組成部分。通過熱處理可以改變材料的加工工藝性能，充分發(fā)揮材料的潛力，提高工件的使用壽命。這次課程設(shè)計(jì)是在《材料科學(xué)基礎(chǔ)》、《金屬熱處理工藝學(xué)》、《金屬力學(xué)性能》、《失效分析》等課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上開設(shè)的，是理論與實(shí)踐相結(jié)合的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。通過該課程設(shè)計(jì)我們?cè)诰C合運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)能力方面得到訓(xùn)練，學(xué)會(huì)獨(dú)立分析問題和解決問題的方法，提高工程設(shè)計(jì)意識(shí)和工程設(shè)計(jì)能力。 總的來說本次熱處理與工藝課程設(shè)計(jì)的目的有三個(gè)，（ 1）初步掌握典型零件部件生產(chǎn)工藝過程；（ 2）掌握典型零件的選材、熱處理原則和工藝指定原理；（ 3）理論聯(lián)系實(shí)際，綜合運(yùn)用基礎(chǔ)課及專業(yè)課程多方面的知識(shí)去認(rèn)識(shí)和分析零部件熱處際問題，培養(yǎng)解決問題的能力。 熱處理工藝是機(jī)械加工過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它與工件設(shè)計(jì)及其加工工藝之間存在密切關(guān)系。如何實(shí)現(xiàn)工件設(shè)計(jì)時(shí)提出的幾何形狀和加工精度，滿足設(shè)計(jì)時(shí)所要求的多種性能指標(biāo)，熱處理工藝制定的合理與否，有著至關(guān)重要的作用。設(shè)計(jì)熱處理工藝之前，應(yīng)該準(zhǔn)確分析零件圖，分析其工作條件，使用性能，技術(shù)要求等，才能為下一步材料的選擇做準(zhǔn)備。根據(jù)上一步的分析和對(duì)各種金屬材料的學(xué)習(xí)，選擇幾種常用材料，并進(jìn)行對(duì)比選擇，選出最佳的材料進(jìn)行下一步的工藝制定。 要想設(shè)計(jì)出合理的熱處理工藝，必須了解所選材料的合金化原理，相變溫度以及零件的服役條件，技術(shù)要求等，從而制定出合理的退火、正火、淬火、回火的工藝參數(shù)。此外合理的選擇熱處理設(shè)備也是重點(diǎn)之一，準(zhǔn)確的選擇加熱和冷卻設(shè)備可以確保有效的利用資源。熱處理工藝的最佳方案可以保證零件達(dá)到使用性能及質(zhì)量穩(wěn)定可靠、工序簡(jiǎn)單、管理方便、生產(chǎn)效率高、原材料消耗少、生產(chǎn)成本低廉，并能能到節(jié)能、環(huán)保的要求。但是單一的熱處理工藝方案通常情況是很難達(dá)到這幾個(gè)方面的要求，所 以可以根據(jù)零件的技術(shù)要求，通過幾種熱處理工藝方案的合理結(jié)合達(dá)到。任何零件在進(jìn)行完熱處理工藝后都會(huì)產(chǎn)生各種程度的缺陷，所以最后的檢驗(yàn)是非常必要的，通過檢驗(yàn)才知道是否符合我們的技術(shù)要求，我們通過分析這種因素后才能確定出一種最佳的方案。 中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 第 2 頁(yè) 共 23 頁(yè) 2 零件圖分析 圖 1 柱塞 零件圖 零件的服役條件 該零件是一個(gè)柱塞泵柱塞的零件，該零件是細(xì)小的軸類零件，形狀規(guī)則，尺寸精度、形位精度要求均較高。柱塞和套筒是柴油機(jī)噴油泵最主要構(gòu)件，在使用時(shí)，燃油中的雜質(zhì)和磨料會(huì)隨同燃油以很高的壓力和流速?zèng)_刷柱塞副的工作表面并造成異常磨損。柱塞的主要功能是傳遞小動(dòng)力，其工作時(shí)需要承受不大的沖擊載荷，不過要求有較高的強(qiáng)度和剛度。由于表面會(huì)磨損，所以必須有足夠的硬度和耐磨性。 零件的實(shí)效條件 對(duì)于材料來說，其失效形式主要有：斷裂、疲勞脫落及磨損等形式。 零件的性能要求 柱塞在使用過程中要求表面硬度高，為滿足這 一條件，可選用含碳量較低的合金結(jié)構(gòu)鋼，低碳合金結(jié)構(gòu)鋼用于滲碳件，通過表面滲碳淬火獲取所需材料，使其表面具有較高硬度，而心部硬度不高，具有較高韌性。 3 材料的選擇 合金結(jié)構(gòu)鋼常用于機(jī)器零件用的合金鋼，常采用的合金元素 Mn、 Cr、 Si、 Ni、W、 V、 Ti、 B 等，這些元素可增加鋼的淬透性，并使晶粒細(xì)化，這樣可以是大截面零件經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，在整個(gè)截面上獲得強(qiáng)韌結(jié)合的力學(xué)性能，同時(shí)，因淬透性的提高，可采用冷卻烈度較小的油類來淬火，從而減少淬火時(shí)的裂紋和變形傾向。 中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 第 3 頁(yè) 共 23 頁(yè) 選材 20Cr 鋼常用來制造負(fù)荷不大、小尺寸的一般滲碳件，如小軸、小齒輪、活塞銷等，也可在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下使用，制造工作速度較大并承受中等沖擊載荷的零件。這個(gè)鋼在滲碳時(shí)易過熱，表面也容易出現(xiàn)滲碳體網(wǎng)。 20CrMnTi 是應(yīng)用最廣泛的合金滲碳鋼，用于截面在 30mm 以下、高速運(yùn)轉(zhuǎn)并承受中等或重載荷的重要滲碳件，如汽車、拖拉機(jī)的變速齒輪、軸等零件。 20Cr2Ni4 鋼用作大截面、較高載荷、交變載荷下工作的重要滲碳件，如內(nèi)燃機(jī)車的主動(dòng)牽引齒輪、柴油機(jī)曲軸等。 20CrMnTi 是低碳合金鋼，該鋼具有較高的機(jī)械性能，在滲碳淬火低溫回 火后，表面硬度為 5862HRC，心部硬度為 3045HRC。此外， 20CrMnTi 的工藝性能較好，由于合金元素 Ti 的影響，對(duì)過熱不敏感，故在滲碳后可直接降溫淬火，且滲碳速度較快，過渡層較均勻，滲碳淬火后變形小，適合于制造承受高速重載及沖擊、摩擦的重零件，因此選用 20CrMnTi 鋼是比較合適的。 20CrMnTi 鋼化學(xué)成分及合金元素作用 20CrMnTi 鋼化學(xué)成分見下表 表 1 化學(xué)成分表 C Mn Si Cr S ～ ～ ～ ～ ≤ 化學(xué)元素作用 Cr 元素 : 主要是提高鋼的淬透性 , Cr 元素固溶強(qiáng)化基體組織，并改善基體組織的回火性能和硬度。 Mn 元素：主要是提高鋼的淬透性， Mn 元素從基體組織中擴(kuò)散到析出的滲碳體中，形成合金滲碳體 ,改善其硬度。 Ti 元素：主要是為了細(xì)化晶粒。 20CrMnTi 鋼相變點(diǎn) 中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 第 4 頁(yè) 共 23 頁(yè) 表 2 的相變點(diǎn) 相變點(diǎn) Ac1 Ac3 Ar1 溫度 730℃ 820℃ 690℃ 4 確定零件加工路線 加工工藝主要包括機(jī)械加工和熱處理工藝。機(jī)械加工是指通過機(jī)械加工精確去除多余材料的加工工藝。它直接改變毛坯的形狀、尺寸和表面質(zhì)量等，使其成為零件的過程稱為機(jī)械加工工藝過程。熱處理是將金屬材料放在一定的 介質(zhì) 內(nèi)加熱、保溫、冷卻，通過改變材料表面或內(nèi)部的金相 組織結(jié)構(gòu) ,來控制其性能的一種金屬熱加工工藝。 工藝流程為：下料 —— 鍛造 —— 預(yù)備熱處理 —— 機(jī)械加工 —— 滲碳 —— 淬火—— 回火 —— 機(jī)械加工 。 5 熱處理工藝方法的選擇 預(yù)備熱處理 對(duì)預(yù)備熱處理的改進(jìn)主要有等溫退火或等溫正火以及先退火后正火等工藝方法。等溫退火或等溫正火是先將鋼加熱到 43 點(diǎn)以上，然后冷卻到等溫溫度進(jìn)行等溫處理。再以不同冷卻速度進(jìn)行退火或正火的預(yù)處理工藝。退火后再正火可以使坯體組織細(xì)小均勻。而通過等溫正火可以消除帶狀組織、降低硬度，對(duì)齒輪的加工處理及性能都有好的影響。 正火與退火工藝相比，其主要區(qū)別是正火的冷卻速度稍快，所以正火熱處理的生產(chǎn)周期短。故退火與正火同樣能達(dá)到零件性能要求時(shí)，盡可能選用正火。大部分中、低碳鋼的坯料一般都采用正火熱處理。一般 合金鋼 坯料常采用退火，若用正火，由于冷卻速度較快，使其正火后硬度較高，不利于切削加工 。 所以在此選用正火對(duì) 低碳 鋼進(jìn)行預(yù)備熱處理。