课程设计--CA8480轧辊车床主轴和淬火量块热处理工艺的设计.doc

《热处理工艺设计》

CA8480轧辊车床主轴和淬火量块热处理工艺的设计

目 录

一、 CA8480轧辊车床主轴热处理工艺的设计 5
1. 工作环境 5
2. 性能要求 5
3. 选材 5
4. 工艺方法选择和工艺路线的确定 5
5. 工艺参数 5
6. 工序说明 6
7. 常见热处理缺陷 7
二、 淬火量块热处理工艺的设计 8
1. 工作环境 8
2. 性能要求 8
3. 选材 8
4. 工艺方法选择和工艺路线的确定 9
5. 工艺参数 9
6. 工序说明 10
7. 常见热处理缺陷 11
参考文献 11
总 结 12

一、 CA8480轧辊车床主轴热处理工艺的设计
1. 工作环境
1) 与滑动轴承配合
2) 中轻载荷
3) 精度不高
4) 低冲击、低疲劳
2. 性能要求
主轴是机床的重要零件之一，切削加工时，高速旋转的主轴承受弯曲、扭转和冲击等多种载荷，要求它具有足够的刚度、强度、耐疲劳、耐磨损以及精度稳定等性能。
3. 选材
主轴依用材和热处理方式可分为四种类型，即局部淬火主轴，渗碳主轴，渗氮主轴和调质（正火）主轴。根据主轴的工作条件，选择材料为45钢。
4. 工艺方法选择和工艺路线的确定
方案一：毛胚—锻造—正火—粗加工—中频感应加热淬火—中温回火—精加工
方案二：毛胚—锻造—粗加工—调质—中频感应加热淬火—精加工
45钢正火后性能和调质接近，满足使用要求，但是正火更经济，所以选着方案一。
5. 工艺参数
1) 正火：锻后840~860°C×2~4h,空冷
2) 感应淬火：粗车后使用208 中频发电机和φ1000mm×5000mm 卧式淬火机。淬后表面硬度48 ~52HRC
3) 回火：井式炉340°C×4h，空冷
热处理工艺曲线如图1.5.1。
图1.5.1 CA8480轧辊车床主轴热处理工艺曲线
6. 工序说明
1) 正火：目的在于获得一定的硬度，细化晶粒，并获得比较均匀的组织和性能。正火后其硬度接近于最佳切削加工的硬度。正火后获得珠光体组织。珠光体的片间距及团直径较小，而且可以抑制先共析网状渗碳体的析出。
2) 感应淬火：轴颈处进行感应淬火，以获得表面层硬而耐磨，心部又有足够塑性、韧性的工件。表面为M，往里为M+F,再往里为M+F+P，中心为P+F。
3) 回火：减少或消除淬火应力，提高韧性和塑性，获得硬度、强度、塑性和韧性的适当配合，以满足不同工件的性能要求。回火后得到回火屈氏体组织，有较高的弹性极限，又有较高的塑性和韧性。
7. 常见热处理缺陷
1) 变形开裂 壁厚不均匀和有尖角的工件，淬火时易变形开裂，45钢的易裂尺寸范围为5~11mm。同时，钢的化学成分也影响开裂。生产实践证明，当45钢工件处于易裂尺寸范围，且C、Cr、Mn等含量在规定含量的上限时，就更容易开裂。
2) 过烧 由于加热温度过高，出现晶界氧化，甚至晶界局部熔化，造成工件报废。
3) 粗大魏氏组织 退火或正火钢中出现粗大魏氏组织的主要原因是由于加热温度过高所造成的。为了消除魏氏组织，可以采用稍高于Ac3的加热温度，即使先共析相完全溶解，又不使奥氏体晶粒粗大，而根据钢的化学成分采用较快或较慢的冷却速度冷却。
4) 淬火裂缝
a) 纵向裂缝：沿着工件轴向方向由表面裂向心部的深度较大的裂缝。
b) 横向裂缝：常发生于大型轴类零件上。
c) 表面裂缝：这是分布在工件表面的深度较小的裂缝。

二、 淬火量块热处理工艺的设计
1. 工作环境
量具工作时受外加应力小，工作环境一般都较好。
2. 性能要求
硬度64~66HRC，60×30×9mm
量具工作面都要求高度光洁，因此量具用钢对于钢材的原始组织往往有一定要求。
3. 选材
选择量具用钢应着重考虑对量具耐磨性、尺寸稳定性、切削加工性和抗蚀性等方面的影响。
1) 耐磨性 量具工作面必需有高度耐磨性才能在长期使用中保待精度，为此淬火硬度高、耐磨性好的过共析钢常在入选之列。
2) 尺寸稳定性 量具在使用和存放过程中应能保待最小的尺寸变化，因此最具中应尽量减少残留奥民体量和残留应力值。一般认为含Cr 、W 、Mn 等合金元素的钢对减小时效变形有良好作用.
3) 切削加工性 良好的切削加工性可保证批量生产中热处理的高生产率；减少热处理后磨削加工时受损伤的可能性。为此应选用切削加工性好、材质均匀、组织良好及退火硬度适当的钢材。
4) 抗蚀性 为提高量具对大气、手汗等的抗腐蚀能力，许多量具采用镀铬等表面处理方法或采用马氏体不锈钢。在量具生产中，为保证抗蚀性已越来越多地采用可淬硬的不锈钢。
GCrl5的特点：
1) 碳化物颗粒均匀细小，退火及淬火硬度均匀
2) 含硫量低，夹杂物少
3) 经适当热处理后尺寸稳定性好
4) GCrl5 淬透性较好
GCr15 用于各种量规、量块及其他高精度量具零件。
结合淬火量块工作环境和使用要求，选择材料为GCrl5。
4. 工艺方法选择和工艺路线的确定
方案一：锻造—退火—切削加工—淬火—热矫直—冷处理—三次低温回火—人工时效 —粗磨—人工时效—研磨
方案二：锻造—退火—切削加工—淬火—热矫直—冷处理—两次低温回火—冷处理—低温回火—冷处理—人工时效—精磨—人工时效—研磨
方案三：锻造—调质—切削加工—淬火—热矫直—低温回火—喷砂—研磨
方案二采用冷处理和回火多次交替的工艺以求得到最佳的尺寸稳定性，尽管多次交替反复冷处理和回火的循环的热处理效应递减，但总的效果却提高了，不过这样使工序增多，成本增加，不划算；方案三虽然简单，但最终硬度在58HRC左右，达不到要求。综上所述，选择方案一。
5. 工艺参数
1) 退火：780~800°C×2~6h，以＜30°C/h炉冷至500~600°C出炉空冷。
2) 淬火：850°C，油冷
3) 冷处理：-78°C×0.5~1h
4) 回火：140~150°C×1h，三次
5) 人工时效：120°C×48h / 120°C×10h
热处理工艺曲线如图2.5.1。
图2.5.1 淬火量块热处理工艺曲线
6. 工序说明
1) 退火：目的在于均匀化学成分，达到改善机械性能及工艺性能，消除或减少内应力，并为零件最终热处理准备合适的内部组织。
2) 淬火：根据产品技术要求或加工制作的需要，量规和量具零件可以选用盐浴炉、真空炉、可控气氛炉、流态化炉或感应加热设备进行加热。对于量块，为减少尺寸不稳定因素，一般不选用分级或等温淬火，如用油淬火，油温也以保持在室温为宜。
3) 冷处理：对尺寸稳定性要求高的工件，淬火至室温后应立即(最好在半小时以内)进行冷处理，使残余留奥氏体尽可能多地转变为马氏体，工件硬度会相应地有所提高。随后进行的回火(或人工时效处理)则促使合金元素从新分配，降低应力，使组织结构趋于稳定。
冷处理完毕后待工件温度升至室温立即进行回火或人工时效。操作时应带手套等防护用品以防止冻伤。冷处理前应擦干工件上的水分及杂物。
4) 回火：以在热浴（硝盐或热油）中回火为宜。热浴回火保温时间应不少于1h，截面尺寸在50mm 以上者需2~4h。
5) 人工时效：人工时效宜在热浴中进行。工件在精磨后宜在120°C时效10h ，以消除磨削应力。
量块热处理工艺的要点在于：尽量减少残余奥氏体量，增加马氏体的正方性以及减小残余应力。
7. 常见热处理缺陷
1) 过烧 由于加热温度过高，出现晶界氧化，甚至晶界局部熔化，造成工件报废。
2) 粗大魏氏组织 退火或正火钢中出现粗大魏氏组织的主要原因是由于加热温度过高所造成的。为了消除魏氏组织，可以采用稍高于Ac3的加热温度，即使先共析相完全溶解，又不使奥氏体晶粒粗大，而根据钢的化学成分采用较快或较慢的冷却速度冷却。
3) 裂纹 淬火温度过高，回火不足可造成工件残余应力大，即使在合理的磨削条件下也可能产生磨削裂纹，这种裂纹相对于纯粹的磨削裂纹来说一般较稀疏，也较宽而深。较严重的网状碳化物和材料导热性差都能促进磨削裂纹的产生。
钢中残余奥氏体在磨削时可能转变成淬火马氏休，较脆。所以残余奥氏体量多的工件在磨削时容易发生磨削裂纹。
工件硬度与磨削裂纹的形成有关，硬度小于55 HRC 的工件虽可能发生烧伤但产生磨削裂纹的情况极少，60HRC以上的工件，都会使磨削裂纹发生的可能性大为增加。磨削裂纹多在表面发生变色后才出现，烧伤前很少开裂。
4) 变形（翘曲）：各道冷、热加工工序都应尽量减少引入的应力，在磨削之间插入人工时效。另外，应特别强调磨削过程中应经常翻面，注意使零件正反两面的磨削量基本一致，使两面引入的磨削应力尽量达到平衡。

参考文献
[1] 中国机械工程学会热处理专业分会《热处理手册》编委会.热处理手册(第2卷典型零件热处理).第3版.北京：机械工业出版社，2001.8

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