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热处理工艺设计
50CrVA钢调速弹簧的 热处理工艺设计
1 热处理工艺课程设计的意义
热处理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，是热处理原理与工艺课程的最后一个教学环节。其目的是：
（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 热处理课程设计的任务
①普通热处理工艺设计 ②特殊热处理工艺设计 ③制定热处理工艺参数 ④选择热处理设备
⑤设计热处理工艺所需的挂具、装具或夹具 ⑥分析热处理工序中材料的组织和性能 ⑦填写工艺卡片
3 50CrVA调速弹簧的技术要求及选材
3.1 技术要求
50CrVA钢喷油泵调速弹簧技术要求如下：
硬度：HRC46～51
3.2 零件图
喷油泵调速弹簧的零件如图3.1所示。
图3.1 喷油泵调速弹簧
3.3 材料的选择
3.3.1 零件用途
喷油泵调速弹簧，利用弹簧的受力形变和恢复来调节气门的开合，从而调节喷油泵的喷油速度与喷油量。 3.3.2 工作条件
（1）喷油泵调速弹簧工作时，要承受高应力。
（2）喷油泵调速弹簧要承受高频率往复运动。 （3）喷油泵调速弹簧要在较高的温度下工作。 3.3.3 性能要求
弹簧的性能要求为如下几个方面：
力学性能：由于弹簧是在弹性范围内工作，不允许有永久变形。要求弹簧材料有良好的微塑性变形能力，即弹性极限、屈服极限和屈强比要高。
理化性能方面：喷油泵调速弹簧的工况很复杂，要在较高的温度下长期工作，因此要求弹簧材料有良好的耐热性，即有高的蠕变极限、蠕变速率较小和较低的应力松弛率。
工艺性能方面：尺寸较小的弹簧热处理时变形大、难以校正和保证弹簧产品质量，宜选用已强化的弹簧材料，冷成型后不经淬火、回火，只须进行低温退火。这样更能保证大批量小弹簧的产品质量和成本低廉。
3.3.4 材料选择
选用50CrVA钢热轧弹簧钢丝卷制。由于50CrVA钢中含有铬能够提高淬透性并且可降低锰引起过热的敏感性，铬熔于铁素体中使弹性极限提高。钒可以细化组织，减少过热敏感性，提高钢的强度和冲击韧性。可用作特别重要的承受高应力的各种尺寸的螺旋弹簧，也可也用作在300°C以下工作的重要弹簧，如各种阀门弹簧，喷油嘴弹簧。
3.3.5 50CrVA钢化学成分及合金元素作用
表3.1 50CrVA钢的化学成分（GB/T3077-1990）ω/%
C 0.44～0.54
Si 0.17～0.37
Mn 0.50～0.80
Cr 0.80～1.10
V 0.10～0.20
Ni ≤0.35
P ≤0.035
S ≤0.030
[1]
50CrVA钢的化学成分示于表3.1 化学元素作用：
① C ：保证形成碳化物所需要的碳和保证淬火马氏体能够获得的硬度 ② Cr：提高钢的淬透性并有二次硬化作用，是刚在高温时仍具高强度和高硬度，增加钢的耐磨性，增高钢的淬火温度。
③ Si： 能提高钢的淬透性和抗回火性，对钢的综合机械性能，还能增高淬火温度，阻碍碳元素溶于钢中。
④ Mn：能增加钢的强度和硬度，有脱氧及脱硫的功效（形成MnS），防止热脆，故Mn能改善钢的锻造性和韧性，可增进刚的硬化深度，降低钢的下临界点，增加奥氏体冷却时的过冷度，细化珠光体组织以改善机械性能。 ⑤ V：可以细化组织，减少过热敏感性，提高钢的强度和冲击韧性。
3.3.6 50CrVA钢热处理临界转变温度 50CrVA钢热处理的临界转变温度见表3.2
表3.2 50CrVA钢临界转变温度
[2]
临界温度（近似值）（℃）
钢号
Ac1
50CrV
740
Ac3 810
Ar1 688
3.3.6 50CrVA钢的淬透性曲线
图3.2 50CrVA钢的淬透性曲线
3.4 50CrVA钢调速弹簧加工制造工艺流程
50CrVA钢调速弹簧加工制造工艺流程如下：
钢材检查→盘旋与调整→淬火→清洗→中温回火→校正→检验→法兰
4 50CrVA调速弹簧的热处理工艺
4.1 50CrVA钢的淬火工艺
4.1.1 淬火目的
淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体转变，得到马氏体组织，然后配合以不同温度的回火，提高弹簧的强度和弹性，获得所需的力学性能。 4.1.2 热处理设备
选用RDM系列埋入式盐浴炉，盐浴炉参数见 表 4.1。
说明：盐浴炉适用于中小型工件加热。加热速度快，温度均匀，中性介质，不易氧化、脱碳；炉口敞开，便于吊挂，工件变形小。
装炉方式：40件/炉 ，用专用夹具，悬挂入炉。
表4.1 RDM-100-13 埋入式盐浴炉
电源
型号 RMD-100-13
额定功率
相数
100(KW)
3
电压 380(V)
1300℃ 额定温度
mm) 450×350×560
[3]
工作空间尺寸(mm×
4.1.3 淬火温度 淬火温度：860±10℃
依据：加热温度t=Ac3＋30～50℃， t=810+50=860℃ 故取860±10℃。 4.1.4 加热方式
盐浴炉加热，温度均匀，加热速度快。 4.1.5 加热介质
加热介质：50%NaCl+50%BaCl2 4.1.6 保温时间
保温时间：5min
选定的依据：加热时间可按下列公式进行计算：t=a×K×D，式中t为加热时间（min），K为反映装炉时的修正系数，可根据表4.3可得K取1.4，a为加
热系数min/mm,加热系数a可根据钢种与加热介质、加热温度，参数按照表4.2选取，D为工件有效厚度（mm）可得t=a×K×D=0.75×1.4×3.2=3.36min。考虑到夹具的随炉加热，所以， 取保温时间5min
表4.2 工件加热系数a
[4]
钢号 碳钢 合金钢 高合金钢 高速钢
退火、正火（箱式炉） 0.7～0.8min/mm 0.9～1.0min/mm 1.0～1.5min/mm 2～3min/mm
箱式炉 0.7～0.8min/mm 0.9～1.0min/mm 预热1min/mm 加热45s/mm 2～2.5min/mm
淬火
盐炉 20～30s/mm 30～45s/mm 预热30s/mm 加热16s/mm 预热15～30s/mm 加热8～12s/mm
表4.3 工件装炉修正系数K
4.1.7 冷却方式
由于50CrVA钢淬透性较好，冷却速度越大，则淬火内应力越大，淬火变形也越大，工件容易变形开裂。使用冷却较为缓和的淬火介质，其热应力就相对较小。所以选择油冷。
4.1.8 淬火方式
80°C油冷，选用2号普通淬火油油淬 2号普通淬火油的冷却能力见 表 4.4
由于零件尺寸较小，油淬可以达到淬火临界冷却速度，并且油淬操作简单，经济，易于操作；淬火过程中Ms点已经进入对流阶段，低温区冷却能力远小于水，可以减少工件应力的产生，减少由于内应力产生的变形和开裂。
表4.4 2号普通淬火油的冷却能力[5]
冷却介质 2号普通淬火油
特性温度 633
特性时间 2.25
800～400℃冷却/s
3.15
800～300℃冷却/s
4.55
4.1.9 淬火后组织
马氏体＋残余奥氏体 4.1.10 淬火后硬度
淬火后组织为马氏体＋残余奥氏体，具有较高的硬度，硬度可达50～56HRC，经过回火处理后可以满足零件的性能要求。 4.1.11 淬火工艺曲线
淬火工艺曲线见图 4.1
图 4.1淬火工艺曲线
4.2 50CrVA的中温回火工艺
4.2.1 回火目的
中温回火，使钢获得最高的弹性极限。 4.2.2 热处理设备
选用RX3系列950℃箱式电阻炉，电阻炉参数见 表 4.5。
说明：适用于中，小型工件成批量生产。可进行退火，淬火和高温及低温回火等热处理操作。新型结构炉衬保温性好，炉衬变薄，重量减轻，有效的减少了炉衬的散热和蓄热损失，降低了空载功率，缩短了空炉升温时间。 装炉方式：200件/炉，用专用夹具夹紧，用装具分层摆放
表4.5 RX3-30-9Q 950℃箱式电阻炉
电源
型号 RX3-30-9Q
额定功率
相数
30(KW)
3
电压 380(V)
950℃ 额定温度
mm) 760×360×310
[6]
工作空间尺寸(mm×
4.2.3 回火温度
图 4.2 50CrVA材料力学性能于回火温度关系曲线
回火温度：480±10℃。
中温回火使钢获得最高的弹性极限，钢的弹性极限往往在回火温度为200～400℃之间时出现极大值。在350～500℃范围内的中温回火就是利用这一特征，碳素弹簧钢的回火取此温度范围的下限，合金弹簧钢的回火取此温度范围的上限，因为合金元素提高了钢的回火抗力。根据50CrVA材料力学性能于回火温度关系曲线，为保证材料符合力学性能要求选择温度范围为400～500℃。
所以回火温度取480±10℃
4.2.4 加热方式
用空气电阻炉采取到温加热方式，可以减少工件加热时间，回火后硬度下降较小
4.2.5 加热介质
加热介质：空气 4.2.6 保温时间
依据表4.6保温时间约为35min，由于考虑到随炉加热的夹具和装具，故选定保温时间为60min。
保温时间：60min 依据：参见表4.6
表4.6 硅锰和铬钒弹簧钢在回火温度为400～520℃时的保温时间
材料直径/mm 保温时间/min
≤10 25～35
10～15 30～35
15～20 40～45
20～25 50～60
25～42 70～90
[7]
4.2.7 冷却方式 出炉空冷。 4.2.8 回火组织
回火屈氏体＋极少量残余奥氏体 4.2.9 硬度
硬度46～51HRC 4.2.10 回火工艺曲线
回火工艺曲线见图 4.2
图 4.2 回火工艺曲线 4.3 总的热处理工艺曲线
热处理总工艺曲线见 图
4.3
图 4.3 热处理总工艺曲线
4.4 热处理工艺的检验
4.4.1 试验设备
① HR-F洛式硬度计。
主要参数：实验力：1500N；压头类型：金刚石圆锥120℃；实验力保持时间：
6-99s，可设置；测试硬度范围20-70HRC。 ② 金相显微镜 4.4.2 检验操作
① 硬度的检验：选取三点用金刚石压头进行硬度测试，取三次测量的平均值。
② 金相组织检验：试样制备：选取试样横截面切取，夹具夹持进行抛光，50%盐酸水溶液加热70℃左右进行腐蚀，用20%酒精进行清洗，再吹干。试样观察：在金相显微镜下进行观察试样的金相组织，为回火屈氏体组织，符合工件热处理组织要求。
5 热处理工序中材料的组织及性能
5.1 淬火工艺材料中的组织及性能
(1) 正常加热冷却：工件加热到860℃后珠光体转变为奥氏体，保温时组织不变，晶粒细化，出炉油冷至室温时得到马氏体+残余奥氏体，具有较高的硬度。
(2) 加热温度不足时，加热后组织为奥氏体+铁素体，室温后组织为马氏体+铁素体，硬度不足，塑性大。
(3) 加热温度过高时：加热后组织为（粗大）奥氏体，室温后组织为（粗大）马氏体，脆性太大，易断裂。
(4) 冷却速度过大时，组织为马氏体，由于晶粒不均匀，性能较差，容易开裂和变形。
(5)冷却速度不足时，组织为马氏体+贝氏体。硬度和强度不高，塑性较大。
5.2 回火工艺材料中的组织及性能
(1) 正常加热冷却：加热温度为时，则加热后组织为马氏体，回火保温足够时间后组织为回火屈氏体，弹性性能很大提高，硬度和强度适中。
(2) 加热温度不足时，加热后组织为马氏体+碳化物（大量），室温后组织为回火马氏体。 硬度偏高。
(3) 加热温度过高时，得到由铁素体和弥散分布于其中的细粒状渗碳体组成的回火索氏体组织。回火索氏体的塑性和韧性比较高，弹性不足。
6 常见缺陷及防止方法
50CrVA弹簧钢热处理常见缺陷及防止方法参考表 6.1[5] 注：
1.操作要求严格执行热处理操作规范 2.热处理严格按照工艺执行 3.其他缺陷产生原因另行分析
表6.1 50CrVA弹簧钢热处理常见缺陷及防止方法
常见缺陷
产生原因
防止方法
硬度不足，弹性低
1严格执行工艺，控制好淬火温度和
1淬火温度过高，残留奥氏体过多
保温时间
2淬火加热表面脱碳
2.盐浴炉要充分及时脱氧，或采用
保护气氛、真空热处理
1.产生回火脆
1用快速冷却消除回火脆 2.严格控制淬火温度和保温时间 1.用专用夹具进行定型回火
1.内应力大
脆性大
2.过热
变形
2.残余奥氏体过多
2.延长回火时间 3多次回火
1.严格执行热处理工艺，严格控制加
1.淬火加热速度过快
热温度和保温时间，使用合适淬火介
淬火开裂 2.冷却过快，淬火介质不当
质
3.加热温度过高，保温时间过长
1.原材料脱碳超标
1.严格原材料复检 2.盐浴炉充分及时脱氧 1.盐浴炉及时充分脱氧
1.盐浴炉脱氧不良，或带硝盐
2.及时清理残盐
表面脱碳或元素贫化
2.淬火加热的盐浴脱氧不充分
表面腐蚀 2.没有及时清理残盐
3.零件热处理前表面清洗洁净
3.零件表面不洁净
4.热处理后及时钝化和烘干
7. 弹簧淬火及回火热处理夹具和装具
7.1 弹簧淬火及回火热处理夹具
图7.1 弹簧淬火和回火夹具
图7.2 淬火的夹具和入炉方式示意图
图7.3弹簧回火装具
8 40Cr炉用结构件（炉体连接板）的渗铝热特殊热处理
8.1零件图
图8.1加热炉炉体连接板
8.2 性能要求：
渗层厚度：0.35mm
除满足一般力学性能外，要求组织均匀，有合理的组织稳定性，去除内应力，抗高温氧化及热腐蚀。
8.3 零件用途：
加热炉炉体连接板
8.4工作条件：
工作在较高温度环境中，单位面积上承受的载荷较低，但易高温氧化。
8.5材料的选择
40Cr是常用的构件钢，价格低廉。能够满足做炉用结构件的力学性能要求，
并且能够在560℃左右的温度环境中持续工作，对其表面进行渗铝处理，可延长其使用寿命。
表8.1 40Cr钢的化学成分（GB/T3077-1990）ω/%
C 0.37～0.44
Si 0.17～0.37
Mn 0.50～0.80
Cr 0.80～1.10
[8]
8.6 工艺流程:
下料→焊接→热浸渗铝（代替退火）→检验
8.7 渗铝工艺设计
8.7.1 渗铝的目的：
1.表面渗铝，防热腐蚀，抗高温氧化
2.均匀组织，清除焊接内应力 8.7.2 设备的选择：
表8.2 外热式坩埚浴炉的基本尺寸
加热温度℃
≤900
工作空间尺寸mm ?400×600
浸剂：90%铝粉+10%铁粉 装炉方式：20件/炉 8.7.3 温度的选择：
根据图8.2 渗层厚度与温度的关系曲线，选加热温度：780℃
渗层厚度/mm
加热温度/t
图8.2 渗层厚度与温度的关系曲线 8.7.4 热浸时间：
根据图8.3 渗层厚度与保温时间的关系曲线可知，保温时间应大于15min.热浸时间增加，渗层厚度增加，时间超过12min渗层厚度增加缓慢，因为热浸时间增加，钢自身温度上升反吸附能力增强。若要达到0.35mm渗层厚度，应适当延长保温时间。
所以选择保温时间为：40min
渗
层厚度/mm
保温时间/min
图8.3 渗层厚度与保温时间的关系曲线
8.7.5 冷却方式：
空冷
8.7.6 渗铝后的组织：
珠光体+少量铁素体 8.7.7 渗铝工艺曲线
图8.4 渗铝工艺曲线
8.7.8 检验
为检查渗层厚度是够达到0.35mm技术要求，对工件进行金相组织检查。并对其内部组织进行检查。
9 热处理工艺课程设计的的见解和体会
通过三周的课程设计，我充分利用大学期间学的知识和来自图书馆及网上资料，对热处理的知识有了全新的理解和掌握，使我能够将我学过的知识整体结合起来，让我从大量的课程中钻了出来，从更高的高度来看待我们的课程，使我的学习与实际联系的更加紧密。
使我更有目的性而且将我以前搞不懂的东西更加清晰的展现在我的面前，让我更加了解自己的知识的缺乏，使自己的学习更加有动力，而且我知道到了热处理是一个很有技术含量的东西 ，这个过程也是使我锻炼自己动手能力的一个很好的机会，尤其是在自己动手解决问题的方面。
热处理工艺课程设计让我学到很多专业知识，动手能力也得到提高，为我以后走进工厂做好了准备！
参考文献
[1] 热处理技术数据手册/樊东黎等主编.—2版.—北京：机械工业出版社，2006.4 [2] 热处理工程师手册/樊东黎等主编.—2版.—北京：机械工业出版社，2004.9 [3] 吉泽升. 热处理炉. 哈尔滨工业大学出版社，2001.5 [4] 热处理工程师手册，机械工业出版社出版，2004.9
[5]《实用热处理》编写组.实用热处理.湖南人民出版社，1974.11 [6] 吉泽升. 热处理炉. 哈尔滨工业大学出版社，2001.5
[7] 热处理工程师手册/樊东黎等主编.—2版.—北京：机械工业出版社，2004.9 [8] 热处理技术数据手册/樊东黎等主编.—2版.—北京：机械工业出版社，2006.4
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