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目录
第一章
热解决工设计目 .............................................. 1
第二章
课程设计任务 .................................................. 1
第三章
热解决工艺设计办法 ............................................ 1
3.1 设计任务 ................................................... 1
3.2 设计方案 ................................................... 2
3.2.1 12CrNi3叶片泵轴设计分析 ............................ 2
3.2.2 钢种材料 ................................................ 2
3.3设计阐明 .................................................... 3
3.3.1 加工工艺流程 ............................................ 3
3.3.2 详细热解决工艺 .......................................... 4
3.4 分析讨论 ........................................... 11
第四章
结束语 .................................................. 13
参照文献 ....................................................... 14
12CrNi3叶片泵轴热解决工艺设计
一. 热解决工艺课程设计目
热解决工艺课程设计是高等工业学校金属材料工程专业一次专业课设计练习，是热解决原理与工艺课程最后一种教学环节。其目是：
（1）培养学生综合运用所学热解决课程知识去解决工程问题能力，并使其所学知识得到巩固和发展。
（2）学习热解决工艺设计普通办法、热解决设备选用和装夹具设计等。
（3）进行热解决设计基本技能训练，如计算、工艺图绘制和学习使用设计资料、手册、原则和规范。
二. 课程设计任务
进行零件加工路线中关于热解决工序和热解决辅助工序设计。依照零件技术规定，选定能实现技术规定热解决办法，制定工艺参数，画出热解决工艺曲线图，选取热解决设备，设计或选定装夹具，作出热解决工艺卡。最后，写出设计阐明书，阐明书中规定对各热解决工序工艺参数选取根据和各热解决后显微组织作出阐明。
三. 热解决工艺设计办法
1. 设计任务
12CrNi3叶片泵轴零件图如图3.1
图3.1 12CrNi3叶片泵轴
2、设计方案
2.1.工作条件
叶片泵是由转子、定子、叶片和配油盘互相形成封闭容积体积变化来实现泵吸油和压油。叶片泵构造紧凑，零件加工精度规定高。叶片泵转子旋转时，叶片在离心力和压力油作用下，尖部紧贴在定子内表面上。这样两个叶片与转子和定子内表面所构成工作容积，先由小到大吸油再由大到小排油，叶片旋转一周时，完毕两次吸油与排油。泵轴在工作时承受扭转和弯曲疲劳，在花键和颈轴处收磨损。因而，规定轴有高强度，良好韧性及耐磨性。
2.1.1失效形式
叶片泵轴重要失效形式是疲劳断裂，在花键和轴颈处也许发生工作面磨损、咬伤，甚至是咬裂。
2.1.2性能规定
依照泵轴受力状况和失效分析可知 ,叶片泵轴重要是规定轴具备高强度，良好韧性及耐磨性，以保证轴在良好服役条件下长时间工作。
2.2钢种材料
12CrNi3A钢属于合金渗碳钢，比12CrNi2A钢有更高淬透性，因而，可以用于制造比12CrNi2A钢截面稍大零件。该钢淬火低温回火或高温回火后都具备良好综合力学性能，钢低温韧性好，缺口敏感性小，切削加工性能良好，当硬度为HB260～320时，相对切削加工性为60%～70%。此外，钢退火后硬度低、塑性好，因而，既可以采用切削加工办法制造模具，也可以采用冷挤压成型办法制造模具。为提高模具型腔耐磨性，模具成型后需要进行渗碳解决，然后再进行淬火和低温回火，从而保证模具表面具备高硬度、高耐磨性而心部具备较好韧性，该钢适当制造大、中型塑料模具。 12CrNi3高档渗碳钢淬透性较高 ,退火困难。由于不渗碳表面未经镀铜防渗 ,因而渗碳后进行低温回火 ，减少硬度 ，便于切去不渗碳表面渗碳层 。材料加工成叶片泵轴需进行复杂化学热解决，使心部硬度为HRC31～HRC41，表面硬度不低于HRC60，从而使泵轴表面有较高硬度，心部呈现一定韧性，以适应泵轴工作环境；并且严格规定了表层含碳量、组织均匀性、晶粒度及化学热解决等[1]。
3. 设计阐明
3.1加工工艺流程
叶片泵轴制造工序基本上相似，对于不同钢种，在其热解决时有些许差别。普通都采用棒料经锻造—正火—机加工—渗碳—淬火—回火—矫直—机加工。
12CrNi3钢化学成分见表3.1[2]
成分分析：
表 3.1 12CrNi3钢化学成分
化学 成分
C
Si
Mn
S
P
Cr
Ni
Cu
含量%
0.10～0.15
0.17～0.37
0.30～0.60
容许残存含量≤0.035
容许残存含量≤0.035
0.60～0.90
2.75～3.15
容许残存含量≤0.030
钢含碳量可保证形成大量合金碳化物，淬火加热时，一某些融入奥氏体中，提高其稳定性，同步也使马氏体中合金元素含量增长，保证其硬度；而未溶碳化物则起细化晶粒、提高韧性作用．并提高钢耐磨性。
Cr是12CrNi3合金钢中重要合金元素，它使钢淬透性大大增长，提高其回火稳定性，并产生二次硬化现象。铬与碳形成高硬度碳化物，加热时未溶碳化物可细化晶粒、提高钢耐磨性作用。
锰和硅是炼钢过程中必要加入脱氧剂，用以去除溶于钢液中氧。它还把钢液中氧化铁还原成铁，并形成氧化锰和二氧化硅。锰除了脱氧作用外，尚有除硫作用，即与钢液中硫结合成MnS,从而在相称大成度上消除硫在钢中有害影响。这些反映产物大某些进入炉渣，小某些残留与钢中，成为非金属夹杂物。脱氧剂中锰和硅会有一某些溶于钢液中，冷至室温后即溶于铁素体中，提高铁素体强度。硅溶于铁素体中后有很强固溶强化作用，明显提高钢强度和硬度。
Ni也是12CrNi3合金钢中重要元素。它存在提高了钢强度，而不减少其塑性，改进了钢铁低温韧性减少了钢铁临界冷却速度，提高铁淬透性扩大奥氏体区，是奥氏体化有效元素[2]。
3.2详细热解决工艺
3.2.1试样热解决工艺
正火目：正火使晶粒细化和碳化物分布均匀化，去除材料内应力，减少零件硬度，提高切削性能，为渗碳做预解决。由于12CrNi3合金钢淬透性较高，退火困难，因而普通不用退火。
正火工艺加热温度：920℃±10℃，依照化学成分计算Ac3温度：Ac3=910-203C0.5-13.2Ni+44.7Si+104V+31.5Mo+13.1W≈874℃，故正火选取（Ac3+30-50℃）即920℃±10℃。
正火保温时间：加热保温时间经验公式：t=αKD,α-加热系数，空气电阻炉-合金钢α取1.3-1.6（min/mm）；K为装炉修正系数，取1-1.5；D-工件有效厚度（mm），当高度（h）/壁厚（δ）≤1.5时，以h计。故最后保温时间：t=αKD=1.6×1.5×40=96min，取2h。
正火后组织：P+少量F
920℃
2h
正火曲线：
空冷
温度/℃
o
时间/h
正火炉如表3.2
表3.2 箱式电阻炉型号参数
型号
名称
额定功率（kw）
额定温度（℃）
额定电压（v）
相数
工作区尺寸（mm）
最大装载量（kg）
RX3-15-9
15
950
380
3
650×300×250
80
正火炉选取RX3-15-9箱式电阻炉，使用电加热，节约成本
正火工装如图3.2：
图3.2 正火工装尺寸图
注：壁厚为10mm
装炉量：12个/批
3.2.2渗碳解决
12CrNi3合金钢渗碳解决普通在初磨之后，精磨之前。其渗碳温度普通在920～940℃表面渗碳解决:将含碳钢放到碳势高环境介质中,通过让活性高碳原子扩散到钢内部,形成一定厚度碳含量较高渗碳层,再通过淬火\回火,使工件表面层得到碳含量高钢,而心部因碳含量保持原始浓度而得到碳含量低合金钢,合金钢硬度重要与其碳含量关于,故经渗碳解决和后续热解决可使工件获得外硬内韧性能.渗碳解决作用是:提高表面层耐磨性,同步保持心部有高耐冲击能力,即强韧性。 渗碳后冷却方式普通采用空冷[3]。
渗碳温度：920-940℃，（Ac3+30-50℃）当前生产中，经常使用气体渗碳温度范畴是900-940℃。取930℃，此温度既可以满足渗层深度规定，又能缩短渗碳所需时间。低于此温度范畴渗碳速度过低；而超过此温度范畴太多会使奥氏体晶粒粗大，减少零件力学性能。[6]
渗碳方式：采用滴注式气体渗碳。把含碳有机液体滴入或注入气体渗碳炉内，含碳有机液体受热分解产生渗碳氛围，对工件进行渗碳。滴注式气体渗碳设备简朴，多用煤油作渗碳剂，成本低廉，重要应用于周期式气体渗碳炉[7]
800√t
渗剂选取：甲醇和煤油。
103700/T
保温时间：4h。依照哈里斯公式：D=
算出D=3.45h，故渗碳时间取4h。
渗碳炉如表3.3：
表3.3 井式渗碳炉型号
型号
额定功率（KW）
额定温度（℃）
额定电压（V）
相数
工作区尺寸（mm）
最大装载量（kg）
质量（kg）
RQ3-25-9
25
950
380
3
ф300×450
50
1700
RQ3-35-9
35
950
380
3
ф300×600
100
1850
RQ3-60-9
60
950
380
3
ф450×600
150
2650
依照零件尺寸选取RQ3-60-9
设备性能、规格、温度、加热方式：额定功率60KW，额定温度950℃，使用电加热。
渗碳淬火工装主视图，俯视图如图3.3：
图3.3 工装主视图、俯视图尺寸图
装炉量：12个/批
渗碳淬火曲线如图3.4:
炉内降温
930℃
800℃
扩散
强渗
温度/℃
2
2
100
油淬
20～40
130～140
煤油/（滴/min）
100
130
甲醇/（滴/min）
130
130
0.5
130～140
时间/h
o
图3.4 渗碳淬火曲线
装炉排气时，连滴甲醇3～5滴后调节到130～140滴/min
3.2.3淬火+低温回火热解决
钢淬火与回火是热解决工艺中最重要，也是用途最广泛工序。淬火可以明显提高钢强度和硬度。为了消除钢残留内应力，得到不同强度，硬度和韧性配合性能，需要配以不同温度回火。因此淬火和回火又是不可分割，紧密联系在一起两种热解决工艺。淬火重要目是使奥氏体化后工件获得尽量多马氏体，然后配以不同温度回火获得各种需要性能。
① 12CrNi3叶片泵轴淬火。淬火加热规范决定了奥氏体实际晶粒度及碳化和合金元素固溶度．对马氏体形态及回火性能(硬度、强度、塑性、回火稳定性、淬火回火时体积变形)均有明显影响。当加热到Ac1温度(约810℃)以上时。原始组织索氏体和碳化物转变为奥氏体和碳化物。随着加热温度升高，合金碳化物继续向奥氏体中溶解．增长了奥氏体中C和Cr浓度，淬火马氏体硬度增长，其耐磨性也越强，冲击韧度逐渐升高。12CrNi3泵轴淬火在井式炉中加热至930±10℃滴注甲醇或煤油渗碳，时间为4h，降温至800±10℃，保温0.5h,直接淬冷于油槽中。
淬火加热温度
钢淬火加热温度与钢含碳量关于，共析钢和过共析钢淬火温度为Ac1+（30-50）℃；亚共析钢加热温度为Ac3+（30-50）℃，且普通在空气炉中加热比在盐浴炉中加热高10-30℃，综合考虑淬火加热温度印在区间810±10℃，在此选800℃。
淬火介质：通过对比，最后选用N1（10号）机械油。
根据：本着淬火烈度最低原则，该冷却介质冷却能力适中适合12CrNi3小件零件淬火工艺解决。其低温区冷却能力远不大于水，可以减少工件应力产生，减少由于内应力产生变形和开裂。
可供选取几种冷却介质冷却能力见于表3.4
表3.4 几种冷却介质冷却能力 注：油温20
冷却能力
普通淬火油
N1机械油
N3机械油
特性温度/
633
460
490
特性时间/s
2.25
4.8
4.75
800400冷却/s
3.15
5.05
5.25
800300冷却/s
4.55
7.2
8.85
加热与保温时间
炉中工件应在规定加热温度范畴内保持恰当时间，以保证必要组织转变和扩散。加热与保温时间一共有三某些构成：由零件入炉到达指定工艺温度所需升温时间（τ1）、透热时间（τ2）以及组织转变所需时间（τ3）构成。τ1+τ2由设备功率、加热介质以及工件尺寸、装炉数量等决定，τ3则与钢材成分、组织以及热解决技术规定等关于。
惯用经验公式为：τ=α²K²D 式中：τ——加热时间，min；
α——加热时间系数，min/mm； K——装炉量修正系数； Ｄ——工件有效厚度，mm。
对于圆柱形工件有效厚度，但高度不不大于直径时，可按直径为有效厚度进行计算，图１中工件毛坯直径为40mm，即工件有效厚度为Ｄ＝40mm，加热系数α和装炉修正系数Ｋ见下表，对于12CrNi3合金渗碳钢，α＝1.2，Ｋ＝2.0，则τ＝12×1.32×40≈30min，考虑到透热之后，因而我选取0.5h保温时间[4]。
②12CrNi3叶片泵轴低温回火
回火温度
低温回火温度为180℃，保温1h。回火中重要组织为回火马氏体。回火马氏体既保持了钢高硬度，高强度和良耐磨性，又恰当提高了韧性。经淬火并低温回火后得到隐晶回火马氏体和均匀细小粒状碳化物组织，具备很高硬度和耐磨性，同步减少了钢淬火应力和脆性[5]。
回火时间
从工件入炉后炉温升至回火温度时开始计算。回火时间普通为1-3h，
本设计中零件有效厚度为40mm，选取回火炉为井式电炉，与渗碳炉使用一种炉。回火保温时间如图表3.5
表3.5 回火保温时间参照
低温回火（150-250℃）
有效厚度/mm
＜25
25-50
50-75
75-100
100-125
125-150
保温时间/min
30-60
60-120
120-180
180-240
240-270
270-300
回火工艺曲线如图3.5：
温度/℃
180℃
1h
时间/h
图3.5 回火工艺曲线
3.2.4 热解决后检查办法
外观检测和办法选取
工件表面不能有淬火裂纹,锈蚀和影响使用性能缺陷。普通通过磁粉探伤或其她无损检测设备。
金相组织检查
淬火后普通得到马氏体组织，由于奥氏体化温度不同，马氏体形态大小不同样，普通分为8级，1级属于奥氏体化温度偏低，淬火组织是是隐晶马氏体+细针状马氏体和不不不大于5%铁素体。而8级属于过热组织，是粗大板条状马氏体+片状马氏体。正常淬火是2至4级，其组织委细小板条马氏体+片状马氏体。之后用金相显微镜观测，拟定所属级别。
表面淬火后金相组织按马氏体大小分为10级，4到6级是正常组织，为细小马氏体，1到3级是粗大或中档大小马氏体，因淬火加热温度偏高引起，7到10级组织中有未溶铁素体或网状托氏体。之后用金相显微镜观测，拟定所属级别。
3.2.5 热解决工艺曲线图
0.5h
时间/h
O
温度/℃
920℃
930℃
800℃
180℃
2h
4h
1h
油淬
炉内降温
空冷
图3.6 热解决工艺曲线总图
4.分析与讨论
4.1 材料组织性能
12CrNi3钢在860℃第一次淬火加热时，碳化物熔解少，基体含碳量在0.10%-0.17%左右，Cr在0.6%-0.9%，硫和磷碳化物熔解更少，Ni为重要元素。 12CrNi3叶片泵轴由900℃～920℃渗碳→780℃～800℃油 淬→(-40℃)～(-70℃)冰冷解决→150℃～200℃回火（低温）后，渗碳层硬度HRC≥58。渗碳层碳化物扩散层较浅，约0.15mm。淬透性d≤50mm，心部组织较粗大。渗碳层碳化物扩散层较深，约0.30mm～0.45mm，渗碳层硬度由表及里递减平缓，心部组织较细小。明显变形量产生于热解决工序，特别是在渗碳淬火冷却过程中，渗碳淬火解决时，稍有不慎会受到某些不良因素影响，使工艺加工质量浮现异常波动，未及时发现就也许导致这一天加工整批泵轴变形超差，甚至所有报废。需要着重控制几种重要因素是 ：
①渗碳轴表面碳浓度，渗层深度会对渗层组织膨胀系数产生影 响，渗碳轴表面碳浓度、渗层深度不同步，其公法线变形就不 同样 。如果渗碳时不对炉气碳势及工艺过程进行严格控制，每炉零件表面碳浓 度 、渗层深度都不同样．并且波动很大，就会导致轴变形没有规律 。
②装炉方式：工件各部位冷却不同步，决定了工件存在内应力，在一定条件下会产生变形 。
③淬火温度：共渗温度与淬火温度对变形有很大影响，共渗温度与淬火温度越高，花键孔收缩量越大，且淬火温度影响更明显。这是由于淬火温度越高，产生组织应力越大、变形越大，但淬火温度不适当过低 ，否则共渗层会浮现非马氏体组织，对零件性能不利 。
④ 淬火介质：淬火介质冷却特性是影响泵轴缩孔重要因素。如果能合理地选取淬火介质，可把淬火泵轴缩孔控制在工艺，条件规定范畴内。通过长期摸索，得到适当热解决工艺，可以将变形量控制到最小。
4.2 热解决缺陷分析
硬度过高，其产生也许因素：①冷却速度快，组织中珠光体片间距变细，可以通过调节冷却方式或冷却介质来防止；②保温时间短，组织均匀化为完毕，可以恰当延长保温时间；③装炉量大，炉温不均匀，可以恰当减小装炉量。重新退火，严格控制工艺参数，可消除硬度过高缺陷
过热及过烧，其产生因素如下：加热温度过高，使晶界氧化或局部熔化。防止办法：（1）防止零件在加热过程中产生过热现象，依照选用设备制定对的合理热解决工艺参数；（2）在操作过程中严格控制加热温度、保温时间，或采用预热等减少加热速度办法，尽量消除晶粒长大因素。
氧化、脱碳，产生因素：加热时炉温较高，过剩空气量大，炉内氛围呈氧化性。对策：①避免加热温度过高，避免保温时间过长②控制炉气为中性或还原性氛围③铸件表面涂防氧化涂料或石灰④采用防护罩或铁屑、木炭，将铸件与炉气隔离
裂纹，产生因素：①铸件入退火炉前有较大内应力；②铸件入炉时炉温过低，或低温时加热速度过快，产生热应力较大。对策：严格控制入炉温度，低温阶段加热速度应缓慢
变形，产生因素：①支垫不良（支点少，未垫实）；② 加热温度不均匀，冷速过快，热应力过大；③摆放不正，或工件与工件互相挤压；对策：①合理增长支点，仔细垫实；薄壁箱体类件上部避免压工件；②铸件成垛装炉，支垫面不得有飞边、毛刺、凸起物；③入炉前，先划线检查；装炉时，针对变形状况支压④刚出炉件不得吊放在风中冷却。
回火缺陷因素和控制
回火硬度偏高：由于回火局限性，即回火温度低、回火时间不够。可以提高回火温度、延长回火时间来解决。
回火硬度低：由于温度过高或淬火组织中有非马氏体。可以减少回火温度和淬火工艺来解决。
回火硬度不均匀：回火炉温不均、装炉量过多导致。
网状裂纹：回火加热速度过快，表层产生多项拉应力。可以采用较慢回火加热速度。
回火开裂：淬火后未及时回火形成显微裂纹。可以减少淬火应力，并在淬火后及时回火。
四.结束语
通过度析可知，12CrNi3钢经淬火低温回火或高温回火后都具备良好综合力学性能，钢低温韧性好，缺口敏感性小，切削加工性能良好，当硬度为HB260～320时，相对切削加工性为60%～70此外，钢退火后硬度低、塑性好，因而，既可以采用切削加工办法制造模具，也可以采用冷挤压成型办法制造模具。为提高模具型腔耐磨性，模具成型后需要进行渗碳解决，然后再进行淬火和低温回火，从而保证模具表面具备高硬度、高耐磨性而心部具备较好韧性，该钢适当制造大、中型塑料模具，但该钢有回火脆性倾向和形成白点倾向。当前导致模具损坏因素诸多，但重要还是锻造工艺或热解决工艺不尽合理而导致。12CrNi3是高档渗碳钢，与15Cr、20Cr钢相比，其强度、塑性、淬透性均高。重要用来制作重负荷条件下规定高强度，高硬度和高韧性主轴及规定中心韧性很高或承受冲击负荷、表面耐磨、热解决变形小轴、杆以及在高速和冲击负荷下工作各种传动齿轮、调节螺钉、凸轮轴。零件综合性能解决与构成其自身元素基体外，最重要影响因素是热解决工艺。通过良好热加工工艺，可以有效将合金材料综合性能提高。从而使零件寿命得以延长，从而获得更好效益。
参 考 文 献
[1] 陈光等. 航空燃气涡轮发动机构造设计. 北京：北京航空学报出版社，1988
[2] 徐颖强.赵宁.吕国志.航天硬化泵轴材料性能研究.机械科学技术，,21
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[3] 崔忠圻.覃耀春.金属学与热解决，,5：123～124，283～284.
[4] 陈宗民．记录办法在锻造工序及产品质量中应用[J].锻造设
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[5] 杨满.实用热解决技术手册，机械工业出版社，,6： 119-120
[6]热解决原则化技术委员会.金属热解决原则应用手册.机械工业出版社.1994-8
[7]吉泽升，张雪龙.热解决炉.哈尔滨工程大学出版社.1999-1
热解决工艺卡片
热解决工艺卡
产品型号
12CrNi3叶片泵轴
零（部）件图号
A3
产品名称
叶片泵
零（部）件名称
叶片泵轴
简图：
材料牌号
12CrNi3
零件重量
1kg
工艺路线
锻造→正火→机加工→渗碳→淬火→回火→矫直→机加工
技术条件
检查办法
硬化层深度
0.7-1.0mm
金相法检测
硬度
58-63HRC
洛氏硬度检测58-63HRC合格
金相组织
表面：回火M+碳化物
心部：P
光学金相显微镜
力学性能
表面高硬度高耐磨性，心部韧性好
维氏检测
容许变形量
≤0.15mm
同轴度检查
工序号
工序名称
设备
装炉方式及数量
装炉
温度℃
加热
温度℃
加热时间h
保温时间h
冷却
工时
（h）
介质
温度℃
时间h
1
正火
RX3-15-9
随挂具装炉
12个/批
室温
920
2
2
空气
室温
-
-
2
渗碳
RQ3-60-9
930
930
-
4
空气
800
-
-
3
淬火
淬火槽
800
800
-
0.5
油
室温
-
-
4
回火
RQ3-60-9
室温
180
0.5
1
空气
室温
-
-
编制人
周万宇
编制日期
.12.25
审核日期
.12.25
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