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熱處理工藝設(shè)計(jì)
50CrVA鋼調(diào)速彈簧的 熱處理工藝設(shè)計(jì)
1 熱處理工藝課程設(shè)計(jì)的意義
熱處理工藝課程設(shè)計(jì)是高等工業(yè)學(xué)校金屬材料工程專業(yè)一次專業(yè)課設(shè)計(jì)練習(xí)，是熱處理原理與工藝課程的最后一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。其目的是：
（1）培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的熱處理課程的知識(shí)去解決工程問題的能力，并使其所學(xué)知識(shí)得到鞏固和發(fā)展。
（2）學(xué)習(xí)熱處理工藝設(shè)計(jì)的一般方法、熱處理設(shè)備選用和裝夾具設(shè)計(jì)等。 （3）進(jìn)行熱處理設(shè)計(jì)的基本技能訓(xùn)練，如計(jì)算、工藝圖繪制和學(xué)習(xí)使用設(shè)計(jì)資料、手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。
2 熱處理課程設(shè)計(jì)的任務(wù)
①普通熱處理工藝設(shè)計(jì) ②特殊熱處理工藝設(shè)計(jì) ③制定熱處理工藝參數(shù) ④選擇熱處理設(shè)備
⑤設(shè)計(jì)熱處理工藝所需的掛具、裝具或夾具 ⑥分析熱處理工序中材料的組織和性能 ⑦填寫工藝卡片
3 50CrVA調(diào)速彈簧的技術(shù)要求及選材
3.1 技術(shù)要求
50CrVA鋼噴油泵調(diào)速彈簧技術(shù)要求如下：
硬度：HRC46～51
3.2 零件圖
噴油泵調(diào)速彈簧的零件如圖3.1所示。
圖3.1 噴油泵調(diào)速彈簧
3.3 材料的選擇
3.3.1 零件用途
噴油泵調(diào)速彈簧，利用彈簧的受力形變和恢復(fù)來調(diào)節(jié)氣門的開合，從而調(diào)節(jié)噴油泵的噴油速度與噴油量。 3.3.2 工作條件
（1）噴油泵調(diào)速彈簧工作時(shí)，要承受高應(yīng)力。
（2）噴油泵調(diào)速彈簧要承受高頻率往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 （3）噴油泵調(diào)速彈簧要在較高的溫度下工作。 3.3.3 性能要求
彈簧的性能要求為如下幾個(gè)方面：
力學(xué)性能：由于彈簧是在彈性范圍內(nèi)工作，不允許有永久變形。要求彈簧材料有良好的微塑性變形能力，即彈性極限、屈服極限和屈強(qiáng)比要高。
理化性能方面：噴油泵調(diào)速彈簧的工況很復(fù)雜，要在較高的溫度下長(zhǎng)期工作，因此要求彈簧材料有良好的耐熱性，即有高的蠕變極限、蠕變速率較小和較低的應(yīng)力松弛率。
工藝性能方面：尺寸較小的彈簧熱處理時(shí)變形大、難以校正和保證彈簧產(chǎn)品質(zhì)量，宜選用已強(qiáng)化的彈簧材料，冷成型后不經(jīng)淬火、回火，只須進(jìn)行低溫退火。這樣更能保證大批量小彈簧的產(chǎn)品質(zhì)量和成本低廉。
3.3.4 材料選擇
選用50CrVA鋼熱軋彈簧鋼絲卷制。由于50CrVA鋼中含有鉻能夠提高淬透性并且可降低錳引起過熱的敏感性，鉻熔于鐵素體中使彈性極限提高。釩可以細(xì)化組織，減少過熱敏感性，提高鋼的強(qiáng)度和沖擊韌性�？捎米魈貏e重要的承受高應(yīng)力的各種尺寸的螺旋彈簧，也可也用作在300°C以下工作的重要彈簧，如各種閥門彈簧，噴油嘴彈簧。
3.3.5 50CrVA鋼化學(xué)成分及合金元素作用
表3.1 50CrVA鋼的化學(xué)成分（GB/T3077-1990）ω/%
C 0.44～0.54
Si 0.17～0.37
Mn 0.50～0.80
Cr 0.80～1.10
V 0.10～0.20
Ni ≤0.35
P ≤0.035
S ≤0.030
[1]
50CrVA鋼的化學(xué)成分示于表3.1 化學(xué)元素作用：
① C ：保證形成碳化物所需要的碳和保證淬火馬氏體能夠獲得的硬度 ② Cr：提高鋼的淬透性并有二次硬化作用，是剛在高溫時(shí)仍具高強(qiáng)度和高硬度，增加鋼的耐磨性，增高鋼的淬火溫度。
③ Si： 能提高鋼的淬透性和抗回火性，對(duì)鋼的綜合機(jī)械性能，還能增高淬火溫度，阻礙碳元素溶于鋼中。
④ Mn：能增加鋼的強(qiáng)度和硬度，有脫氧及脫硫的功效（形成MnS），防止熱脆，故Mn能改善鋼的鍛造性和韌性，可增進(jìn)剛的硬化深度，降低鋼的下臨界點(diǎn)，增加奧氏體冷卻時(shí)的過冷度，細(xì)化珠光體組織以改善機(jī)械性能。 ⑤ V：可以細(xì)化組織，減少過熱敏感性，提高鋼的強(qiáng)度和沖擊韌性。
3.3.6 50CrVA鋼熱處理臨界轉(zhuǎn)變溫度 50CrVA鋼熱處理的臨界轉(zhuǎn)變溫度見表3.2
表3.2 50CrVA鋼臨界轉(zhuǎn)變溫度
[2]
臨界溫度（近似值）（℃）
鋼號(hào)
Ac1
50CrV
740
Ac3 810
Ar1 688
3.3.6 50CrVA鋼的淬透性曲線
圖3.2 50CrVA鋼的淬透性曲線
3.4 50CrVA鋼調(diào)速彈簧加工制造工藝流程
50CrVA鋼調(diào)速彈簧加工制造工藝流程如下：
鋼材檢查→盤旋與調(diào)整→淬火→清洗→中溫回火→校正→檢驗(yàn)→法蘭
4 50CrVA調(diào)速彈簧的熱處理工藝
4.1 50CrVA鋼的淬火工藝
4.1.1 淬火目的
淬火的目的是使過冷奧氏體進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變，得到馬氏體組織，然后配合以不同溫度的回火，提高彈簧的強(qiáng)度和彈性，獲得所需的力學(xué)性能。 4.1.2 熱處理設(shè)備
選用RDM系列埋入式鹽浴爐，鹽浴爐參數(shù)見 表 4.1。
說明：鹽浴爐適用于中小型工件加熱。加熱速度快，溫度均勻，中性介質(zhì)，不易氧化、脫碳；爐口敞開，便于吊掛，工件變形小。
裝爐方式：40件/爐 ，用專用夾具，懸掛入爐。
表4.1 RDM-100-13 埋入式鹽浴爐
電源
型號(hào) RMD-100-13
額定功率
相數(shù)
100(KW)
3
電壓 380(V)
1300℃ 額定溫度
mm) 450×350×560
[3]
工作空間尺寸(mm×
4.1.3 淬火溫度 淬火溫度：860±10℃
依據(jù)：加熱溫度t=Ac3＋30～50℃， t=810+50=860℃ 故取860±10℃。 4.1.4 加熱方式
鹽浴爐加熱，溫度均勻，加熱速度快。 4.1.5 加熱介質(zhì)
加熱介質(zhì)：50%NaCl+50%BaCl2 4.1.6 保溫時(shí)間
保溫時(shí)間：5min
選定的依據(jù)：加熱時(shí)間可按下列公式進(jìn)行計(jì)算：t=a×K×D，式中t為加熱時(shí)間（min），K為反映裝爐時(shí)的修正系數(shù)，可根據(jù)表4.3可得K取1.4，a為加
熱系數(shù)min/mm,加熱系數(shù)a可根據(jù)鋼種與加熱介質(zhì)、加熱溫度，參數(shù)按照表4.2選取，D為工件有效厚度（mm）可得t=a×K×D=0.75×1.4×3.2=3.36min�？紤]到夾具的隨爐加熱，所以， 取保溫時(shí)間5min
表4.2 工件加熱系數(shù)a
[4]
鋼號(hào) 碳鋼 合金鋼 高合金鋼 高速鋼
退火、正火（箱式爐） 0.7～0.8min/mm 0.9～1.0min/mm 1.0～1.5min/mm 2～3min/mm
箱式爐 0.7～0.8min/mm 0.9～1.0min/mm 預(yù)熱1min/mm 加熱45s/mm 2～2.5min/mm
淬火
鹽爐 20～30s/mm 30～45s/mm 預(yù)熱30s/mm 加熱16s/mm 預(yù)熱15～30s/mm 加熱8～12s/mm
表4.3 工件裝爐修正系數(shù)K
4.1.7 冷卻方式
由于50CrVA鋼淬透性較好，冷卻速度越大，則淬火內(nèi)應(yīng)力越大，淬火變形也越大，工件容易變形開裂。使用冷卻較為緩和的淬火介質(zhì)，其熱應(yīng)力就相對(duì)較小。所以選擇油冷。
4.1.8 淬火方式
80°C油冷，選用2號(hào)普通淬火油油淬 2號(hào)普通淬火油的冷卻能力見 表 4.4
由于零件尺寸較小，油淬可以達(dá)到淬火臨界冷卻速度，并且油淬操作簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)，易于操作；淬火過程中Ms點(diǎn)已經(jīng)進(jìn)入對(duì)流階段，低溫區(qū)冷卻能力遠(yuǎn)小于水，可以減少工件應(yīng)力的產(chǎn)生，減少由于內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的變形和開裂。
表4.4 2號(hào)普通淬火油的冷卻能力[5]
冷卻介質(zhì) 2號(hào)普通淬火油
特性溫度 633
特性時(shí)間 2.25
800～400℃冷卻/s
3.15
800～300℃冷卻/s
4.55
4.1.9 淬火后組織
馬氏體＋殘余奧氏體 4.1.10 淬火后硬度
淬火后組織為馬氏體＋殘余奧氏體，具有較高的硬度，硬度可達(dá)50～56HRC，經(jīng)過回火處理后可以滿足零件的性能要求。 4.1.11 淬火工藝曲線
淬火工藝曲線見圖 4.1
圖 4.1淬火工藝曲線
4.2 50CrVA的中溫回火工藝
4.2.1 回火目的
中溫回火，使鋼獲得最高的彈性極限。 4.2.2 熱處理設(shè)備
選用RX3系列950℃箱式電阻爐，電阻爐參數(shù)見 表 4.5。
說明：適用于中，小型工件成批量生產(chǎn)。可進(jìn)行退火，淬火和高溫及低溫回火等熱處理操作。新型結(jié)構(gòu)爐襯保溫性好，爐襯變薄，重量減輕，有效的減少了爐襯的散熱和蓄熱損失，降低了空載功率，縮短了空爐升溫時(shí)間。 裝爐方式：200件/爐，用專用夾具夾緊，用裝具分層擺放
表4.5 RX3-30-9Q 950℃箱式電阻爐
電源
型號(hào) RX3-30-9Q
額定功率
相數(shù)
30(KW)
3
電壓 380(V)
950℃ 額定溫度
mm) 760×360×310
[6]
工作空間尺寸(mm×
4.2.3 回火溫度
圖 4.2 50CrVA材料力學(xué)性能于回火溫度關(guān)系曲線
回火溫度：480±10℃。
中溫回火使鋼獲得最高的彈性極限，鋼的彈性極限往往在回火溫度為200～400℃之間時(shí)出現(xiàn)極大值。在350～500℃范圍內(nèi)的中溫回火就是利用這一特征，碳素彈簧鋼的回火取此溫度范圍的下限，合金彈簧鋼的回火取此溫度范圍的上限，因?yàn)楹辖鹪靥岣吡虽摰幕鼗鹂沽Α８鶕?jù)50CrVA材料力學(xué)性能于回火溫度關(guān)系曲線，為保證材料符合力學(xué)性能要求選擇溫度范圍為400～500℃。
所以回火溫度取480±10℃
4.2.4 加熱方式
用空氣電阻爐采取到溫加熱方式，可以減少工件加熱時(shí)間，回火后硬度下降較小
4.2.5 加熱介質(zhì)
加熱介質(zhì)：空氣 4.2.6 保溫時(shí)間
依據(jù)表4.6保溫時(shí)間約為35min，由于考慮到隨爐加熱的夾具和裝具，故選定保溫時(shí)間為60min。
保溫時(shí)間：60min 依據(jù)：參見表4.6
表4.6 硅錳和鉻釩彈簧鋼在回火溫度為400～520℃時(shí)的保溫時(shí)間
材料直徑/mm 保溫時(shí)間/min
≤10 25～35
10～15 30～35
15～20 40～45
20～25 50～60
25～42 70～90
[7]
4.2.7 冷卻方式 出爐空冷。 4.2.8 回火組織
回火屈氏體＋極少量殘余奧氏體 4.2.9 硬度
硬度46～51HRC 4.2.10 回火工藝曲線
回火工藝曲線見圖 4.2
圖 4.2 回火工藝曲線 4.3 總的熱處理工藝曲線
熱處理總工藝曲線見 圖
4.3
圖 4.3 熱處理總工藝曲線
4.4 熱處理工藝的檢驗(yàn)
4.4.1 試驗(yàn)設(shè)備
① HR-F洛式硬度計(jì)。
主要參數(shù)：實(shí)驗(yàn)力：1500N；壓頭類型：金剛石圓錐120℃；實(shí)驗(yàn)力保持時(shí)間：
6-99s，可設(shè)置；測(cè)試硬度范圍20-70HRC。 ② 金相顯微鏡 4.4.2 檢驗(yàn)操作
① 硬度的檢驗(yàn)：選取三點(diǎn)用金剛石壓頭進(jìn)行硬度測(cè)試，取三次測(cè)量的平均值。
② 金相組織檢驗(yàn)：試樣制備：選取試樣橫截面切取，夾具夾持進(jìn)行拋光，50%鹽酸水溶液加熱70℃左右進(jìn)行腐蝕，用20%酒精進(jìn)行清洗，再吹干。試樣觀察：在金相顯微鏡下進(jìn)行觀察試樣的金相組織，為回火屈氏體組織，符合工件熱處理組織要求。
5 熱處理工序中材料的組織及性能
5.1 淬火工藝材料中的組織及性能
(1) 正常加熱冷卻：工件加熱到860℃后珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，保溫時(shí)組織不變，晶粒細(xì)化，出爐油冷至室溫時(shí)得到馬氏體+殘余奧氏體，具有較高的硬度。
(2) 加熱溫度不足時(shí)，加熱后組織為奧氏體+鐵素體，室溫后組織為馬氏體+鐵素體，硬度不足，塑性大。
(3) 加熱溫度過高時(shí)：加熱后組織為（粗大）奧氏體，室溫后組織為（粗大）馬氏體，脆性太大，易斷裂。
(4) 冷卻速度過大時(shí)，組織為馬氏體，由于晶粒不均勻，性能較差，容易開裂和變形。
(5)冷卻速度不足時(shí)，組織為馬氏體+貝氏體。硬度和強(qiáng)度不高，塑性較大。
5.2 回火工藝材料中的組織及性能
(1) 正常加熱冷卻：加熱溫度為時(shí)，則加熱后組織為馬氏體，回火保溫足夠時(shí)間后組織為回火屈氏體，彈性性能很大提高，硬度和強(qiáng)度適中。
(2) 加熱溫度不足時(shí)，加熱后組織為馬氏體+碳化物（大量），室溫后組織為回火馬氏體。 硬度偏高。
(3) 加熱溫度過高時(shí)，得到由鐵素體和彌散分布于其中的細(xì)粒狀滲碳體組成的回火索氏體組織�；鼗鹚魇象w的塑性和韌性比較高，彈性不足。
6 常見缺陷及防止方法
50CrVA彈簧鋼熱處理常見缺陷及防止方法參考表 6.1[5] 注：
1.操作要求嚴(yán)格執(zhí)行熱處理操作規(guī)范 2.熱處理嚴(yán)格按照工藝執(zhí)行 3.其他缺陷產(chǎn)生原因另行分析
表6.1 50CrVA彈簧鋼熱處理常見缺陷及防止方法
常見缺陷
產(chǎn)生原因
防止方法
硬度不足，彈性低
1嚴(yán)格執(zhí)行工藝，控制好淬火溫度和
1淬火溫度過高，殘留奧氏體過多
保溫時(shí)間
2淬火加熱表面脫碳
2.鹽浴爐要充分及時(shí)脫氧，或采用
保護(hù)氣氛、真空熱處理
1.產(chǎn)生回火脆
1用快速冷卻消除回火脆 2.嚴(yán)格控制淬火溫度和保溫時(shí)間 1.用專用夾具進(jìn)行定型回火
1.內(nèi)應(yīng)力大
脆性大
2.過熱
變形
2.殘余奧氏體過多
2.延長(zhǎng)回火時(shí)間 3多次回火
1.嚴(yán)格執(zhí)行熱處理工藝，嚴(yán)格控制加
1.淬火加熱速度過快
熱溫度和保溫時(shí)間，使用合適淬火介
淬火開裂 2.冷卻過快，淬火介質(zhì)不當(dāng)
質(zhì)
3.加熱溫度過高，保溫時(shí)間過長(zhǎng)
1.原材料脫碳超標(biāo)
1.嚴(yán)格原材料復(fù)檢 2.鹽浴爐充分及時(shí)脫氧 1.鹽浴爐及時(shí)充分脫氧
1.鹽浴爐脫氧不良，或帶硝鹽
2.及時(shí)清理殘鹽
表面脫碳或元素貧化
2.淬火加熱的鹽浴脫氧不充分
表面腐蝕 2.沒有及時(shí)清理殘鹽
3.零件熱處理前表面清洗潔凈
3.零件表面不潔凈
4.熱處理后及時(shí)鈍化和烘干
7. 彈簧淬火及回火熱處理夾具和裝具
7.1 彈簧淬火及回火熱處理夾具
圖7.1 彈簧淬火和回火夾具
圖7.2 淬火的夾具和入爐方式示意圖
圖7.3彈簧回火裝具
8 40Cr爐用結(jié)構(gòu)件（爐體連接板）的滲鋁熱特殊熱處理
8.1零件圖
圖8.1加熱爐爐體連接板
8.2 性能要求：
滲層厚度：0.35mm
除滿足一般力學(xué)性能外，要求組織均勻，有合理的組織穩(wěn)定性，去除內(nèi)應(yīng)力，抗高溫氧化及熱腐蝕。
8.3 零件用途：
加熱爐爐體連接板
8.4工作條件：
工作在較高溫度環(huán)境中，單位面積上承受的載荷較低，但易高溫氧化。
8.5材料的選擇
40Cr是常用的構(gòu)件鋼，價(jià)格低廉。能夠滿足做爐用結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能要求，
并且能夠在560℃左右的溫度環(huán)境中持續(xù)工作，對(duì)其表面進(jìn)行滲鋁處理，可延長(zhǎng)其使用壽命。
表8.1 40Cr鋼的化學(xué)成分（GB/T3077-1990）ω/%
C 0.37～0.44
Si 0.17～0.37
Mn 0.50～0.80
Cr 0.80～1.10
[8]
8.6 工藝流程:
下料→焊接→熱浸滲鋁（代替退火）→檢驗(yàn)
8.7 滲鋁工藝設(shè)計(jì)
8.7.1 滲鋁的目的：
1.表面滲鋁，防熱腐蝕，抗高溫氧化
2.均勻組織，清除焊接內(nèi)應(yīng)力 8.7.2 設(shè)備的選擇：
表8.2 外熱式坩堝浴爐的基本尺寸
加熱溫度℃
≤900
工作空間尺寸mm ?400×600
浸劑：90%鋁粉+10%鐵粉 裝爐方式：20件/爐 8.7.3 溫度的選擇：
根據(jù)圖8.2 滲層厚度與溫度的關(guān)系曲線，選加熱溫度：780℃
滲層厚度/mm
加熱溫度/t
圖8.2 滲層厚度與溫度的關(guān)系曲線 8.7.4 熱浸時(shí)間：
根據(jù)圖8.3 滲層厚度與保溫時(shí)間的關(guān)系曲線可知，保溫時(shí)間應(yīng)大于15min.熱浸時(shí)間增加，滲層厚度增加，時(shí)間超過12min滲層厚度增加緩慢，因?yàn)闊峤䲡r(shí)間增加，鋼自身溫度上升反吸附能力增強(qiáng)。若要達(dá)到0.35mm滲層厚度，應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)保溫時(shí)間。
所以選擇保溫時(shí)間為：40min
滲
層厚度/mm
保溫時(shí)間/min
圖8.3 滲層厚度與保溫時(shí)間的關(guān)系曲線
8.7.5 冷卻方式：
空冷
8.7.6 滲鋁后的組織：
珠光體+少量鐵素體 8.7.7 滲鋁工藝曲線
圖8.4 滲鋁工藝曲線
8.7.8 檢驗(yàn)
為檢查滲層厚度是夠達(dá)到0.35mm技術(shù)要求，對(duì)工件進(jìn)行金相組織檢查。并對(duì)其內(nèi)部組織進(jìn)行檢查。
9 熱處理工藝課程設(shè)計(jì)的的見解和體會(huì)
通過三周的課程設(shè)計(jì)，我充分利用大學(xué)期間學(xué)的知識(shí)和來自圖書館及網(wǎng)上資料，對(duì)熱處理的知識(shí)有了全新的理解和掌握，使我能夠?qū)⑽覍W(xué)過的知識(shí)整體結(jié)合起來，讓我從大量的課程中鉆了出來，從更高的高度來看待我們的課程，使我的學(xué)習(xí)與實(shí)際聯(lián)系的更加緊密。
使我更有目的性而且將我以前搞不懂的東西更加清晰的展現(xiàn)在我的面前，讓我更加了解自己的知識(shí)的缺乏，使自己的學(xué)習(xí)更加有動(dòng)力，而且我知道到了熱處理是一個(gè)很有技術(shù)含量的東西 ，這個(gè)過程也是使我鍛煉自己動(dòng)手能力的一個(gè)很好的機(jī)會(huì)，尤其是在自己動(dòng)手解決問題的方面。
熱處理工藝課程設(shè)計(jì)讓我學(xué)到很多專業(yè)知識(shí)，動(dòng)手能力也得到提高，為我以后走進(jìn)工廠做好了準(zhǔn)備！
參考文獻(xiàn)
[1] 熱處理技術(shù)數(shù)據(jù)手冊(cè)/樊東黎等主編.—2版.—北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.4 [2] 熱處理工程師手冊(cè)/樊東黎等主編.—2版.—北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.9 [3] 吉澤升. 熱處理爐. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2001.5 [4] 熱處理工程師手冊(cè)，機(jī)械工業(yè)出版社出版，2004.9
[5]《實(shí)用熱處理》編寫組.實(shí)用熱處理.湖南人民出版社，1974.11 [6] 吉澤升. 熱處理爐. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2001.5
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