钢的热处理工艺设计说明书学生姓名设计题目加工中心主轴指导教师系主任完成日期年月日前言热处理工艺是金属材料工程的重要组成部分。
通过热处理可以改变材料的加工工艺性能，充分发挥材料的潜力，提高工件的使用寿命。
本课程设计是在《材料科学基础》﹑《金属热处理工艺学》﹑《失效分析》﹑《金属力学性能》等课程学习的基础上开设的，是理论与实践相结合的重要教学环节。
通过该课程设计，可使学生在综合运用所学专业基础理论和专业知识能力方面得到训练，学会独立分析问题和解决问题的方法，提高工程意识和工程设计能力。
热处理工艺是整个机械加工过程种的一个重要环节，它与工件设计及其它加工工艺之间存在密切关系。
如何实现工件设计时提出的几何形状和加工精度，满足设计时所要求的多种性能指标，热处理工艺制定的合理与否，有着至关重要的作用。
目录前言一．热处理工艺课程设计的目的 (5)二．热处理工艺课程设计的任务 (5)三．热处理工艺课程设计设计内容和步骤 (5)3.1零部件简图，钢种和技术要求 (5)3.2零部件的工作条件、破坏方式和性能要求的分析 (6)3.3零部件用钢的分析 (6)3.3.1 相关钢种化学成分的作用 (6)3.3.2.相关钢种的热处理工艺性能分析 (7)3.3.3钢材的组织性能与各种热处理工艺的关系 (8)3.4热处理工艺方案及工艺参数的论述 (11)3.4.1零件的加工工艺路线及其简单论证 (11)3.4.2锻造工艺曲线 (11)3.4.3预备热处理工艺方案、工艺参数及其论证 (12)3.4.4最终热处理工艺方案，工艺参数及论证 (12)3.4.4.1 20CrMnMo的正火工艺 (12)3.4.4.2 20CrMnMo的渗碳工艺 (14)3.4.4.3 20CrMnMo的淬火工艺 (17)3.4.4.4 20CrMnMo的回火工艺 (19)3.4.4.5 总的热处理工艺曲线 (22)3.4.5 辅助工序方案 (22)四．选择加热设备 (22)4.1 中温井式电阻炉 (22)4.2 井式渗碳炉 (23)五．工装图 (25)六．工序质量检验项目、标准方法 (27)七．热处理工艺过程中缺陷分析 (28)7.1常见的渗碳缺陷 (28)7.2常见的淬火缺陷 (29)7.3常见的回火缺陷 (29)八．心得体会 (30)九．参考文献 (31)一、热处理工艺课程设计的目的1. 深入了解热处理课程的基本理论2. 初步学会制定零部件的热处理工艺3. 了解与本设计有关的新技术,新工艺4. 设计尽量采用最新技术成就,并注意和具体实践相结合,是设计具有一定的先进性和实践性.二、热处理工艺课程设计的设计任务1. 编写设计说明书2. 编制工序施工卡片3. 绘制必要的工装图三、热处理工艺课程设计内容和步骤3.1零部件简图、钢种和技术要求1.简图2.钢种: 20CrMnMo3.技术要求：1.要求主轴头部144.4mm及尾部30mm处渗碳淬火，渗碳层深度1.3~1.5mm；2.硬度为60~65HRC.3.2零部件的工作条件、破坏方式和性能要求的分析1.零部件的工作条件作为机床的传动件，主轴是传递动力的零件，传递着动力和各种负荷，它的前后端由于承受一定的扭转和摩擦力，它的合理选材直接影响整台车床的精度和使用寿命。
2.零部件的主要破坏方式(1)受横向力并传递扭矩，承受交变弯曲应力和扭应力，常常发生疲劳断裂。
(2)承受一定的过载和冲击和载荷，产生过量弯曲变形，甚至发生折断或扭断。
(3)轴颈和花键等部位发生相对运动，承受较大的摩擦，轴颈表面产生过量的磨损。
3.零部件性能要求主轴是机床上的传动力的零件，由于负荷不同，受力大小也不同，常承受弯曲，扭矩，冲击，同时受到在滑移和转动部位的摩擦作用。
因此主轴的性能要求是高硬度，足够的韧性及疲劳强度，强度和形状畸变要求。
3.3零部件用钢的分析3.3.1 相关钢种化学成分的作用（1）20CrMnMo表1. 20CrMnMo的化学成分化学成分作用：A. 碳（C）的影响从铁碳平衡图中，我们能清楚的看到，钢随着含碳量的增加，钢的基本组织不同，而且在加热与冷却时，组织转变的温度也不相同。
纯铁在加热与冷却过程中，仅发生晶格的变化（同素异形转变）。
所以热处理时其机械性能几乎不发生影响。
但是随着含碳量的增加，热处理将发生显著地作用。
如亚共析钢随着含金量的增高，淬火后强度、硬度都有显著提高；同时含碳量的多少也确定了钢的热处理工艺。
B. 铬（Cr）的影响铬为碳化物形成元素。
它能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性；阻止晶粒长大，增加钢的淬透性，降低钢的临界冷却速度。
因而，使钢在热处理时，退火、正火、淬火的加热温度有所提高。
并使它在油中便能淬硬。
但它降低了钢的马氏体点，因而增加了钢残余奥氏体量。
使钢的奥氏体不稳定区域变为700-500℃和400-250℃。
提高了钢的硬度和强度，增加了钢在高温回火时强度降低的抗力。
C. 钼（Mo）的影响提高钢的淬透性，热强性，有二次硬化的作用，能降低回火脆性。
D. 硅（Si）的影响Si能升高Ac1和Ac3点，从而使热处理时的退火、正火、淬火的加热温度增高。
能增加奥氏体的稳定性，降低临界冷却速度，增加钢的淬透性很多，故能使Si合金钢在油中淬硬。
E. 锰（Mn）的影响Mn为碳化物形成元素。
他降低钢的Ac1和Ac3而使钢在热处理时的温度有所降低。
增加奥氏体的稳定性，降低钢的临界冷却速度，同时增加钢的淬透性，但它使残余奥氏体量增加。
可以减少钢在淬火时的变形和增加钢的强度和硬度。
使钢的回火脆性与晶粒长大的作用增大。
F. 硫（S）的影响硫在通常情况下也是有害元素。
使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。
硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。
所以通常要求硫含量小于0.055%，优质钢要求小于0.040%。
在钢中加入0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。
G. 铜(Cu)和镍(Ni)的影响铜在合金钢中，使钢的Ac3下降。
Ni能强化铁素体，降低钢的Ac1和Ac3点，从而使热处理时的退火、正火、淬火的加热温度有所降低。
增加了奥氏体的稳定性，降低了钢的临界冷却速度，对钢的淬透性略有增加；但它降低了钢的马氏体点，增加了钢的残余奥氏体量。
对钢的强度和硬度有所提高，但阻止晶粒长大的作用不明显。
3.3.2.相关钢种的热处理工艺性能分析（1）20CrMnMo 热处理基本参数A.淬透性：淬透性随淬火温度的提高而增加，因为温度升高，奥氏体晶粒尺寸增大，淬透性提高。
但是如果温度过高，奥氏体晶粒过于粗大淬火后会产生开裂或变形。
B.淬硬性：淬硬性表示钢淬火时的硬化能力。
它主要与钢的含碳量有关，更确切的是说是它取决于淬火后马氏体中的含碳量，马氏体中的含碳量越高钢的淬硬性越高。
C.变形倾向：淬火后变形分两种：翘曲变形和体积变形，翘曲变形主要是加热时工件在炉内放置不当或搓火前后没有定型处理货冷却不均匀做造成的，另一方面淬火前后组织不一样引起体积变形，淬火前一般为珠光体组织，淬火后为马氏体组织，由于两种组织的比容不同，淬火前后讲引起体积变化，从而产生变形，但这种变形只按比例使工件胀缩而不改变形状。
3.3.3钢材的组织性能（硬度、强度、耐磨性、塑韧性等）与各种热处理工艺的关系从铁碳合金相图来看, 20CrMnMo钢属于亚共析钢, 缓慢冷却到室温后的组织为铁素体+ 珠光体;从钢的分类来看, 20CrMnMo 钢属于高级渗碳结构钢, 可加工和热加工性能良好，强度,塑性和韧性都较高，过热倾向小，无回火脆性，既可作为渗碳钢使用，也可作为调质钢使用，渗碳加淬火后具有较高的抗弯强度和耐磨性，但是磨削时容易产生裂纹，淬火及低温回火具有良好的综合力学性能和低温冲击韧性。
20CrMnMo钢采用渗碳+淬火+低温回火，表面可以获得60~65HRC 的高硬度，因淬透性较高，心部具有较高的强度和韧性20CrMnMo的含碳量为0.20％属于低碳钢,渗碳时保证了碳元素的正常渗入。
钢中合金元素为Cr<1.4％、Mn<1.2％、Mo<0.3％。
Cr、Mn合金元素能提高钢铁索体的强度,同时提高钢的淬透性。
Mo元素提高钢的淬透性，热强性。
加工中心主轴根据使用性能要求表面耐磨,所以要对20CrMnMo钢进行表面渗碳处理,渗碳淬火后表面得到高碳马氏体, 具有较高的硬度和耐磨性。
牌号临界温度/℃退火正火Ac1Ac3Ms 温度/℃冷却/℃硬度HBW温度/℃冷却/℃硬度HBW Ar1 Ar3M f20CrMnMo710 830 -- 850~870 炉冷≤217880~930空冷190~228620 740 --续表2淬火回火温度/℃淬火介质硬度HRC不同温度回火后的硬度值HRC150℃200℃300℃400℃500℃550℃600℃650℃350 油＞46 45 44 43 35 -- -- -- --图3-3 20CrMnMo钢淬透性曲线工艺名称退火正火高温回火淬火回火加热温度(℃)850~870 870~900 680~700 850~860 按需要定冷却方式炉冷空冷空冷油冷水，空冷硬度＜18HRC-- ＜23HRC41~46HRC 见表3-2 图3-5 渗碳后力学性能表3-6 渗碳热处理工艺规范渗碳渗碳／℃淬火温度／℃淬火冷却／℃回火温度／℃回火冷却920~940 炉内降温至830~850油冷180~200 空冷图3-7 钢的等温转变图和连续冷却转变图3.4热处理工艺方案及工艺参数的论述3.4.1零件的加工工艺路线及其简单论证论证：首先正火可以细化晶粒，使组织均匀化，消除切削加工后的组织硬化现象和去除内应力，提高低碳钢零件的硬度，提高切削性能。
接着需要表面硬度，发挥结构钢优越的机械性能，常将结构钢表面渗碳淬火，这样就能得到需要的表面硬度。
渗碳处理一般用于表面耐磨、芯部耐冲击的重载零件，其耐磨性比调质＋表面淬火高。
经热处理后，表面可以获得很高的硬度（HRC58~62），芯部硬度低，耐冲击。
3.4.2锻造工艺曲线查阅《热处理工艺规范数据手册》可以找出20CrMnMo 钢的锻造工艺的加热温度、始锻温度冷却方式，如下表所示：下料回火 喷丸校直精加淬火 检验渗碳 机加正火 锻造 成品表3-8 20CrMnMo钢的锻造工艺图表项目Ac1(Ar1) Ac3(Ar3) 加热温度/℃始锻温度终锻温度钢坯710℃(620℃) 830℃(740℃) 920~940℃1200℃850℃3.4.3预备热处理工艺方案、工艺参数及其论证20CrMnMo 正火870±10℃0.5h 空冷渗碳925±10℃6h 坑冷重新加热淬火840±10℃0.5h 油冷低温回火160±10℃ 1.5h 空冷论证：20CrMnMo钢经热加工后，必须经过预备热处理来降低硬度，消除热加工时造成的组织缺陷，细化晶粒，改善组织，为最终热处理做好准备。