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1、1 前言 零件设计是一个工程技术人员应该具备的最基本的专业技能。零件分析是认识零件的过程，是确定零件表达方案的前提，一个好的视图表达方案离不开对零件的全面、透彻、正确分析。零件分析也是确定零件的尺寸标注以及确定零件的技术要求的前提，因此，零件分析是绘制零件图的依据。零件的工艺结构分析就是要求设计者从零件的材料、铸造工艺、机械加工工艺乃至于装配工艺等各个方面对零件进行分析，以便在零件的视图选择过程中，考虑这些工艺结构的标准化等特殊要求和规定，使零件视图表达更趋完整、合理。 课程设计可以培养学生综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题的能力，是锻炼实践能力的重要环节，
2、是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。热处理生产工艺过程设计是金属材料工程专业课程教学的一个重要环节。通过这一环节，可以使我们初步掌握典型零部件生产工艺过程；掌握典型零件的选材、热处理原则和工艺制定原理；理论联系实际，综合运用基础课及专业课程多方面的知识去认识和分析零部件热处理生产过程的实际问题，培养解决问题的能力。 热处理工艺是整个机器零件和工模具制造的一部分，热处理是通过改变钢的内部组织结构，以改善钢的性能，通过适当的热处理可以显著提高钢的机械性能，延长机器零件的使用寿命。热处理工艺不但可以强化金属材料、充分挖掘材料性能潜力、降低结构重量、节省能源，而且能够提高机械产品质量、
3、大幅度延长机器零件的使用寿命。 任何一种热处理工艺都不是绝对的完美，所以经热处理后的材料会有不同程度的缺陷，对零件的缺陷进行分析也是零件设计必不可少的步骤。合理选择检验设备以及正确的检验方法是做好检验的必要条件。 通过课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，我们才能从中获得真正的知识，有了真正的知识，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。 2 零件图分析 图1 零部件图 技术要求：1）氮化处理 氮化层深度：>0.5mm 2）表面硬度：550-700HV
4、 服役条件：航空齿轮使用来传递动力和改变运行速度的，因此在功率传递机构如减速器中，使用各种形式的齿轮，有较高的传动速度，受重载和冲击。齿轮工作时，一对啮合的齿轮面之间相互滑动，从而产生很大的摩擦力，而且轮齿根部还受到脉动和交变弯曲应力作用。 失效形式：①由摩擦力造成的齿面磨损；②齿轮间的接触，产生了接触应力，一旦超过材料疲劳极限，就会造成齿轮的接触疲劳破坏，如；表面麻点和疲劳剥落；③齿轮根部还承受交变的弯曲应力，易造成弯曲疲劳破坏，如齿根折断。 性能要求：①良好的力学性能：a、高的齿面塑变抗力，即高的齿面硬度；b、高接触疲劳强度；c、高弯曲疲劳强度；d、良好的抗冲击性能，即良好的
5、心部韧性。②良好的工艺性能：a、良好的淬透性；b、良好的切削加工性能 3 材料选择 3.1 初步选材 根据航空齿轮的性能和技术要求，选定的材料应该具有高强度、高韧性以及良好的淬透性。铸铁容易铸成复杂的形状，容易切削，成本低，但其抗弯强度、耐冲击和耐磨性能差，故常用于受力不大、无冲击、低速的齿轮；有色金属亦强度低、承受轻载，故均不宜制造航空齿轮。此外，中碳钢虽然调质处理后有较好的综合力学性能，但淬透性差，工艺性能差，切削加工性能较差，且淬火后变脆，变形也大，故不适宜制造精度要求高的航空齿轮。故初步确定符合要求的材料为含碳量范围w(C)为0.1%-0.2%的高淬透性钢，渗碳后进行
6、淬火、低温回火使用。 3.2 确定材料 铸铁容易铸成复杂的形状，容易切削，成本低，但其抗弯强度、耐冲击和耐磨性能差，故常用于受力不大、无冲击、低速的齿轮；有色金属亦强度低、承受轻载，故均不宜制造航空齿轮。此外，中碳钢虽然调质处理后有较好的综合力学性能，但淬透性差，工艺性能差，切削加工性能较差，且淬火后变脆，变形也大，故不适宜制造精度要求高的航空齿轮。高速重载的齿轮用钢，通用的有以下几种： 表1 常见齿轮用钢性能对比 材料 比较项 性能 价格 适用范围 12Cr2Ni4A 具有高的综合力学性能，是高淬透性渗碳钢，冲击韧度高，但有回火脆性和形成白点倾向，且工艺性能差
7、 较低 适用于制造截面较大、且承受重载荷的渗碳零件，如高负荷齿轮 18Cr2Ni4WA 高淬透性，有较好的强韧性配合，缺口敏感性小，可进行渗碳和氮化处理，也可在其它热处理条件下使用，渗碳后工件变形小，表面高硬度高耐磨，工艺性能比较差，如切削性、磨削性较差 高 适用于大截面、高强度又需要良好韧度和缺口敏感性小的重要渗碳件，如齿轮 续表 常用齿轮性能对比 38CrMoAlA 经表面氮化处理后，有高表面硬度高耐磨，零件之间发生咬死和卡伤的倾向小，且有高的疲劳强度，小的缺口敏感性，还有抗水、油等介质腐蚀的能力，有一定的耐热性，在低于渗氮温度下受热可保持高硬度 高 工艺温度低，
8、变形小，适用于精密机床主轴，高精度，高可靠性的齿轮，如航空齿轮 航空齿轮承受剧烈的交变载荷和冲击载荷，所受应力复杂，工况恶劣，使得齿轮在精度、强度、耐久性和可靠性等方面有更高要求。38CrMoAlA的氮化处理虽然比12Cr2Ni4A和18Cr2Ni4WA的渗碳处理费用高，但对于空用齿轮来说，高性能占主导，故综合考虑选用38CrMoAlA作为航空齿轮材料更适合。 3.3 20Cr2Ni4A的化学成分、相变点及合金元素作用 3.3.1 钢的化学成分 表2 38CrMoAlA的化学成分 牌号 化学成分（%） C Si Mn Cr Mo Al 38CrMoA
9、lA 0.35～0.42 0.20～0.45 0.30～0.60 1.35～1.65 0.15～0.25 3.25～3.65 3.3.2 38CrMoAlA的相变点 表3 38CrMoAlA的相变点 相变点 Ac Ac Ar Ar Ms 温度/℃ 760 885 675 740 360 3.3.3 化学元素作用 C元素：提高屈服点和抗拉强度，增加钢的冷脆性和时效敏感性，降低塑性、冲击性以及耐大气腐蚀能力。 Si元素：提高钢的回火稳定性、提高钢的抗氧化性、提高钢的淬透性和淬透温度。 Mn元素：提高钢的淬透性，从基体组织中扩散到析出的渗碳体中，
10、形成合金渗碳体,改善其硬度。 Cr元素: 提高钢的淬透性,固溶强化基体组织，并改善基体组织的回火性和硬度，具有良好的抗腐蚀和抗氧化性。 Mo元素：Mo铁素体基体有固溶强化作用，提高钢热强性，抗氢蚀的作用，提高钢的淬透性，抑制了第二类回火脆性，使心部具有一定的韧性。 Al元素：能与空气中的O（氧）化合生成AlO，从而形成保护膜，既防腐又耐蚀。 此外，Cr、Mo、Al、Si等元素对表面渗氮层深度、硬度都有一定影响。（具体可见特种热处理P80、P81） 4 确定加工路线（冷、热加工） 确定零件加工路线加工工艺主要包括机加工和热处理工艺。机加工是指通过加工机械精确去除材料
11、的加工工艺。它直接改变毛坯的形状、尺寸和表面质量等，使其成为零件的过程称为机械加工工艺过程。热处理工艺是将金属材料放在一定的介质内加热、保温、冷却，通过改变材料表面或内部的金相组织结构,来控制其性能的一种金属热加工工艺。 4.1 初步确定加工路线 根据38CrMoAlA材料的性能以及技术要求，可初步确定其加工路线为：下料→锻坯→预备热处理（完全退火）→粗加工（车齿坯→粗铣齿）→中间热处理（调质→去应力退火）→精加工（精铣齿→磨端面及孔→磨齿）→最终热处理（氮化处理）→检查硬度和氮化层深度。 4.2 每个步骤的作用 （1）下料的作用：提供原料； （2）锻坯
12、的作用：获得原料； （3）预备热处理的作用：其目的在于消除其锻件常存在晶粒粗大或晶粒大小不均匀等组织缺陷及内应力，使钢的强度、塑性和韧性达到技术要求即均匀组织、细化晶粒、消除内应力、改善切削加工性能等，为最终热处理做好组织准备。 （4）车齿坯与粗铣齿的作用：对材料进行机械粗加工，是以快速切除毛坯余量。 （5）中间热处理：一般是为了消除工件因冷加工或切削加工以及热加工后快冷而引起的残余应力，以避免其随后可能产生的变形、开裂或后续热处理的困难。 （6）精加工（磨端面及孔和磨齿）的作用：完成各主要表面的最终加工,使零件的加工精度和加工表面质量基本达到图样规定的要求。 （7）
13、最终热处理的作用：获得适当的组织，进而获得所需的力学性能。 （8）检查硬度和氮化层深度的作用：验收产品。 5 热处理工艺方法选择 5.1 预备热处理工艺的选择 一般预备热处理有这几种：1、调质处理：一般后面要进行表面淬火处理，其预备热处理的目的是为了使工件表面淬火前得到强韧性结合优良的心部性能，降低使用过程中的心部疲劳开裂。2、正火处理：一般后面进行的是化学热处理（渗碳+淬火）或者调质热处理，其预备热处理的目的就是细化晶粒、消除机加应力、均匀不平衡组织等，为后面的最终热处理奠定良好的组织基础。3、退火处理：后面最终热处理一般都是调质处理，其作为预备热处理的目的就是为
14、了消除应力以及降低表面硬度。正火与退火工艺相比，其主要区别是正火的冷却速度稍快，所以正火热处理的生产周期短。故退火与正火同样能达到零件性能要求时，尽可能选用正火。大部分中、低碳钢的坯料一般都采用正火热处理。一般合金钢坯料常采用退火，若用正火，由于冷却速度较快，使其正火后硬度较高，不利于切削加工。此外，完全退火主要用于含碳量质量分数为0.3%～0.6%的中碳钢铸、锻件，因为38CrMnAl含碳量为0.38%，且是锻件，故在此选用完全退火对其进行预备热处理。 5.2 中间热处理（调质和去应力退火工艺）的选择 对要进行氮化处理的工件，要求其氮化前有均匀而又细致的组织（即回火索氏体），以
15、保证工件心部有较高的强度和良好的韧性，不允许存在游离铁素体，表面不能有脱碳层，氮化前的表面粗糙度应小于Ra1.6μｍ，从而提高其综合性能，为氮化做好必要的组织准备，故而采用调质处理。 去应力退火则是为了去除切削加工过程中产生的残余内应力，降低硬度，为进一步机加工做准备。 5.3 最终热处理（氮化工艺）的选择 渗氮能使钢铁零件得到比渗碳淬火硬度、耐磨性、抗咬合能力、红硬性和良好疲劳强度的氮化层。由于渗氮温度低和渗氮后的渗氮层有高硬度，因而零件渗氮后不进行渗氮工艺，故渗氮零件的变形很小。渗氮后工件还具有抵抗大气、水分及某些介质的腐蚀能力。 6 制订热处理工艺制度
16、 金属材料和铁制品退火、正火和淬火保温时间由设备加热方式、零件尺寸、钢的成分、装炉量和设备功率等多种因素确定。加热所需时间包括从室温到炉温仪表指示达到所需温度的升温时间、炉料表面和心部温度均匀所需的均热时间以及内外达到温度后为了完成相变所需的保温时间三个部分。但在实际生产中，只有大型工件或装炉量很多情况下，才把升温时间和保温时间分别进行考虑，一般情况下把升温时间和保温时间统称为加热时间。在具体生产条件下，加热时间常用经验公式计算，通过实验最终确定，常用经验公式为： t=a×k×D 式中t——加热时间（min或s）、a——加热系数（min/mm或s/mm）、D——工件有效厚度（mm
17、K——炉装方式修正系数。 表4 常用钢的加热系数 工件材料 工件直径/mm ＜600℃箱式炉中加热 750-850℃盐炉中加热或预热 800-900℃箱式炉或井式炉中加热 1000-1300℃高温盐炉中加热 碳钢 ≤50 ＞50 0.3-0.4 0.4-0.5 1.0-1.2 1.2-1.5 合金钢 ≤50 ＞50 0.45-0.50 0.50-0.55 1.2-1.5 1.5-1.8 表5 各种截面的零件形状系数 形状 形状系数 球、正方体 0.75 圆棒、方棒 1.0 板（宽b、厚a） ①b≤2a；1.50 ②
18、2a
19、 加热方法：随炉温加热 理由：简单易控制，且是预备热处理，对性能要求不高。 加热介质：空气 加热设备：中温箱式电阻炉 齿轮平放于炉中 保温时间：2h 理由：退火时间t=a×k×D=1.5×1.0×32=48min。 冷却方法：随炉冷却 理由：表面与心部温度差距小，不易产生应力，防止其开裂。 冷却介质：空气 图2 完全退火工艺曲线 6.2 调质处理工艺 6.2.1 淬火工艺参数 加热温度：930℃ 理由：钢的淬火是将钢加热到临界温度Ac（亚共析钢）或Ac（过共析钢）以上某一温度，保温一段时间，使之全部或部分
20、奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等温）进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理工艺。低合金钢的加热温度范围为Ac+30～50℃；且其Ac为885℃，故可选温度为930℃。其目的是为了加速奥氏体化而又不引起奥氏体晶粒粗化。 加热方法：到温入炉加热 理由：对于形状复杂，要求畸变形小，或用合金钢制造的大型铸锻件，必须控制加热速度以保证减少淬火畸变及开裂倾向，一般以30-70℃/h速度升温到600-700℃，在均温一段时间后再以50-100℃/h速度升温。形状简单的中、低碳钢，直径小于400mm的中碳合金结构钢可直接到温入炉加热。 加热介质：空气
21、 加热设备：中温箱式电阻炉 齿轮平放于炉中 保温时间：1h 理由：淬火时间t=a×k×D=1.5×1.0×32=48min。 冷却方法及冷却介质：双液淬火法（水、油） 理由：要使钢中高温相——奥氏体在冷却过程中转变成低温亚稳相——马氏体，冷却速度必须大于钢的临界冷却速度。工件在冷 淬火冷却却过程中，表面与心部的冷却速度有-定差异，如果这种差异足够大，则可能造成大于临界冷却速度部分转变成马氏体，而小于临界冷却速度的心部不能转变成马氏体的情况。为保证整个截面上都转变为马氏体需要选用冷却能力足够强的淬火介质，以保证工件心部有足够高的冷却速度。但是冷却速度大，工件内部由
22、于热胀冷缩不均匀造成内应力，可能使工件变形或开裂。冷却阶段不仅为了零件获得合理的组织，达到所需要的性能，而且要保持零件的尺寸和形状精度。为了保证获得优异的性能，应先将工件淬入清水中20s后，迅速转入油中冷至室温。先快冷可避免过冷奥氏体的分解，后慢冷可有效地降低变形和开裂倾向。 6.2.2 回火工艺参数 高温回火目的：消除淬火时产生的残余应力，提高材料的塑性和韧性，稳定工件尺寸，得到良好的综合力学性能。 加热温度：630℃ 理由：在钢的Ac1温度以下，38CrMnAl的Ac为760℃，且是高温回火，故可以选温度为630℃。 加热方法：随炉温加热 理由：简单易
23、操作控制，且不易产生应力 加热设备：中温箱式电阻炉 加热介质：空气 加热设备：中温箱式电阻炉 齿轮平放于炉中 保温时间：4h 理由：从工件入炉后炉温升至回火温度时开始计算。可参考经验公式加以确定： Tn=Kn+AnD 式中Tn——回火时间（min）、Kn——回火时间基数、An——回火时间系数、D——工件有效厚度（mm）,Kn和An推荐值见下表 表7 Kn及An推荐值 回火条件 300℃以上 300-450℃ 450℃以上 箱式电炉 盐浴炉 箱式电炉 盐浴炉 箱式电炉 盐浴炉 Kn/min 120 120 20 15
24、10 3 An/(min/mm) 1 0.4 1 0.4 1 0.4 由上表可知，450℃以上电炉的Kn取10min，An值取1min/mm。得回火加热时间为42min。而高温回火保温时间一般为3-3.5h，则高温回火总加热时间为4h。 冷却方法：空冷 理由：①为了减少残余应力，在回火后一般在空气中冷却；②对于中、低碳高强度合金钢及弹簧钢为了避免发生第一类回火脆性，也可采用等温淬火。 冷却介质：空气 图3 调质工艺曲线 6.3 去应力退火工艺 加热温度：610℃ 理由：碳钢和低合金钢的去应力退火温度一般为550～650℃，高合金钢
25、和高速钢为600～750℃。此外，如果零件经过淬火回火后进行去应力退火，则退火温度应低于回火温度约20℃， 加热方法：随炉加热 理由：因为此时的热处理对工件性能要求高，且盘类零件要求精度高。随炉加热防止其产生新的应力，有利于保持工件性能。 加热介质：空气 加热设备：中温箱式电阻炉 齿轮平放于炉中 保温时间：1.5h 理由：去应力退火时间约为1～2h，结合工件的截面尺寸和装炉量定为1.5h。 冷却方法：随炉冷至小于300℃，出炉空冷 理由：一般应炉冷至500℃后再空冷，如果是大型零件或要求消除应力十分彻底的零件，则需炉冷至300℃，再出炉
26、空冷，此航空齿轮是精度要求高的零件，去应力退火的冷却应尽量缓慢，以免产生新的应力，故选择随炉冷却再空冷。 冷却介质：空气 图4 去应力退火工艺曲线 6.4 渗氮热处理工艺 选用气体渗氮，采用三段气体渗氮法。即工件随炉缓慢升温，在440℃保温2h，然后升温至500℃，保温30h，缓慢升温至560℃，保温24h，再随炉缓慢降温至530℃，保温6h退氮处理。关闭出气阀门，打开进气阀门。然后炉冷至小于200℃出炉空冷。 加热温度：分别是440℃、500℃、560℃、530℃ 理由：为了保证氮化物自身的心部强度与硬度不变化，氮化温度必须低于调质回火温度；若氮化温度过低
27、渗氮速度慢，为达到一定的氮化深度需延长时间，同时导致工件表面不能吸收足够活性氮原子，硬度不高，故氮化温度选在500～560℃。 加热方法：随炉温加热 加热介质：氮气 加热设备：井式渗氮炉 悬挂于炉中 保温时间：2h、30h、24h、6h 理由：当渗层深度在0.4mm以内时，平均渗氮速度为0.015～0.02mm/h；当渗层深度在0.4～0.7mm以内时，平均渗氮速度为0.005～0.015mm/h；渗层越深，渗速越慢。 a）对渗层深度的影响 b）对渗层硬度的影响 图2 38CrMoAl钢渗氮层深度及硬度与渗氮温度和时间的关
28、系 冷却方法：炉冷至小于200℃出炉空冷 冷却介质：氮气、空气 图5 氮化工艺曲线 7 热处理设备选择 7.1 箱式电阻炉的选择 热处理电阻炉是以电为能源的，通过炉内电热元件将电能转化为热能而加热工件的炉子，是一种造价相对便宜的炉子，以降低成本。完全退火、淬火、高温回火及低温回火温度均不超过950℃，可以选用中温箱式电阻炉。这类炉子的特点是在此温度下主要依靠辐射传热，因此电热元件直接布置在工作室内，要求炉内有足够的辐射面积。下表为各种电阻炉的技术参数。航空齿轮的尺寸为194mm×119.5mm，并且为单件生产（精度要求高，便于控制温度）。 表8 中温箱
29、式电阻炉产品规格及技术参数 根据件的尺寸和加热温度条件，并综合考虑经济效益及生产方式，完全退火、淬火、高温回火及低温回火均可选择RX-3-15-9型号的箱式电阻炉。 7.2 井式渗氮炉的选择 对于渗氮设备选用井式渗氮炉，这类炉子实际上是在井式炉炉膛中再加一密封炉罐，专为周期作业的渗碳、渗氮、碳氮共渗等所用。 表9 井式气体渗氮炉产品规格及技术参数 根据零件尺寸和氮化温度，并综合考虑经济效益及生产方式，氮化工艺选择RN-30-6型号的井式气体渗氮炉 7.3 热处理冷却设备的选择 热处理冷却设备应该能保证工件在冷却时具有相应的冷却速度和冷却温度。由出于经
30、济的考虑，我们选择水油双液冷，一般的淬火槽的尺寸都能满足淬火要求，我们选用普通淬火槽。 图2 普通间隙淬火作用淬火槽 1-溢流槽 2-排出管 3-供入管 4-事故排出管 5-淬火槽 6-工件 图3 航空齿轮热处理工艺曲线 8 工装设计（夹具、辅具等） 8.1 热处理夹具的选择 热处理夹具的选择原则为：①符合热处理技术条件：保证零件热处理加热，冷却，炉气成分均匀度，不致使零件在热处理过程中变形。②符合经济要求：在保证零件热处理质量符合热处理技术要求时，确保设备具有高的生产能力，夹具应具有质量轻，吸热量少，热强度高及使用寿命长的特点。 ③符合使用要求：保证装卸零
31、件方便和操作安全。 图4 箱式炉装料盘 图5 井式渗碳炉星形吊具 8.2 热处理辅具 8.2.1 清洗设备的选择 清洗设备是指对热处理前后工件清洗的设备。零件在热处理前需清除锈斑、油演、污垢、切削冷却液和研磨剂等，以保证不阻碍加热和冷却不影响介质和气氛的纯度，以防零件出现软点、渗层不均匀、组织不均匀等影响热处理质量的现象。热处理后也常需清洗以去除零件表面残油、残渣和炭黑等附着物，以保障热处理零件清洁度、防锈和不影响下道工序加工等要求。根据零件对清洁度要求、生产方式、生产批量及工件外形尺寸的要求选用相应的清洗设备。 常用的清洗设备有碱水溶液、磷酸水溶液。有
32、机溶剂的清洗槽和清洗机以及配合真空、超声波的清洗装置。一般清洗机常用于清除残油和残盐，可分为间歇式和连续式两种：前者有清洗槽、室式清洗机、强力加压喷射式清洗剂等；后者有传送带式清洗机及各类生产线、自动线配置的悬挂输送链式、链板式、推杆式和往复式等各类专用清洗设备。室式清洗机它主要用于批量不大的中小零件。输送带式清洗机，适用于批量较大的小型零件。根据生产特点，小批量的中小型零件，可以选用室内清洗机。 图6 室内清洗机 8.2.2 矫直设备 矫直设备用于矫正零件的翘曲变形。热矫又有不同的方法，一种是利用焊枪局部加热零件，另一种是利用零件仍在热处理的余热（或奥氏体组织）状态下进行
33、矫直，适用于大尺寸的轴类、板件或矫直时易断裂的零件，以及冷矫直后由于弹性作用容易反弹的零件。所以选用热矫的后种方法。适用于中、大型零件矫直用的有液压矫直机。 表10 常用矫正设备及适用范围 图7 单柱式液压矫直机 9 检验设备及方法选择 9.1 外观及表面粗糙度 正火与退火后工件表面不能有裂纹及伤痕等缺陷。一般热处理工件均用肉眼或低倍放大镜观察表面有无裂纹、烧伤、碰伤、麻点、腐蚀、锈斑等。重要工件检查裂纹可用碰力、着色、超声波探伤等方法，对表面允许喷砂铸工件可浸油后喷砂直接观察。表面颜色应为银（白）灰色或无光泽。若为黄色、紫黄色、深蓝色，表明氮化或冷却过程中工件被
34、氧化，如不严重可以使用，不影响质量。氮化物在化合物层出现并增加，体积变大改变了渗氮工件的粗糙度，规定氮化前的粗糙度为氮化后的一半。同时应检查表面，应无磕碰伤。 9.2 弯曲与变形 按技术要求进行检查。工件表面形成合金氮化物，使工件直径胀大，最大变形量一般小于0.05mm，机加工过程必须控制加工余量。 9.3 渗氮层深度的检验 包化合物层和扩散层。检验方法为金相法、硬度法和断口法。 9.4 表面硬度和脆性 渗氮层硬度检测：由于渗氮层薄且硬度高，所以对表面硬度的检查一般都采用维氏硬度计或表面洛氏硬度计测量表面硬度，载荷大小根据氮化层深度来选择。检查硬度时，
35、被检验零件表面必须平滑，不能有氧化皮或油污，检验前零件可用砂纸或挫刀磨光，打硬度时零件应放平，使被测零件的被测面垂直于压的轴线。 渗氮层脆性检测：按维氏硬度压痕边角碎裂程度分5级。应在工件工作部位或随炉试样的表面检验渗氮层脆性。 9.5 金相检查 在最表层常常出现薄的化合物层，由于化合物层有很高的耐腐蚀性，因此在经硝酸酒精腐蚀后仍保持光亮，无法看到化合物层内部组织结构，俗称“白亮层”。氮化层中白亮层厚度不应大于0.25mm；对于抗磨氮化而言，白亮层愈薄愈好，对脆性大的白亮层进行磨削加工，将其去除，抗蚀氮化要求有均匀致密的白亮层，白亮层越厚，硬度越高，脆性越大，耐蚀性越好。
36、 a）100× b）500× 图8 38CrMoAl钢渗氮后的金相组织 10 热处理缺陷分析 10.1 完全退火缺陷分析 （1）硬度过高 原因：由于退火过后冷速太快，生成的片状珠光体太薄，导致硬度升高。它不利于切削加工。 控制措施：是重新加热，降低冷却速度（冷速应小于等于120℃/h） （2）组织中出现粗大的块状铁素体 原因：冷速太慢 控制措施：冷速应控制在30℃/h以上。 10.2 调质处理缺陷分析 （1）工件表面脱碳严重 原因：工件在氧化气氛的加热炉中加热时间过长、温度过高所
37、致。 控制措施：合理选择加热温度和保温时间，或选择保护气氛加热炉、真空炉等加热设备。 （2）力学性能过低 原因：淬火加热温度低游离态铁素体未完全溶入奥氏体中所致；或是原材料钢材的淬透性差；或是由于回火温度过高或过低所致。 控制措施：调整淬火温度；调整回火温度。 （3）淬裂 原因：原材料内部缺陷所致；淬火冷却过于激烈；尖角沟槽处应力集中，切削刀纹粗大；工件表面脱碳。 10.3 去应力退火缺陷分析 易产生新的应力 原因：由于工件在冷却过程中，冷却速度较快，易产生新的应力 控制措施：应控制好冷却速度，选择恰当的冷却方法。 10.4 渗氮缺陷分析
38、 （1）渗层太浅 原因：渗氮温度低或第二阶段扩散温度低、渗氮时间短、氨分解率偏高或不稳定、新换渗氮缸未经渗氮处理或使用过久的渗氮缸未经退氮处理或缸壁污物未清除。 控制措施：渗层太浅可再次渗氮纠正，最好是渗氮结束前对试样进行检查、及时发现，并延长渗氮时间。 （2）渗氮层硬度低 原因：一般是在分段渗氮第一阶段保温时，氨分解率偏高；渗氮温度偏高，渗层中未形成弥散杜高的氮化物层；使用新的渗氮罐时未经预渗氮。 控制措施：严格控制氨分解率；经常校正测温仪表，严格控制渗氮工艺参数；零件重新渗氮，若零件的尺寸公差允许，最好将低硬度渗氮层磨去后重新渗氮。 （3）硬度不均匀 原因
39、零件表面油污未除尽、装炉量太多和装夹不合理、使炉气流通不畅或不均匀以及原材质组织不均匀等。 控制措施：应对症克服不良因素并重新渗氮。 （4）渗氮层脆性太大或易剥落 原因：氨分解率低；炉气氮势高；退氮工艺不当；工件有脱碳层。 控制措施：严格控制操作工艺；按工艺操作；将氨气分解率提高到70%以上，重新进行退氮处理，以降低脆性；增大加工余量。 （5）表面出现氧化色 原因：渗氮罐内没有维持正常的正压、导致空气窜入炉内和出炉温度过高等。 11 小结 通过这次的课程设计实习，我有如下几方面的感触： ①通过读航空齿轮的热处理工艺方法的选择以及制定，我对螺
40、旋锥齿轮的理论知识有了更深的理解。在设计的过程中我翻阅了大量的参考书及手册，让我对一些参数有一个全新的更深的认识。通过查看参考一些别人设计的作品和查阅资料文本，吸取其中的精华，去除糟粕，不仅使自己熟练地掌握了word的用法，使自己对其有了更高的掌握程度，更学会怎样快速地运用身边的工具有效地得到自己想要的有用的东西。 ②通过这次课程设计，我认识到为获得理想的组织与性能，保证零件在生产过程中的质量稳定性和使用寿命，就必须从工件的特点﹑要求和技术条件，认真分析产品在使用过程中的受力状况和可能的失效形式，正确选择材料；最后根据其经济性﹑方便性﹑质量稳定性和便于管理﹑降低成本等因素，确定出一种
41、最佳方案。 通用热处理工艺卡 零件名称：航空齿轮 热处理工艺卡片 处理前要求： 零件号：3 材料：38CrNiMoA 工序号： 装炉方法及数量：1 热处理技术要求： 1） 氮化处理 氮化层深度：>0.5mm 2） 表面硬度：550-700HV 热处理工艺曲线： 工 步 号 名称 设备 工装、夹具 加 热 保 温 冷 却 零件图： 温度/℃ 时间/h 温度/℃ 时间/h 介质 温度/℃ 1 完全退火 RX-3-15-9型箱式电阻炉 箱式炉装料盘 92
42、0 950 0.8 空气 室温 2 淬火 RX-3-15-9型箱式电阻炉 箱式炉装料盘 930 650 0.8 水油 室温 3 高温回火 RX-3-15-9型箱式电阻炉 箱式炉装料盘 630 0.7 930 3.3 空气 室温 4 去应力退火 RX-3-15-9型箱式电阻炉 箱式炉装料盘 610 650 1.5 空气 炉冷至300出炉空冷 5 氮化处理 RN-30-6型井式气体渗氮炉 井式渗碳炉星形吊具 400 500 560 530 800 2 30 24 6 氮气空气 炉冷至200
43、出炉空冷 备注： 拟定者：XXX 日期：2013年1月14日 审核者：徐宏妍 参 考 文 献 【1】 戴起勋主编，金属材料学，北京：化学工业出版社，2005:88 【2】 胡光立，谢希文编著，钢的热处理（第3版），西安：西北工业大学出版社，2010：307 【3】 崔昆主编，钢铁材料及有色金属材料，北京：机械工业出版社，1980：286 【4】 胡光立，谢希文编著，钢的热处理（第3版），西安：西北工业大学出版社，2010：169 【5】 夏立方编著，金属热处理工艺学（第3版），哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2007：12 【6】 王广生主编，金属热处理缺陷
44、分析及案例(第二版)，北京：机械工业出版社，2007：33 【7】 中国机械工程学会热处理专业会编，热处理手册（第三版）第一卷，工艺基 础，北京：机械工业出版社，2006：329 【8】 中国机械工程学会热处理专业会编，热处理手册（第三版）第三卷，热处理 理设备和工辅材料，北京：机械工业出版社，2006：150 【9】 中国机械工程学会热处理专业会编，热处理手册（第三版）第三卷，热处理 理设备和工辅材料，北京：机械工业出版社，2006：165 【10】 中国机械工程学会热处理专业会编，热处理手册（第三版）第三卷，热处 理理设备和工辅材料，北京：机械工业出版社，2006：519
45、 【11】 中国机械工程学会热处理专业会编，热处理手册（第三版）第三卷，热处 理理设备和工辅材料，北京：机械工业出版社，2006：614 【12】 中国机械工程学会热处理专业会编，热处理手册（第三版）第三卷，热处 理理设备和工辅材料，北京：机械工业出版社，2006：611 【13】 中国机械工程学会热处理专业会编，热处理手册（第三版）第三卷，热处 理理设备和工辅材料，北京：机械工业出版社，2006：588 【14】 中国机械工程学会热处理专业会编，热处理手册（第三版）第三卷，热处 理理设备和工辅材料，北京：机械工业出版社，2006：608 【15】 中国机械工程学会热处理专业会编，热处理手册（第三版）第三卷，热处 理理设备和工辅材料，北京：机械工业出版社，2006：606 【16】 中国机械工程学会热处理专业会编，热处理手册（第三版）第一卷，工艺 基础，北京：机械工业出版社，2006：334～335
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