【正文】 中北大學(xué)課程設(shè)計說明書 第 1 頁 共 23 頁 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，是理論與實踐相結(jié)合的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。通過該課程設(shè)計我們在綜合運用所學(xué)專業(yè)知識能力方面得到訓(xùn)練，學(xué)會獨立分析問題和解決問題的方法，提高工程設(shè)計意識和工程設(shè)計能力。 總的來說本次熱處理與工藝課程設(shè)計的目的有三個，（ 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)系實際，綜合運用基礎(chǔ)課及專業(yè)課程多方面的知識去認識和分析零部件熱處際問題，培養(yǎng)解決問題的能力。 熱處理工藝是機械加工過程中的一個重要環(huán)節(jié)，它與工件設(shè)計及其加工工藝之間存在密切關(guān)系。如何實現(xiàn)工件設(shè)計時提出的幾何形狀和加工精度，滿足設(shè)計時所要求的多種性能指標，熱處理工藝制定的合理與否，有著至關(guān)重要的作用。設(shè)計熱處理工藝之前，應(yīng)該準確分析零件圖，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備。根據(jù)上一步的分析和對各種金屬材料的學(xué)習(xí)，選擇幾種常用材料，并進行對比選擇，選出最佳的材料進行下一步的工藝制定。 要想設(shè)計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)備也是重點之一，準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到使用性能及質(zhì)量穩(wěn)定可靠、工序簡單、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到這幾個方面的要求，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)合達到。任何零件在進行完熱處理工藝后都會產(chǎn)生各種程度的缺陷，所以最后的檢驗是非常必要的，通過檢驗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)計說明書 第 2 頁 共 23 頁 2 零件圖分析 圖 1 柱塞 零件圖 零件的服役條件 該零件是一個柱塞泵柱塞的零件，該零件是細小的軸類零件，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噴油泵最主要構(gòu)件，在使用時，燃油中的雜質(zhì)和磨料會隨同燃油以很高的壓力和流速沖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力，其工作時需要承受不大的沖擊載荷，不過要求有較高的強度和剛度。由于表面會磨損，所以必須有足夠的硬度和耐磨性。 零件的實效條件 對于材料來說，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，并使晶粒細化，這樣可以是大截面零件經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，在整個截面上獲得強韌結(jié)合的力學(xué)性能，同時，因淬透性的提高，可采用冷卻烈度較小的油類來淬火，從而減少淬火時的裂紋和變形傾向。 中北大學(xué)課程設(shè)計說明書 第 3 頁 共 23 頁 選材 20Cr 鋼常用來制造負荷不大、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。這個鋼在滲碳時易過熱，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、高速運轉(zhuǎn)并承受中等或重載荷的重要滲碳件，如汽車、拖拉機的變速齒輪、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)燃機車的主動牽引齒輪、柴油機曲軸等。 20CrMnTi 是低碳合金鋼，該鋼具有較高的機械性能，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：主要是為了細化晶粒。 20CrMnTi 鋼相變點 中北大學(xué)課程設(shè)計說明書 第 4 頁 共 23 頁 表 2 的相變點 相變點 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械加工和熱處理工藝。機械加工是指通過機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 —— 機械加工 —— 滲碳 —— 淬火—— 回火 —— 機械加工 。 5 熱處理工藝方法的選擇 預(yù)備熱處理 對預(yù)備熱處理的改進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 點以上，然后冷卻到等溫溫度進行等溫處理。再以不同冷卻速度進行退火或正火的預(yù)處理工藝。退火后再正火可以使坯體組織細小均勻。而通過等溫正火可以消除帶狀組織、降低硬度，對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到零件性能要求時，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 低碳 鋼進行預(yù)備熱處理。