20CrNi2MoA火车轴承套圈的热处理工艺设计.pdf

攀枝花学院攀枝花学院学生课程设计（论文）学生课程设计（论文）题 目：20CrNi2MoA 火车轴承套圈的热处理工艺设计学生姓名：X X 学 号：2011111020XX 所在院(系)：材料工程学院 专 业：20XX 级材料成型及控制工程 班 级：材料成型及控制工程 指 导 教 师：X X X 职称：讲 师 2013 年 12 月 15 日攀枝花学院教务处制攀枝花学院本科学生课程设计任务书攀枝花学院本科学生课程设计任务书题目题目20CrNi2MoA 火车轴承套圈的热处理工艺设计1、课程设计的目的、课程设计的目的使学生了解、设计 20CrNi2MoA 火车轴承套圈的热处理工艺设计，主要目的：（1）培养学生综合运用所学的热处理课程的知识去解决工程问题的能力，并使其所学知识得到巩固和发展。（2）学习热处理工艺设计的一般方法、热处理设备选用和装夹具设计等。（3）进行热处理设计的基本技能训练，如计算、工艺图绘制和学习使用设计资料、手册、标准和规范。2、课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）、课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）内容：进行零件的加工路线中有关热处理工序和热处理辅助工序的设计。根据零件的技术要求，选定能实现技术要求的热处理方法，制定工艺参数，画出热处理工艺曲线图，选择热处理设备，设计或选定装夹具，作出热处理工艺卡。最后，写出设计说明书，说明书中要求对各热处理工序的工艺参数的选择依据和各热处理后的显微组织作出说明。要求：（1）分析生产加工及热处理过程中可能出现的缺陷，针对这些缺陷提出预防措施或补救措施。（2）提交设计说明书（或设计报告），35 千字，提交设计说明书。3、主要参考文献、主要参考文献1 崔明择主编.工程材料及其热处理M.北京：机械工业出版社，2009.7.2崔忠析主编.金属学与热处理（第二版）M.北京：机械工业出版社，2007.53王建安.金属学与热处理M.北京：机械工业出版社，19804 中国机械工程学会.热处理手册M.北京：机械工业出版社，2006.75 范逸明.简明金属热处理工手册M.北京：国防工业出版社，2006.34、课程设计工作进度计划、课程设计工作进度计划第 16 周：对给定题目进行认真分析，查阅相关文献资料，做好原始记录。第 17 周：撰写课程设计说明书，并进行修改、完善，提交设计说明书。指导教师指导教师（签字）日期日期年 月 日教研室意见：教研室意见：年 月 日学生学生（签字）：接受任务时间：年 月 日注：注：任务书由指导教师填写。课程设计（论文）指导教师成绩评定表课程设计（论文）指导教师成绩评定表题目名称评分项目分值得分评价内涵题目名称评分项目分值得分评价内涵01学习态度6 6遵守各项纪律，工作刻苦努力，具有良好的科学工作态度。02科学实践、调研7 7通过实验、试验、查阅文献、深入生产实践等渠道获取与课程设计有关的材料。工作表现20%03课题工作量7 7按期圆满完成规定的任务，工作量饱满。04综合运用知识的能力1010能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题，能正确处理实验数据，能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。05应用文献的能力5 5能独立查阅相关文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获取新知识的能力。06设计（实验）能力，方案的设计能力5 5能正确设计实验方案，独立进行装置安装、调试、操作等实验工作，数据正确、可靠；研究思路清晰、完整。07计算及计算机应用能力5 5具有较强的数据运算与处理能力；能运用计算机进行资料搜集、加工、处理和辅助设计等。能力水平35%08对计算或实验结果的分析能力（综合分析能力、技术经济分析能力）1010具有较强的数据收集、分析、处理、综合的能力。09插图（或图纸）质量、篇幅、设计（论文）规范化程度5 5符合本专业相关规范或规定要求；规范化符合本文件第五条要求。10设计说明书（论文）质量3030综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理；实验正确，分析处理科学。成果质量45%11创新1010对前人工作有改进或突破，或有独特见解。成绩指导教师评语成绩指导教师评语指导教师签名：年月日攀枝花学院本科课程设计（论文）摘要摘 要摘 要 本课设计了 20CrNi2MoA 火车轴承套圈的热处理工艺设计。主要的工艺过程包括锻造、预备热处理（完全退火）、渗碳、淬火+低温回火等过程。通过各种不同的工艺过程进行恰当的处理可以获得各种性能良好的材料并且满足各项性能的要求。20CrNi2MoA钢能承受高强度摩擦和载荷，有极高的韧性，可以作为表面强化型的渗碳钢应用于渗碳齿轮、渗碳轴承等零件上；也可以经低温回火后应用于诸如挖掘机斗齿(镐牙)、农用机械磨损件等要求耐磨损、耐冲击的零件上 轴承套圈是火车中重要的承受载荷的零件。其在轮毂中起到固定连接其他部件的作用，并且在火车运动过程中起到缓冲的作用，降低主要工作部件承受的载荷，减少其损耗。关键词：关键词：20CrNi2MoA 钢，完全退火，低温回火，火车轴承套圈攀枝花学院本科课程设计（论文）目录目 录目 录摘 要.1、设计任务.11.1 设计任务.11.2 设计的技术要求.12、设计方案.22.1 变速箱设计的分析.22.1.1 工作条件.22.1.2 失效形式.22.1.3 性能要求.22.2 钢种材料.33、设计说明.43.1 加工工艺流程.43.2 具体热处理工艺.43.2.1 预备热处理工艺.53.2.2 机械加工.53.2.3 渗碳工艺.53.2.4 淬火+低温回火热处理工艺.64、分析与讨论.85、结束语.96、热处理工艺卡片.10参 考 文 献.11攀枝花学院本科课程设计（论文）1 设计任务11 设计任务1.1 设计任务20CrNi2MoA 火车轴承套圈的热处理工艺设计。1.2 设计的技术要求20CrNi2MoA 是一种渗透钢材料，它具有 20CrNi2MoA，能承受高强载荷。它的化学成分为碳 C：0.170.23 硅 Si：0.170.37 锰 Mn：0.600.95 硫 S：允许残余含量0.035 磷 P：允许残余含量0.035 铬 Cr：0.400.70 镍 Ni：0.350.75 铜 Cu：允许残余含量0.030 钼 Mo：0.200.30由于火车轴承套圈长期处于高强载荷，摩擦下，易疲劳。其主要失效形式为疲劳磨损。因此应提高其硬度，韧性，和接触面光滑度。在20CrNi2MoA钢进行热处理时，即去应力退火，淬火和高温回火时应严格按照卡片所列出的时间进行保温以及其它操作的要求。攀枝花学院本科课程设计（论文）2 设计方案32 设计方案2.1火车轴承套圈设计火车轴承套圈设计的分析2.1.1 工作条件由于是火车零件，因此其工作环境较为恶劣。零件长期处于高强摩擦和重载荷下。2.1.2 失效形式火车轴承套圈的失效形式主要是接触疲劳磨损，除此之外还存在断裂、点蚀表面疲劳磨损发生在零件的表层或亚表层，是由工作时表面受到的多变的接触压力及切应力反复作用应起的。在这些力的作用下，表面发生微量塑变，进而导致加工硬化，塑性降低。在缺陷部位的应力集中作用下产生裂纹源，在表层扩展累积，最终导致表面无知脱落2.1.3 性能要求a高的淬硬性和足够的淬透性，以保证表面有均匀的、高的硬度，从而保证其耐磨性。b.高的接触疲劳强度和抗压强度，以保证其有长的使用寿命。c.高的弹性极限和冲击韧度，以减少变形和偶然冲击破坏。d.要有足够的尺寸稳定性，以保证在使用中不发生尺寸变化。e.一定的抗蚀性，以便抵抗大气和润滑油的化学腐蚀。f.良好的工艺性，以保证大量生产的需要。g.对于在特殊条件下工作的轴承零件要求能耐高温和高的耐腐蚀性。20CrNi2MoA钢力学性能：淬火加热温度（）：850；冷却剂：油 回火加热温度（）：200；冷却剂：空【力学性能】抗拉强度：≥980(100)屈服强度：≥785(80)伸长率 5()：&ge9 断面收缩率 ()：≥40 冲击功：≥47 冲击韧性值(J/cm2)：≥59(6)布氏硬度（HBS100/3000）（退火或高温回火状态）：197。2.2 钢种材料钢种材料20CrNi2MoA钢可以作为表面强化型的渗碳钢应用于渗碳齿轮、渗碳轴承等零件上；也可以经低温回火后应用于诸如挖掘机斗齿(镐牙)、农用机械磨损件等要求耐磨损、耐冲击的零件上。类似的钢种还有 20、15Mn、20Cr2Ni4A、攀枝花学院本科课程设计（论文）2 设计方案3G20CrMoA攀枝花学院本科课程设计（论文）3 设计说明43 设计说明3.1 加工工艺流程20CrNi2MoA 火车轴承套圈的热处理工艺设计的热加工工艺流程经过许多次改进形成如下的工艺流程:备料锻造正火等温球化退火机加工淬火低温回火磨削加工。20CrNi2MoA 钢化学成分为碳 C：0.170.23 硅 Si：0.170.37 锰：0.600.95 硫 S：允许残余含量0.035 磷 P：允许残余含量0.035 铬 Cr：0.400.70 镍 Ni：0.350.75 铜 Cu：允许残余含量0.030 钼 Mo：0.200.30成分分析：Mn 是良好的脱氧剂和脱硫剂。它能消除或减弱由于硫所引起的钢的热脆性，从而改善钢的热加工性能。Mn 和 Fe 形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度，经固溶处理后有良好的韧性，当受到冲击而变形时，表面层将因变形而强化，具有高的耐磨性；同时又是碳化物形成元素，进入渗碳体中取代一部分铁原子。Si 能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度。硅能提高钢的弹性极限、屈服强度和屈服比,以及疲劳强度和疲劳比(-1/b)等。硅能促使铁素体晶粒粗化，降低矫顽力。3.2 具体热处理20CrNi2MoA 钢的热处理包括初期的锻造和预先热处理，以减少坯料的硬度为方便后面的机加工，也为后续渗碳、淬火、回火提供优良的原始组织。20CrNi2MoA 的热处理工艺分析：由于 20CrNi2MoA 钢的含碳量较低，对于齿轮这种要求刚强度和高耐磨的特性，那么 20CrNi2MoA 钢的最重要的就是提高其硬度和耐磨性。通过锻造和随后的退火，形成硬度较低的原始坯料，为后续的切削加工提供有利的方便和减少对于车床的磨损。渗碳是通过对其表面更加的硬度能够更大程度的提升，保证质量。为了碎化、细化共晶碳化物，把粗大的枝晶状共晶碳化物打碎、提高碳化物分布的均匀性，细化碳化物的粒度，一般 20CrNi2MoA 钢使用时都需要进行锻造和预先热处理,以减少碳化物的不均匀分布,为后续淬火、回火提供优良的原始组织4。攀枝花学院本科课程设计（论文）3 设计说明53.2.1 预备热处理工艺钢的退火指将钢加热到一定温度并保温一段时间，然后使它慢慢冷却的过程。钢的退火是将钢加热到发生相变或部分相变的温度，经过保温后缓慢冷却的热处理方法。退火的目的是为了消除组织缺陷，改善组织使成分均匀化以及细化晶粒，提高钢的力学性能，减少残余应力；同时可降低硬度，提高塑性和韧性，改善切削加工性能。所以退火既为了消除和改善前道工序遗留的组织缺陷和内应力，又为后续工序作好准备，故退火是属于半成品热处理，又称预先热处理3.2.2渗碳工艺渗碳是将工件放入渗碳气氛中，并在 900950的温度下加热、保温，使其表面层增碳的一种工艺操作。渗碳的目的在于使工件在继续经过相应热处理后表面具有高硬度和耐磨性，而心部任保持一定的强度和较高的任性。固体渗碳工艺如图 3.36所示。图 2 钢的渗碳工艺曲线攀枝花学院本科课程设计（论文）3 设计说明63.2.4 淬火+低温回火热处理工艺淬火 将钢加热到 Ac3(亚共析钢)或 Ac1(过共析钢)以上（3050）某一温度，保持一定时间，然后在水或油中快速冷却的操作工艺称为淬火。其目的是使奥氏体化后的工件获得尽量多的马氏体，然后配以不同温度回火获得各种需要的性能。钢的淬火是热处理工艺中最重要、也是用途最广泛的工序低温回火回火是将淬火钢加热到 A1以下某一温度，经过保温，然后以一定的冷却方法冷至室温的热处理操作。其目的在于：a.降低脆性，消除内应力。工件淬火后存在着很大的内应力和脆性，若不及时回火，零件会产生变形或开裂。b.得到对工件所要求的力学性能。工件淬火后，硬度高，脆性大，为了了获得对工件要求的性能，可以用回火温度调整硬度，减小脆性，得到所需要的塑性、强度和硬度。c.稳定工件尺寸。淬火后的组织是马氏体和残余奥氏体，这两种组织都是不稳定的，会自发地逐渐地发生组织转变，因而引起工件尺寸和形状的改变。通过回火，可以促使这些组织转变。达到较稳定状态，以便在以后的使用过程中不发生变形8。淬火，回火工艺曲线如图图3 淬火，回火工艺曲线攀枝花学院本科课程设计（论文）3 设计说明7回火规范如表3.2 9。表3.5 20CrNi2MoA回火规范表回 火 方案 淬火温度/用 途 加热温度/介质硬度 HRC 10201040 消除应力 去除应力，降低硬度去除应力，降低硬度150170 200275 400425 油或硝盐 6163 5759 5557 11151130 去除应力及形成二次硬化 去除应力及形成二次硬化 去除应力及形成二次硬化 510520多次回火 -78冷处理加510520一次回火-78冷处理加一次510520回火，再-78冷处理 6061 6061 61623.2.5 物理性能经过上述各种热处理后20CrNi2MoA 钢的韧性、硬度、耐磨性都有所甚至很大的提升。攀枝花学院本科课程设计（论文）3 设计说明7攀枝花学院本科课程设计（论文）4 分析与讨论84 分析与讨论 20CrNi2MoA 火车轴承套圈的热处理工艺设计已经在前面展示，单就其性能以及热处理的过程想必是没多大问题，若放入实际生产中有很多不可预知的问题，因此，不能纸上谈兵须得到工厂或者实验室中反复的通过实验数据进行分析，然后在得出最重要的结论用于实践中，从而在生产中减低成本、提高效率并且减少工时，降低能源消耗。攀枝花学院本科课程设计（论文）5 结束语95 结束语 20CrNi2MoA 钢制造火车轴承套圈热处理工艺设计终于完成了，我这设计过程中大致了解了火车轴承套圈制作的工艺流程，并从中明白了轴承套圈在火车运动过程中起到的重要作用，并对金属热处理过程有了更深刻的认识。说实话，在前段时间上金属学理论知识课时不太认真，许多知识都模模糊糊是懂非懂，当得知要完成这个课程设计时，非常苦恼，不这道怎么下手，但现在经过我详细查阅资料，终于对金属学有了充分认识，找到了入手点后，一切变得简单了。经过长久的努力终于完成了这个课设。这次课设对格式的要求很严格，字体大小，数字分号，表格图片的编辑，都做了严格的规定。原本我不太理解，觉得太麻烦，过于约束，还浪费时间，现在想来这正是一种理科生应该有的严谨态度。在未来的工作中，作为工科出身的我们，必须避免因马虎，取巧而造成的事故，只有在任何事情上做到谨小慎微，严格规范，才能减少错误的发生。最后感谢导师的指导，和学校的安排，相信这次课设经历能为我们今后的人生留下宝贵财富。攀枝花学院本科课程设计（论文）6 热处理工艺卡106 热处理工艺卡片处理要求：下料、锻造、预备热处理(完全退火)、机械加工淬火+低温回火、平磨、组装零件名称：火车轴承套圈热处理工艺卡材料：20CrNi2MoA钢热处理技术要求：恰当控制温度和时间硬度：大于等于 170HBW工序号名称设 备工具装 料工 艺 规 范冷 却备 注工具数量一工具装数量/件温度/加热时间保温时/h 间合计介质温度/1正火9009204060min-炉冷2完全退火70078025min1h1h油3渗碳9009505min2h2h渗碳气氛4淬火101h1-22-3h空气5低温回火1701802h3-5678910更该日期更改单号更改标准更 改者攀枝花学院本科课程设计（论文）参考文献11参 考 文 献参 考 文 献1 百度百科2 王建安.金属学与热处理M.北京：北京机械工业出版社，19803 张熹,崔京玉,章军.浅析齿轮钢及热处理工艺对汽车用齿轮性能的影响J.北京,首钢技术研究.2009,10.4 吴晓峰,马坤.模具钢应用的主要问题与热处理研究进展J.2009,35(9):55-62.5 樊新民.热处理工实用技术手册（第 2 版）M.江苏,江苏科学技术出版社,2010,1.6 王忠诚,齐宝森,李杨等.典型零件热处理技术M.北京,化学工业出版社.2010,7.7 崔中圻,谭耀春.金属学与热处理（第 2 版）M.北京,机械工业出版社.2012,1.8 林约利,程芝苏.简明金属热处理手册（第二版）M.上海,上海科技出版社.2003,3.9 戴起勋，金属材料学M.北京：化学工业出版社，2005.10陈永彝，钢冶金M.北京：冶金工业出版社，1985.11汪复兴，金属物理M.北京机械工业出版社